【儀器網 科技成果】數據中心、人工智能和云計算等技術的飛速發展導致全球流量需求激增，對高速信息網絡的構建提出了前所未有的挑戰，包括但不限于高數據傳輸速率、低功耗和高集成度等性能需求，進而推動了高性能光電子材料與器件的創新研發。薄膜鋯鈦酸鉛(Pb(ZrTi)O3, PZT)鐵電材料因其高透明度、優越的化學/熱穩定性和高電光系數優勢而廣受關注，Pockels系數值大于100 pm/V，超過薄膜鈮酸鋰3倍，有望同時實現低能耗、高速率、高度集成的片上電光調制，突破傳統材料體系在帶寬和能效上的設計瓶頸；此外，PZT材料成膜工藝簡單(化學液相沉積或磁控濺射等)，可以在氧化硅上完成大尺寸、高質量晶體薄膜沉積生長，CMOS兼容性強，有利于促進低成本、大規模生產使用，將是下一代新型光電材料的重要選擇。

 

　　中國科學院半導體研究所李明研究員和國科大杭州高等研究院邱楓研究員合作率先針對晶圓級鋯鈦酸鉛薄膜材料制備和加工展開攻關，利用液相沉積+磁控濺射組合工藝實現了4英寸晶圓薄膜的低成本大規模制備(圖1)，并成功研制出首個公開報道的新型鋯鈦酸鉛光子集成工藝開發套件PDK庫(圖2和表1)，實現了從材料生長到器件設計與制備的全流程自主可控研發，突破了傳統光學材料在制造高速電光調制器時面臨的調制帶寬和能效制約瓶頸。經測試，制備的馬赫-曾德爾電光調制器高頻調制帶寬大于70 GHz，調制效率1.3 V·cm；微環調制器調制帶寬大于50 GHz，調制效率0·56 V·cm(圖3)。與硅和薄膜鈮酸鋰等傳統光學材料相比，在保留高調制帶寬同時實現了調制效率的大幅提升。如表1所示，首版PDK器件庫還包括多模干涉器、光柵耦合器、交叉器等，通過模型設計和工藝優化迭代，整體器件性能和器件庫完備性還具備巨大的提升空間。該研究成果將助力我國下一代新型光學材料平臺及工藝技術的國產化研發和產業化應用，為光通信和光計算等信息光子技術發展提供重要的材料平臺支撐(圖4)。
 

　　該工作以 “PZT Photonic Materials and Devices Platform”和 “Broadband PZT Electro-optic Modulator”為題，在Journal of Semiconductor上發表兩篇短篇通信論文，快速報導了成果與進展。
 

　　該工作得到國家自然科學基金資助：國家杰出青年科學基金項目(61925505)，國自然青年基金項目(62405070)，浙江省尖兵領雁項目(2024C01112)，國家重點研發計劃(2023YFB2807100)。
 

圖 1. 4英寸PZT 晶圓(左)和光子集成工藝平臺(右)
 

圖 2. PZT 光子器件的高分辨率SEM圖像
 

　　圖 3. PZT 電光調制器性能指標。(a)和(b)是馬赫-曾德爾電光調制器結構和調制特性；(c)和(d)是微環電光調制器結構和調制特性
 

圖 4. 技術展望