半導(dǎo)體所在PZT光電子材料與器件領(lǐng)域取得重大突破

 

　　中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所李明研究員和國(guó)科大杭州高等研究院邱楓研究員合作率先針對(duì)晶圓級(jí)鋯鈦酸鉛薄膜材料制備和加工展開(kāi)攻關(guān)，利用液相沉積+磁控濺射組合工藝實(shí)現(xiàn)了4英寸晶圓薄膜的低成本大規(guī)模制備(圖1)，并成功研制出首個(gè)公開(kāi)報(bào)道的新型鋯鈦酸鉛光子集成工藝開(kāi)發(fā)套件PDK庫(kù)(圖2和表1)，實(shí)現(xiàn)了從材料生長(zhǎng)到器件設(shè)計(jì)與制備的全流程自主可控研發(fā)，突破了傳統(tǒng)光學(xué)材料在制造高速電光調(diào)制器時(shí)面臨的調(diào)制帶寬和能效制約瓶頸。經(jīng)測(cè)試，制備的馬赫-曾德?tīng)栯姽庹{(diào)制器高頻調(diào)制帶寬大于70 GHz，調(diào)制效率1.3 V·cm；微環(huán)調(diào)制器調(diào)制帶寬大于50 GHz，調(diào)制效率0·56 V·cm(圖3)。與硅和薄膜鈮酸鋰等傳統(tǒng)光學(xué)材料相比，在保留高調(diào)制帶寬同時(shí)實(shí)現(xiàn)了調(diào)制效率的大幅提升。如表1所示，首版PDK器件庫(kù)還包括多模干涉器、光柵耦合器、交叉器等，通過(guò)模型設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化迭代，整體器件性能和器件庫(kù)完備性還具備巨大的提升空間。該研究成果將助力我國(guó)下一代新型光學(xué)材料平臺(tái)及工藝技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，為光通信和光計(jì)算等信息光子技術(shù)發(fā)展提供重要的材料平臺(tái)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(fā)表兩篇短篇通信論文，快速報(bào)導(dǎo)了成果與進(jìn)展。
 

　　該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金資助：國(guó)家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目(61925505)，國(guó)自然青年基金項(xiàng)目(62405070)，浙江省尖兵領(lǐng)雁項(xiàng)目(2024C01112)，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2023YFB2807100)。
 

圖 1. 4英寸PZT 晶圓(左)和光子集成工藝平臺(tái)(右)
 

圖 2. PZT 光子器件的高分辨率SEM圖像
 

　　圖 3. PZT 電光調(diào)制器性能指標(biāo)。(a)和(b)是馬赫-曾德?tīng)栯姽庹{(diào)制器結(jié)構(gòu)和調(diào)制特性；(c)和(d)是微環(huán)電光調(diào)制器結(jié)構(gòu)和調(diào)制特性
 

圖 4. 技術(shù)展望