基于壓電效應的光電子集成技術研究進展綜述

壓電效應是一種實現(xiàn)電能與機械能之間相互轉換的重要物理現(xiàn)象。隨著集成光電子技術和壓電薄膜材料制備技術的日益成熟，壓電效應在光電子集成芯片領域引起廣泛的研究。在壓電效應的作用下，外部電場可以操控薄膜材料的形變，從而改變折射率，實現(xiàn)光電調諧和聲光調制。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，上海交通大學蘇翼凱教授研究團隊對基于壓電效應的光電子集成技術進行了綜述分析。首先介紹常見壓電薄膜材料及其研究進展；隨后回顧和探討基于壓電效應的光電子集成器件的研究進展；最后對壓電調諧器件和聲光調制器的應用進行介紹和展望，分析其大規(guī)模應用面臨的挑戰(zhàn)和問題。相關研究內容以“基于壓電效應的光電子集成技術研究進展（特邀）”為題發(fā)表在《光子學報》期刊上。

壓電薄膜材料研究進展

在集成光電子器件的研究中，常見的壓電薄膜材料包括氮化鋁（AlN）、鋯鈦酸鉛（PZT）、鈮酸鋰（LN）、二氧化鉿（HfO?）等，表1展示了這些薄膜材料的特性。

表1 不同壓電薄膜材料的物理性質

AlN薄膜材料研究進展

作為第三代半導體之一，AlN由于其出色的物理、熱、機械和光學特性而備受關注。從結構上看，纖鋅礦結構的AlN呈四面體配位，面內晶格常數(shù)為a = 0.311 nm，垂直晶格常數(shù)為c = 0.498 nm。這種晶體結構賦予了AlN單軸各向異性。AlN在不同的波導偏振模式下表現(xiàn)出光學雙折射現(xiàn)象。目前主要的AlN沉積技術包括物理氣相沉積（PVD）、化學氣相沉積（CVD）和脈沖激光沉積（PLD）。

2012年，美國TANG H X課題組通過制備多晶AlN薄膜在集成光子領域做出了開創(chuàng)性的工作，這種薄膜材料是通過反應磁控濺射制備的，這種多晶AlN呈現(xiàn)出沿c軸和面內疇邊界的柱狀團簇結構，如圖1所示。近年來，為減小AlN薄膜在紫外-可見光區(qū)域的損耗，納米晶體AlN和單晶AlN模板在藍寶石襯底上的生長已經成為一種備受矚目的低損耗集成光子平臺，特別是在紫外-可見光區(qū)域。納米晶體AlN成為工業(yè)中生長高溫氮化物層的低成本緩沖層。這種低成本地商業(yè)晶圓應用，促進了AlN薄膜在紫外-可見光區(qū)域的研究和應用。

圖1 多晶AlN薄膜的截面結構

除了薄膜的生長，人們還試圖通過高溫退火（1700 ℃以上）來改善沉積AlN的結晶度。無論是單元素摻雜還是多元素摻雜，AlN的壓電性能和系數(shù)都得到了顯著增強，這將有助于集成光電子領域中基于AlN薄膜的高效率壓電器件研究和發(fā)展。除了AlN壓電薄膜材料，還有一種常見的壓電薄膜材料PZT，它的壓電系數(shù)要比AlN薄膜高很多。

PZT壓電材料研究進展

PZT具有優(yōu)良的鐵電、介電、壓電、熱釋電和光電性能，被廣泛應用在多個領域。PZT的壓電系數(shù)很高，其壓電系數(shù)可達150 pm/V，是AlN的數(shù)十倍以上。用于生長PZT薄膜的方法有許多，包括溶膠凝膠法，射頻濺射法，金屬有機化學氣相沉積法和脈沖激光沉積法。PZT薄膜的壓電特性取決于多種因素，包括加工條件（如沉積類型和溫度）、化學成分、厚度和晶體取向等，其中比較熱門的兩個研究方向為準同型相界（MPB）和摻雜改性。除了對MPB區(qū)域的研究，學者們還發(fā)現(xiàn)在PZT中進行微量元素的摻雜能獲得截然不同的性質。PZT的摻雜主要分硬摻雜和軟摻雜。軟摻雜主要通過摻雜鋇、鑭、鍶等元素提高PZT的壓電系數(shù)，而硬摻雜主要利用鐵、錳等元素替換PZT中的鈦或鋯元素，從而降低PZT薄膜中的介電損耗。PZT壓電薄膜除了壓電特性好的優(yōu)勢外，仍存在與CMOS工藝不兼容，穩(wěn)定可靠性等問題，研究人員從微電子領域尋找到一個與CMOS工藝兼容的壓電薄膜材料HfO?。

HfO?薄膜材料研究進展

HfO?作為一種新型的寬帶隙、高介電常數(shù)材料，已經廣泛應用于微電子領域，與CMOS制備工藝兼容，備受關注，有望替代集成電路中金屬氧化物半導體場效應管的柵極絕緣層二氧化硅，解決電芯片中硅和氧化硅結構發(fā)展的尺寸極限問題。傳統(tǒng)HfO?材料并不表現(xiàn)出鐵電和壓電特性，研究發(fā)現(xiàn)通過摻雜能在HfO?薄膜中獲得鐵電壓電特性。關于HfO?薄膜鐵電性和壓電特性的研究已經從原理，實驗等多種手段進行確定和驗證，薄膜的鐵電特性和壓電響應受到薄膜厚度、摻雜元素種類和濃度、退火時間和溫度，沉積生長方法、襯底種類等多種因素的影響。上述三種壓電薄膜晶圓由于未實現(xiàn)商業(yè)化，在實際應用中仍存在問題，LN薄膜材料由于優(yōu)秀的電光效應被人所熟知，并且已經實現(xiàn)晶圓商業(yè)化，但對其壓電特性的研究比較少。

LN薄膜材料研究進展

LN材料屬于3 m點群，特點是三次旋轉對稱和鏡像平面對稱，鋰原子和鈮原子可在外場作用下移動，形成極化。LN的居里溫度很高（約1210 ℃），鐵電疇比較穩(wěn)定。在光學性質方面，LN具有寬的透明窗口和高折射率。人們研究了各種實現(xiàn)薄膜LN的工藝方法，包括化學氣相沉積法、射頻濺射法、脈沖激光沉積法、溶膠凝膠法和分子束外延法等，隨著技術的不斷發(fā)展，目前絕緣體上LN晶圓已經實現(xiàn)商用化。

綜上所述的四種薄膜材料，研究人員基本從原理機理、薄膜表征，實驗測試等多方面的手段對壓電效應進行了驗證，這也為后續(xù)器件及應用的實驗奠定了基礎。

基于壓電效應的光電子集成器件研究進展

低功耗壓電調諧集成器件研究進展

理論上，當對壓電薄膜材料施加外部電場時，因壓電效應在薄膜材料中會產生應力和形變，一方面，在應力作用下，彈光效應導致薄膜材料的折射率會發(fā)生變化，另一方面，光波導邊界在形變作用下發(fā)生位移，光程發(fā)生改變，引起有效折射率變化，最終導致波導中光信號的相位變化，實現(xiàn)光調諧。壓電效應是電場驅動，僅存在漏電流，基于壓電效應的光電子集成器件可以較小的功耗獲得可調諧功能。圖2總結了熱光、微機電系統(tǒng)（MEMS）、壓電效應的光調諧器件的響應頻率和功耗，可以發(fā)現(xiàn)壓電調諧與最常用的硅熱光調諧方案相比，功耗下降3~5個數(shù)量級，響應時間提升3個數(shù)量級。引入壓電薄膜材料有望實現(xiàn)超低功耗的光電子集成芯片。

圖2 壓電效應的示意圖和優(yōu)勢

PZT與硅和氮化硅異質集成方案，如圖3所示，2012年，以色列LEVY U課題組利用硅和PZT異質集成的方法，制備出可調諧的微環(huán)諧振腔器件。盡管利用PZT薄膜材料獲得了較高的調諧效率和較低的調諧功耗，但PZT薄膜材料與CMOS工藝的兼容性較差，制備成本較高，在大規(guī)模集成芯片的制備方面存在挑戰(zhàn)。AlN作為一種與CMOS工藝兼容的薄膜材料，易于實現(xiàn)規(guī)模集成，同時存在壓電響應，透明窗口覆蓋200 nm到13.6 μm，受到了廣泛的關注。如圖4所示，2019年，美國EICHENFIELD M課題組在氮化硅光子集成回路中，使用基于AlN致動器的壓光機械耦合方法。利用AlN薄膜材料中的壓電效應，可以制備低功耗可調諧的單元器件，并實現(xiàn)規(guī)模集成芯片，但由于AlN薄膜材料壓電系數(shù)小，存在器件尺寸大，調諧效率低，所需驅動電壓高的問題。為了解決AlN薄膜中驅動電壓高，調制效率低的問題，2022年，中國SU Yikai和ZHANG Yong課題組等人引入摻鋯HfO?薄膜作為導光層和壓電層，開發(fā)了CMOS工藝兼容的Si-HfO?異質集成光子平臺，如圖5所示。HfO?薄膜材料與CMOS工藝相兼容，有希望實現(xiàn)規(guī)模集成光子芯片。

圖3 PZT壓電驅動的低功耗可調諧器件

圖4 AlN壓電驅動的低功耗可調諧器件

圖5 摻鋯HfO?壓電驅動的低功耗可調諧器件

綜上所述，利用外部施加電場驅動薄膜材料中的壓電響應，以實現(xiàn)低功耗可調諧的單元集成器件已被實驗證實是可行的方案。隨著壓電驅動的單元器件逐步成熟，其發(fā)展趨勢是借助壓電驅動的優(yōu)勢，以單元集成器件為基礎，實現(xiàn)低功耗大規(guī)模集成的芯片與應用。壓電薄膜材料除了可以實現(xiàn)電光調制外，聲光調制的實現(xiàn)也是其優(yōu)勢之一，借助聲光在薄膜材料中的強相互作用，可以提升聲光調制器件的性能，眾多研究也圍繞此展開。

集成聲光調制器研究進展

聲光相互作用本質上是一種多物理場耦合過程。傳統(tǒng)的體聲波（BAW）聲光調制器中的聲學波由尺寸為幾厘米晶體的壓電效應產生，并與晶體傳播的光相互作用。這種調控方式對光子和聲子能量束縛能力都較弱，導致介質中聲光相互作用強度較低。與體材料相比，光子集成回路可以將聲表面波（SAW）和光波很好地限制在薄膜內，有助于在波長尺度范圍內實現(xiàn)高的聲光重疊效果，聲場和光場之間的耦合作用會顯著增強，只需要很小的驅動功率就能起到非常好的聲光作用效果，進而獲得小型化、高性能、低成本的集成聲光調控器件。一般來講，聲表面波是由放置在薄膜壓電材料上的換能器（IDT）產生，通過給換能器施加特定頻率的射頻信號后，會激發(fā)出在晶面?zhèn)鞑サ耐活l率的超聲波，從而與光波發(fā)生相互作用。

隨著薄膜壓電材料制造技術的發(fā)展，集成聲光調制器已經在多個壓電材料平臺得到實現(xiàn)，如AlN、LN等。為了進一步獲得高效率的片上聲光調制器，器件結構也有所不同，例如：微環(huán)諧振腔、一維納米諧振腔、二維光子晶體諧振器、懸浮波導、螺旋波導以及馬赫-曾德爾干涉儀等結構。如圖6所示，2014年，美國LIMo課題組在AlN-SiO?平臺上制備了跑道型微環(huán)諧振器和微波頻率下的聲表面波換能器。隨著薄膜LN優(yōu)異的光電性能被廣泛研究，由于薄膜LN在壓電轉換和電光轉換上的優(yōu)勢以及晶圓的成熟制備，薄膜LN成為了制備高調制效率、低損耗的聲光調制器的理想平臺，如圖7所示。2019 年，中國CAI Lutong 課題組第一次制備了基于薄膜LN的聲光調制器，采用不同的結構來構成不同類型的聲光調制器。為了進一步提高薄膜LN上聲光調制器的性能，研究人員開始將LN材料與其它材料集成起來。

圖6 AlN聲光調制器

圖7 LN聲光調制器

對于AlN壓電薄膜材料的聲光調制器而言，基于AlN壓電薄膜的聲光調制表現(xiàn)出的激發(fā)頻率可以達到十幾GHz，但仍需綜合考慮效率、損耗等其他器件性能，這與薄膜材料、器件結構設計等方面密切相關。由于AlN自身壓電系數(shù)較小，器件在調制效率方面的性能有待進一步提高。高消光比、高調制效率、低損耗一直都是聲光調制器所追求的指標參數(shù)。通過薄膜LN的高壓電系數(shù)和低光學、聲學傳播損耗，將有助于顯著提高聲光調制器的效率，為光子集成回路提供更大的可擴展性。

基于壓電效應的光電集成器件應用研究進展

集成壓電可調諧器件的應用研究

在上述壓電驅動的集成光子器件單元的基礎上，已有團隊開展壓電驅動的規(guī)模集成芯片及其應用研究。由于壓電薄膜和壓電驅動的單元器件都已被研究驗證，條件已成熟，通過級聯(lián)壓電驅動的單元器件實現(xiàn)更多復雜功能的芯片系統(tǒng)成為關注的重點，如圖8所示，2020年，美國DONG M、GILBERT G、DIRKENGLUND D和EICHENDIELD M課題組利用CMOS工藝在200 nm氮化硅晶圓上成功研制了4通道的馬赫-曾德爾干涉儀級聯(lián)壓電驅動光子集成芯片。基于氮化硅和AlN壓電調諧的酉矩陣芯片能實現(xiàn)超低功耗的光信號高速切換與下載，在可見光到近紅外波長下寬帶工作，相位調制帶寬大于100 MHz。除了片上壓電驅動光計算、光頻梳生成、激光雷達等應用外，如圖9所示，2020年，瑞士KIPPENBERGT J 課題組和BHAVE S A 課題組基于氮化鋁壓電驅動的氮化硅集成微環(huán)。

圖8 AlN壓電驅動芯片及其光計算應用

圖9 AlN壓電驅動芯片及其光隔離器應用

基于壓電效應的集成光子器件在眾多應用中展現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢，成為了一種穩(wěn)定可靠，高性能的方案。另外，基于高效率聲光調制器件的應用也受到了廣泛關注。

集成聲光調制器的應用研究

集成聲光調制器有諸多潛在應用場景，比如光隔離、光計算、非互易調制和傳輸?shù)龋鐖D13 所示。在沒有磁光材料的情況下，如何通過打破時間反轉對稱的刺激實現(xiàn)非互易光傳輸，仍然是集成納米光子器件的主要挑戰(zhàn)。

總結與展望

隨著集成光電子技術和壓電薄膜材料制備技術的日益成熟，基于壓電效應的光子集成芯片基本實現(xiàn)了低功耗可調諧，高效率聲光調制以及不同場景的應用。然而發(fā)展至今，這項技術也面臨一些挑戰(zhàn)和問題。

壓電效應來源于壓電薄膜，高質量的壓電薄膜制備是器件乃至系統(tǒng)的核心問題。壓電薄膜質量受到沉積方法、缺陷抑制方法、材料組分調控、沉積基底等多方面的影響。如何獲得一個高壓電系數(shù)、穩(wěn)定可靠、易于表征、厚度均勻平整、粗糙度小的壓電薄膜是基于壓電效應的光子集成芯片面臨的挑戰(zhàn)。硅或氮化硅是CMOS兼容的薄膜材料，在當前光子集成芯片中占據(jù)主導地位，但這兩種材料都不具備壓電效應。而現(xiàn)有的壓電薄膜材料與CMOS工藝的兼容性存在一定的問題，目前眾多的選擇是制備壓電薄膜與硅或者氮化硅異質集成的混合波導，如何通過波導的設計與加工減小光的傳輸損耗以實現(xiàn)大規(guī)模的應用是基于壓電效應的光子集成芯片在實際應用中亟需解決的關鍵問題。良好的封裝對于保護集成芯片并確保穩(wěn)定性非常重要，但也需要解決封裝與性能之間的折衷問題，提高芯片系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性?？偟膩碚f，基于壓電效應的光子集成芯片是一個非常有前景的領域，這一領域的發(fā)展將有助于滿足通信、傳感、計算等領域對光學信號處理和控制不斷增長的需求。

得益于加工制備技術的進步，新型壓電薄膜材料的制備與表征逐漸成熟，基于壓電效應的光子集成器件展現(xiàn)出超低功耗、快速響應、線性調諧等優(yōu)勢特點，基于壓電薄膜材料的光子集成芯片已在酉矩陣計算、矩陣乘法運算、孤子頻梳驅動生成等應用中體現(xiàn)出巨大的潛力價值。

論文信息：

DOI: 10.3788/gzxb20235211.1113001

審核編輯：劉清