半導(dǎo)體所在PZT光電子材料與器件領(lǐng)域取得重大突破

 

　　中國科學(xué)院半導(dǎo)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(duì)晶圓級(jí)鋯鈦酸鉛薄膜材料制備和加工展開攻關(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)公開報(bào)道的新型鋯鈦酸鉛光子集成工藝開發(fā)套件PDK庫(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-曾德爾電光調(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器件庫還包括多模干涉器、光柵耦合器、交叉器等，通過模型設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)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(xué)材料平臺(tái)及工藝技術(shù)的國產(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。
 

　　該工作得到國家自然科學(xué)基金資助：國家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目(61925505)，國自然青年基金項(xiàng)目(62405070)，浙江省尖兵領(lǐng)雁項(xiàng)目(2024C01112)，國家重點(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-曾德爾電光調(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