半导体所在PZT光电子材料与器件领域取得重大突破

数据中心、人工智能和云计算等技术的飞速发展导致全球流量需求激增，对高速信息网络的构建提出了前所未有的挑战，包括但不限于高数据传输速率、低功耗和高集成度等性能需求，进而推动了高性能光电子材料与器件的创新研发。薄膜锆钛酸铅（Pb（ZrTi）O3， PZT）铁电材料因其高透明度、优越的化学/热稳定性和高电光系数优势而广受关注，Pockels系数值大于100 pm/V，超过薄膜铌酸锂3倍，有望同时实现低能耗、高速率、高度集成的片上电光调制，突破传统材料体系在带宽和能效上的设计瓶颈；此外，PZT材料成膜工艺简单（化学液相沉积或磁控溅射等），可以在氧化硅上完成大尺寸、高质量晶体薄膜沉积生长，CMOS兼容性强，有利于促进低成本、大规模生产使用，将是下一代新型光电材料的重要选择。

中国科学院半导体研究所李明研究员和国科大杭州高等研究院邱枫研究员合作率先针对晶圆级锆钛酸铅薄膜材料制备和加工展开攻关，利用液相沉积+磁控溅射组合工艺实现了4英寸晶圆薄膜的低成本大规模制备（图1），并成功研制出首个公开报道的新型锆钛酸铅光子集成工艺开发套件PDK库（图2和表1），实现了从材料生长到器件设计与制备的全流程自主可控研发，突破了传统光学材料在制造高速电光调制器时面临的调制带宽和能效制约瓶颈。经测试，制备的马赫-曾德尔电光调制器高频调制带宽大于70 GHz，调制效率1.3 V·cm；微环调制器调制带宽大于50 GHz，调制效率0·56 V·cm（图3）。与硅和薄膜铌酸锂等传统光学材料相比，在保留高调制带宽同时实现了调制效率的大幅提升。如表1所示，首版PDK器件库还包括多模干涉器、光栅耦合器、交叉器等，通过模型设计和工艺优化迭代，整体器件性能和器件库完备性还具备巨大的提升空间。该研究成果将助力我国下一代新型光学材料平台及工艺技术的国产化研发和产业化应用，为光通信和光计算等信息光子技术发展提供重要的材料平台支撑（图4）。

该工作以 “PZT Photonic Materials and Devices Platform”和 “Broadband PZT Electro-optic Modulator”为题，在Journal of Semiconductor上发表两篇短篇通信论文，快速报导了成果与进展。

该工作得到国家自然科学基金资助：国家杰出青年科学基金项目（61925505），国自然青年基金项目（62405070），浙江省尖兵领雁项目（2024C01112），国家重点研发计划（2023YFB2807100）。

图 1. 4英寸PZT 晶圆（左）和光子集成工艺平台（右）

图 2. PZT 光子器件的高分辨率SEM图像

图 3. PZT 电光调制器性能指标。（a）和（b）是马赫-曾德尔电光调制器结构和调制特性；（c）和（d）是微环电光调制器结构和调制特性

图 4. 技术展望