基于压电效应的光电子集成技术研究进展综述

压电效应是一种实现电能与机械能之间相互转换的重要物理现象。随着集成光电子技术和压电薄膜材料制备技术的日益成熟，压电效应在光电子集成芯片领域引起广泛的研究。在压电效应的作用下，外部电场可以操控薄膜材料的形变，从而改变折射率，实现光电调谐和声光调制。

据麦姆斯咨询报道，上海交通大学苏翼凯教授研究团队对基于压电效应的光电子集成技术进行了综述分析。首先介绍常见压电薄膜材料及其研究进展；随后回顾和探讨基于压电效应的光电子集成器件的研究进展；最后对压电调谐器件和声光调制器的应用进行介绍和展望，分析其大规模应用面临的挑战和问题。相关研究内容以“基于压电效应的光电子集成技术研究进展（特邀）”为题发表在《光子学报》期刊上。

压电薄膜材料研究进展

在集成光电子器件的研究中，常见的压电薄膜材料包括氮化铝（AlN）、锆钛酸铅（PZT）、铌酸锂（LN）、二氧化铪（HfO₂）等，表1展示了这些薄膜材料的特性。

表1 不同压电薄膜材料的物理性质

AlN薄膜材料研究进展

作为第三代半导体之一，AlN由于其出色的物理、热、机械和光学特性而备受关注。从结构上看，纤锌矿结构的AlN呈四面体配位，面内晶格常数为a = 0.311 nm，垂直晶格常数为c = 0.498 nm。这种晶体结构赋予了AlN单轴各向异性。AlN在不同的波导偏振模式下表现出光学双折射现象。目前主要的AlN沉积技术包括物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）和脉冲激光沉积（PLD）。

2012年，美国TANG H X课题组通过制备多晶AlN薄膜在集成光子领域做出了开创性的工作，这种薄膜材料是通过反应磁控溅射制备的，这种多晶AlN呈现出沿c轴和面内畴边界的柱状团簇结构，如图1所示。近年来，为减小AlN薄膜在紫外-可见光区域的损耗，纳米晶体AlN和单晶AlN模板在蓝宝石衬底上的生长已经成为一种备受瞩目的低损耗集成光子平台，特别是在紫外-可见光区域。纳米晶体AlN成为工业中生长高温氮化物层的低成本缓冲层。这种低成本地商业晶圆应用，促进了AlN薄膜在紫外-可见光区域的研究和应用。

图1 多晶AlN薄膜的截面结构

除了薄膜的生长，人们还试图通过高温退火（1700 ℃以上）来改善沉积AlN的结晶度。无论是单元素掺杂还是多元素掺杂，AlN的压电性能和系数都得到了显著增强，这将有助于集成光电子领域中基于AlN薄膜的高效率压电器件研究和发展。除了AlN压电薄膜材料，还有一种常见的压电薄膜材料PZT，它的压电系数要比AlN薄膜高很多。

PZT压电材料研究进展

PZT具有优良的铁电、介电、压电、热释电和光电性能，被广泛应用在多个领域。PZT的压电系数很高，其压电系数可达150 pm/V，是AlN的数十倍以上。用于生长PZT薄膜的方法有许多，包括溶胶凝胶法，射频溅射法，金属有机化学气相沉积法和脉冲激光沉积法。PZT薄膜的压电特性取决于多种因素，包括加工条件（如沉积类型和温度）、化学成分、厚度和晶体取向等，其中比较热门的两个研究方向为准同型相界（MPB）和掺杂改性。除了对MPB区域的研究，学者们还发现在PZT中进行微量元素的掺杂能获得截然不同的性质。PZT的掺杂主要分硬掺杂和软掺杂。软掺杂主要通过掺杂钡、镧、锶等元素提高PZT的压电系数，而硬掺杂主要利用铁、锰等元素替换PZT中的钛或锆元素，从而降低PZT薄膜中的介电损耗。PZT压电薄膜除了压电特性好的优势外，仍存在与CMOS工艺不兼容，稳定可靠性等问题，研究人员从微电子领域寻找到一个与CMOS工艺兼容的压电薄膜材料HfO₂。

HfO₂薄膜材料研究进展

HfO₂作为一种新型的宽带隙、高介电常数材料，已经广泛应用于微电子领域，与CMOS制备工艺兼容，备受关注，有望替代集成电路中金属氧化物半导体场效应管的栅极绝缘层二氧化硅，解决电芯片中硅和氧化硅结构发展的尺寸极限问题。传统HfO₂材料并不表现出铁电和压电特性，研究发现通过掺杂能在HfO₂薄膜中获得铁电压电特性。关于HfO₂薄膜铁电性和压电特性的研究已经从原理，实验等多种手段进行确定和验证，薄膜的铁电特性和压电响应受到薄膜厚度、掺杂元素种类和浓度、退火时间和温度，沉积生长方法、衬底种类等多种因素的影响。上述三种压电薄膜晶圆由于未实现商业化，在实际应用中仍存在问题，LN薄膜材料由于优秀的电光效应被人所熟知，并且已经实现晶圆商业化，但对其压电特性的研究比较少。

LN薄膜材料研究进展

LN材料属于3 m点群，特点是三次旋转对称和镜像平面对称，锂原子和铌原子可在外场作用下移动，形成极化。LN的居里温度很高（约1210 ℃），铁电畴比较稳定。在光学性质方面，LN具有宽的透明窗口和高折射率。人们研究了各种实现薄膜LN的工艺方法，包括化学气相沉积法、射频溅射法、脉冲激光沉积法、溶胶凝胶法和分子束外延法等，随着技术的不断发展，目前绝缘体上LN晶圆已经实现商用化。

综上所述的四种薄膜材料，研究人员基本从原理机理、薄膜表征，实验测试等多方面的手段对压电效应进行了验证，这也为后续器件及应用的实验奠定了基础。

基于压电效应的光电子集成器件研究进展

低功耗压电调谐集成器件研究进展

理论上，当对压电薄膜材料施加外部电场时，因压电效应在薄膜材料中会产生应力和形变，一方面，在应力作用下，弹光效应导致薄膜材料的折射率会发生变化，另一方面，光波导边界在形变作用下发生位移，光程发生改变，引起有效折射率变化，最终导致波导中光信号的相位变化，实现光调谐。压电效应是电场驱动，仅存在漏电流，基于压电效应的光电子集成器件可以较小的功耗获得可调谐功能。图2总结了热光、微机电系统（MEMS）、压电效应的光调谐器件的响应频率和功耗，可以发现压电调谐与最常用的硅热光调谐方案相比，功耗下降3~5个数量级，响应时间提升3个数量级。引入压电薄膜材料有望实现超低功耗的光电子集成芯片。

图2 压电效应的示意图和优势

PZT与硅和氮化硅异质集成方案，如图3所示，2012年，以色列LEVY U课题组利用硅和PZT异质集成的方法，制备出可调谐的微环谐振腔器件。尽管利用PZT薄膜材料获得了较高的调谐效率和较低的调谐功耗，但PZT薄膜材料与CMOS工艺的兼容性较差，制备成本较高，在大规模集成芯片的制备方面存在挑战。AlN作为一种与CMOS工艺兼容的薄膜材料，易于实现规模集成，同时存在压电响应，透明窗口覆盖200 nm到13.6 μm，受到了广泛的关注。如图4所示，2019年，美国EICHENFIELD M课题组在氮化硅光子集成回路中，使用基于AlN致动器的压光机械耦合方法。利用AlN薄膜材料中的压电效应，可以制备低功耗可调谐的单元器件，并实现规模集成芯片，但由于AlN薄膜材料压电系数小，存在器件尺寸大，调谐效率低，所需驱动电压高的问题。为了解决AlN薄膜中驱动电压高，调制效率低的问题，2022年，中国SU Yikai和ZHANG Yong课题组等人引入掺锆HfO₂薄膜作为导光层和压电层，开发了CMOS工艺兼容的Si-HfO₂异质集成光子平台，如图5所示。HfO₂薄膜材料与CMOS工艺相兼容，有希望实现规模集成光子芯片。

图3 PZT压电驱动的低功耗可调谐器件

图4 AlN压电驱动的低功耗可调谐器件

图5 掺锆HfO₂压电驱动的低功耗可调谐器件

综上所述，利用外部施加电场驱动薄膜材料中的压电响应，以实现低功耗可调谐的单元集成器件已被实验证实是可行的方案。随着压电驱动的单元器件逐步成熟，其发展趋势是借助压电驱动的优势，以单元集成器件为基础，实现低功耗大规模集成的芯片与应用。压电薄膜材料除了可以实现电光调制外，声光调制的实现也是其优势之一，借助声光在薄膜材料中的强相互作用，可以提升声光调制器件的性能，众多研究也围绕此展开。

集成声光调制器研究进展

声光相互作用本质上是一种多物理场耦合过程。传统的体声波（BAW）声光调制器中的声学波由尺寸为几厘米晶体的压电效应产生，并与晶体传播的光相互作用。这种调控方式对光子和声子能量束缚能力都较弱，导致介质中声光相互作用强度较低。与体材料相比，光子集成回路可以将声表面波（SAW）和光波很好地限制在薄膜内，有助于在波长尺度范围内实现高的声光重叠效果，声场和光场之间的耦合作用会显著增强，只需要很小的驱动功率就能起到非常好的声光作用效果，进而获得小型化、高性能、低成本的集成声光调控器件。一般来讲，声表面波是由放置在薄膜压电材料上的换能器（IDT）产生，通过给换能器施加特定频率的射频信号后，会激发出在晶面传播的同一频率的超声波，从而与光波发生相互作用。

随着薄膜压电材料制造技术的发展，集成声光调制器已经在多个压电材料平台得到实现，如AlN、LN等。为了进一步获得高效率的片上声光调制器，器件结构也有所不同，例如：微环谐振腔、一维纳米谐振腔、二维光子晶体谐振器、悬浮波导、螺旋波导以及马赫-曾德尔干涉仪等结构。如图6所示，2014年，美国LIMo课题组在AlN-SiO₂平台上制备了跑道型微环谐振器和微波频率下的声表面波换能器。随着薄膜LN优异的光电性能被广泛研究，由于薄膜LN在压电转换和电光转换上的优势以及晶圆的成熟制备，薄膜LN成为了制备高调制效率、低损耗的声光调制器的理想平台，如图7所示。2019 年，中国CAI Lutong 课题组第一次制备了基于薄膜LN的声光调制器，采用不同的结构来构成不同类型的声光调制器。为了进一步提高薄膜LN上声光调制器的性能，研究人员开始将LN材料与其它材料集成起来。

图6 AlN声光调制器

图7 LN声光调制器

对于AlN压电薄膜材料的声光调制器而言，基于AlN压电薄膜的声光调制表现出的激发频率可以达到十几GHz，但仍需综合考虑效率、损耗等其他器件性能，这与薄膜材料、器件结构设计等方面密切相关。由于AlN自身压电系数较小，器件在调制效率方面的性能有待进一步提高。高消光比、高调制效率、低损耗一直都是声光调制器所追求的指标参数。通过薄膜LN的高压电系数和低光学、声学传播损耗，将有助于显著提高声光调制器的效率，为光子集成回路提供更大的可扩展性。

基于压电效应的光电集成器件应用研究进展

集成压电可调谐器件的应用研究

在上述压电驱动的集成光子器件单元的基础上，已有团队开展压电驱动的规模集成芯片及其应用研究。由于压电薄膜和压电驱动的单元器件都已被研究验证，条件已成熟，通过级联压电驱动的单元器件实现更多复杂功能的芯片系统成为关注的重点，如图8所示，2020年，美国DONG M、GILBERT G、DIRKENGLUND D和EICHENDIELD M课题组利用CMOS工艺在200 nm氮化硅晶圆上成功研制了4通道的马赫-曾德尔干涉仪级联压电驱动光子集成芯片。基于氮化硅和AlN压电调谐的酉矩阵芯片能实现超低功耗的光信号高速切换与下载，在可见光到近红外波长下宽带工作，相位调制带宽大于100 MHz。除了片上压电驱动光计算、光频梳生成、激光雷达等应用外，如图9所示，2020年，瑞士KIPPENBERGT J 课题组和BHAVE S A 课题组基于氮化铝压电驱动的氮化硅集成微环。

图8 AlN压电驱动芯片及其光计算应用

图9 AlN压电驱动芯片及其光隔离器应用

基于压电效应的集成光子器件在众多应用中展现出了独特的优势，成为了一种稳定可靠，高性能的方案。另外，基于高效率声光调制器件的应用也受到了广泛关注。

集成声光调制器的应用研究

集成声光调制器有诸多潜在应用场景，比如光隔离、光计算、非互易调制和传输等，如图13 所示。在没有磁光材料的情况下，如何通过打破时间反转对称的刺激实现非互易光传输，仍然是集成纳米光子器件的主要挑战。

总结与展望

随着集成光电子技术和压电薄膜材料制备技术的日益成熟，基于压电效应的光子集成芯片基本实现了低功耗可调谐，高效率声光调制以及不同场景的应用。然而发展至今，这项技术也面临一些挑战和问题。

压电效应来源于压电薄膜，高质量的压电薄膜制备是器件乃至系统的核心问题。压电薄膜质量受到沉积方法、缺陷抑制方法、材料组分调控、沉积基底等多方面的影响。如何获得一个高压电系数、稳定可靠、易于表征、厚度均匀平整、粗糙度小的压电薄膜是基于压电效应的光子集成芯片面临的挑战。硅或氮化硅是CMOS兼容的薄膜材料，在当前光子集成芯片中占据主导地位，但这两种材料都不具备压电效应。而现有的压电薄膜材料与CMOS工艺的兼容性存在一定的问题，目前众多的选择是制备压电薄膜与硅或者氮化硅异质集成的混合波导，如何通过波导的设计与加工减小光的传输损耗以实现大规模的应用是基于压电效应的光子集成芯片在实际应用中亟需解决的关键问题。良好的封装对于保护集成芯片并确保稳定性非常重要，但也需要解决封装与性能之间的折衷问题，提高芯片系统的性能和稳定性。总的来说，基于压电效应的光子集成芯片是一个非常有前景的领域，这一领域的发展将有助于满足通信、传感、计算等领域对光学信号处理和控制不断增长的需求。

得益于加工制备技术的进步，新型压电薄膜材料的制备与表征逐渐成熟，基于压电效应的光子集成器件展现出超低功耗、快速响应、线性调谐等优势特点，基于压电薄膜材料的光子集成芯片已在酉矩阵计算、矩阵乘法运算、孤子频梳驱动生成等应用中体现出巨大的潜力价值。

论文信息：

DOI: 10.3788/gzxb20235211.1113001

 

 

 

审核编辑：刘清