壓電效應(yīng)是一種實現(xiàn)電能與機械能之間相互轉(zhuǎn)換的重要物理現(xiàn)象。隨著集成光電子技術(shù)和壓電薄膜材料制備技術(shù)的日益成熟，壓電效應(yīng)在光電子集成芯片領(lǐng)域引起廣泛的研究。在壓電效應(yīng)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(diào)諧和聲光調(diào)制。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，上海交通大學(xué)蘇翼凱教授研究團隊對基于壓電效應(yīng)的光電子集成技術(shù)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(yīng)的光電子集成器件的研究進展；最后對壓電調(diào)諧器件和聲光調(diào)制器的應(yīng)用進行介紹和展望，分析其大規(guī)模應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)和問題。相關(guān)研究內(nèi)容以“基于壓電效應(yīng)的光電子集成技術(shù)研究進展（特邀）”為題發(fā)表在《光子學(xué)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(zhì)

AlN薄膜材料研究進展

作為第三代半導(dǎo)體之一，AlN由于其出色的物理、熱、機械和光學(xué)特性而備受關(guān)注。從結(jié)構(gòu)上看，纖鋅礦結(jié)構(gòu)的AlN呈四面體配位，面內(nèi)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(jié)構(gòu)賦予了AlN單軸各向異性。AlN在不同的波導(dǎo)偏振模式下表現(xiàn)出光學(xué)雙折射現(xiàn)象。目前主要的AlN沉積技術(shù)包括物理氣相沉積（PVD）、化學(xué)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(lǐng)域做出了開創(chuàng)性的工作，這種薄膜材料是通過反應(yīng)磁控濺射制備的，這種多晶AlN呈現(xiàn)出沿c軸和面內(nèi)疇邊界的柱狀團簇結(jié)構(gòu)，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(jīng)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(yīng)用，促進了AlN薄膜在紫外-可見光區(qū)域的研究和應(yīng)用。

圖1 多晶AlN薄膜的截面結(jié)構(gòu)

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(jié)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(lǐng)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(yīng)用在多個領(lǐng)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(xué)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(xué)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(zhǔn)同型相界（MPB）和摻雜改性。除了對MPB區(qū)域的研究，學(xué)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(zhì)。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(lǐng)域?qū)ふ业揭粋€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(jīng)廣泛應(yīng)用于微電子領(lǐng)域，與CMOS制備工藝兼容，備受關(guān)注，有望替代集成電路中金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管的柵極絕緣層二氧化硅，解決電芯片中硅和氧化硅結(jié)構(gòu)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(guān)于HfO?薄膜鐵電性和壓電特性的研究已經(jīng)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(yīng)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(yīng)用中仍存在問題，LN薄膜材料由于優(yōu)秀的電光效應(yīng)被人所熟知，并且已經(jīng)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(zhuǎn)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(xué)性質(zhì)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(xué)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(shù)的不斷發(fā)展，目前絕緣體上LN晶圓已經(jīng)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(yīng)進行了驗證，這也為后續(xù)器件及應(yīng)用的實驗奠定了基礎(chǔ)。

基于壓電效應(yīng)的光電子集成器件研究進展

低功耗壓電調(diào)諧集成器件研究進展

理論上，當(dāng)對壓電薄膜材料施加外部電場時，因壓電效應(yīng)在薄膜材料中會產(chǎn)生應(yīng)力和形變，一方面，在應(yīng)力作用下，彈光效應(yīng)導(dǎo)致薄膜材料的折射率會發(fā)生變化，另一方面，光波導(dǎo)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(dǎo)致波導(dǎo)中光信號的相位變化，實現(xiàn)光調(diào)諧。壓電效應(yīng)是電場驅(qū)動，僅存在漏電流，基于壓電效應(yīng)的光電子集成器件可以較小的功耗獲得可調(diào)諧功能。圖2總結(jié)了熱光、微機電系統(tǒng)（MEMS）、壓電效應(yīng)的光調(diào)諧器件的響應(yīng)頻率和功耗，可以發(fā)現(xiàn)壓電調(diào)諧與最常用的硅熱光調(diào)諧方案相比，功耗下降3~5個數(shù)量級，響應(yīng)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(yīng)的示意圖和優(yōu)勢

PZT與硅和氮化硅異質(zhì)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(zhì)集成的方法，制備出可調(diào)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(diào)諧效率和較低的調(diào)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(yīng)，透明窗口覆蓋200 nm到13.6 μm，受到了廣泛的關(guān)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(yīng)，可以制備低功耗可調(diào)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(diào)諧效率低，所需驅(qū)動電壓高的問題。為了解決AlN薄膜中驅(qū)動電壓高，調(diào)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(dǎo)光層和壓電層，開發(fā)了CMOS工藝兼容的Si-HfO?異質(zhì)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(qū)動的低功耗可調(diào)諧器件

圖4 AlN壓電驅(qū)動的低功耗可調(diào)諧器件

圖5 摻鋯HfO?壓電驅(qū)動的低功耗可調(diào)諧器件

綜上所述，利用外部施加電場驅(qū)動薄膜材料中的壓電響應(yīng)，以實現(xiàn)低功耗可調(diào)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(qū)動的單元器件逐步成熟，其發(fā)展趨勢是借助壓電驅(qū)動的優(yōu)勢，以單元集成器件為基礎(chǔ)，實現(xiàn)低功耗大規(guī)模集成的芯片與應(yīng)用。壓電薄膜材料除了可以實現(xiàn)電光調(diào)制外，聲光調(diào)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(diào)制器件的性能，眾多研究也圍繞此展開。

集成聲光調(diào)制器研究進展

聲光相互作用本質(zhì)上是一種多物理場耦合過程。傳統(tǒng)的體聲波（BAW）聲光調(diào)制器中的聲學(xué)波由尺寸為幾厘米晶體的壓電效應(yīng)產(chǎn)生，并與晶體傳播的光相互作用。這種調(diào)控方式對光子和聲子能量束縛能力都較弱，導(dǎo)致介質(zhì)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(nèi)，有助于在波長尺度范圍內(nèi)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(qū)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(diào)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(chǎn)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(shù)的發(fā)展，集成聲光調(diào)制器已經(jīng)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(diào)制器，器件結(jié)構(gòu)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(dǎo)、螺旋波導(dǎo)以及馬赫-曾德爾干涉儀等結(jié)構(gòu)。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(zhuǎn)換和電光轉(zhuǎn)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(diào)制效率、低損耗的聲光調(diào)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(diào)制器，采用不同的結(jié)構(gòu)來構(gòu)成不同類型的聲光調(diào)制器。為了進一步提高薄膜LN上聲光調(diào)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(diào)制器

圖7 LN聲光調(diào)制器

對于AlN壓電薄膜材料的聲光調(diào)制器而言，基于AlN壓電薄膜的聲光調(diào)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(jié)構(gòu)設(shè)計等方面密切相關(guān)。由于AlN自身壓電系數(shù)較小，器件在調(diào)制效率方面的性能有待進一步提高。高消光比、高調(diào)制效率、低損耗一直都是聲光調(diào)制器所追求的指標(biāo)參數(shù)。通過薄膜LN的高壓電系數(shù)和低光學(xué)、聲學(xué)傳播損耗，將有助于顯著提高聲光調(diào)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(yīng)的光電集成器件應(yīng)用研究進展

集成壓電可調(diào)諧器件的應(yīng)用研究

在上述壓電驅(qū)動的集成光子器件單元的基礎(chǔ)上，已有團隊開展壓電驅(qū)動的規(guī)模集成芯片及其應(yīng)用研究。由于壓電薄膜和壓電驅(qū)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(qū)動的單元器件實現(xiàn)更多復(fù)雜功能的芯片系統(tǒng)成為關(guān)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(qū)動光子集成芯片。基于氮化硅和AlN壓電調(diào)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(diào)制帶寬大于100 MHz。除了片上壓電驅(qū)動光計算、光頻梳生成、激光雷達等應(yīng)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(qū)動的氮化硅集成微環(huán)。

圖8 AlN壓電驅(qū)動芯片及其光計算應(yīng)用

圖9 AlN壓電驅(qū)動芯片及其光隔離器應(yīng)用

基于壓電效應(yīng)的集成光子器件在眾多應(yīng)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(diào)制器件的應(yīng)用也受到了廣泛關(guān)注。

集成聲光調(diào)制器的應(yīng)用研究

集成聲光調(diào)制器有諸多潛在應(yīng)用場景，比如光隔離、光計算、非互易調(diào)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(zhuǎn)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(jié)與展望

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

壓電效應(yīng)來源于壓電薄膜，高質(zhì)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(zhì)量受到沉積方法、缺陷抑制方法、材料組分調(diào)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(yīng)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(dāng)前光子集成芯片中占據(jù)主導(dǎo)地位，但這兩種材料都不具備壓電效應(yīng)。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(zhì)集成的混合波導(dǎo)，如何通過波導(dǎo)的設(shè)計與加工減小光的傳輸損耗以實現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用是基于壓電效應(yīng)的光子集成芯片在實際應(yīng)用中亟需解決的關(guān)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。總的來說，基于壓電效應(yīng)的光子集成芯片是一個非常有前景的領(lǐng)域，這一領(lǐng)域的發(fā)展將有助于滿足通信、傳感、計算等領(lǐng)域?qū)鈱W(xué)信號處理和控制不斷增長的需求。

得益于加工制備技術(shù)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(yīng)的光子集成器件展現(xiàn)出超低功耗、快速響應(yīng)、線性調(diào)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(qū)動生成等應(yīng)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