中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
鈮酸鋰因其優(yōu)異的電光和壓電性能，在電光調制、傳感和聲學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)重要作用。薄膜鈮酸鋰（TFLN）因其獨特的物理性能、穩定的性能和易于加工而受到廣泛關(guān)注。山東大學(xué)陳昆峰教授及其團隊介紹了薄膜鈮酸鋰的先進(jìn)制備方法及其在器件中的應用，展示了薄膜鈮酸鋰在電光調制、傳感器、存儲器、光波導和電光調制器等領(lǐng)域的廣泛應用前景，對于推動(dòng)未來(lái)光子集成電路和高速光通信技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。具體內容以“Advanced Crystallization Methods for Thin-Film Lithium Niobate and Its Device Applications”為題發(fā)表在Materials期刊上。
該文從外延薄膜和單晶薄膜兩個(gè)方面詳細介紹了TFLN的各種制備方法（CVD、MBE、PLD、磁控濺射和Smartcut技術(shù)）。其中，通過(guò)Smartcut技術(shù)制備的TFLN已被廣泛應用于各種LiNbO3器件中。此外，該文還討論了TFLN器件（傳感器、存儲器、光波導和電光調制器）的發(fā)展現狀和未來(lái)潛力。
化學(xué)氣相沉積（CVD）
CVD是一種基于氣相化學(xué)反應的薄膜生長(cháng)方法。對于LiNbO3薄膜，通常使用含有鈮和鋰的有機金屬化合物作為前體。在高溫反應室中，使用叔丁醇鋰[Li(OtBu)]6和四乙氧基二甲氨基乙氧基鈮Nb(OEt)4（dmae）作為前驅體，分解氣相前驅體，并在基材表面沉積LiNbO3薄膜。CVD沉積速率高，可以制備大面積均勻的薄膜，適合工業(yè)生產(chǎn)。但需要注意的是，由于一些前驅體的高毒性，它們對操作環(huán)境和薄膜質(zhì)量有一定的影響。由于CVD對工藝參數敏感，因此容易產(chǎn)生缺陷，產(chǎn)量低。產(chǎn)生的廢氣需要處理和排放，因此制備成本可能稍高。
CVD技術(shù)可以精確控制薄膜的厚度和成分，并已廣泛應用于制備高質(zhì)量的TFLN。目前，外延鈮酸鋰薄膜可以通過(guò)固體源CVD技術(shù)成功沉積在藍寶石基板上。這些薄膜表現出優(yōu)異的晶體質(zhì)量和光學(xué)性能，適用于光學(xué)和聲波導器件。近年來(lái)，CVD技術(shù)在TFLN制備中的應用取得了很大進(jìn)展。通過(guò)優(yōu)化沉積條件和引入新的前驅體，不僅成功地提高了薄膜的質(zhì)量，還開(kāi)辟了新的應用領(lǐng)域。然而，CVD技術(shù)通常需要使用有機金屬化合物作為前體。這些前體通常毒性很高，對操作環(huán)境和薄膜質(zhì)量有不利影響，需要嚴格的廢氣處理措施。減少環(huán)境污染，開(kāi)發(fā)低毒、高穩定性的前體是當前研究的重點(diǎn)之一。
分子束外延（MBE）
MBE是一種通過(guò)在超高真空環(huán)境中以原子或分子束的形式在加熱的基板上沉積純金屬或化合物來(lái)形成薄膜的方法。對于TFLN，鈮和鋰的源材料通過(guò)電子束加熱產(chǎn)生分子束，并精確控制束流，使薄膜的生長(cháng)具有高質(zhì)量和高精度。MBE的基本原理如圖1所示。
圖1 MBE制備TFLN的示意圖
精確控制生長(cháng)參數（襯底溫度、鋰/鈮流量比）是實(shí)現單相薄膜生長(cháng)的關(guān)鍵。隨著(zhù)氧自由基輔助分子束外延技術(shù)的引入和新型前驅體材料的開(kāi)發(fā)，TELN的晶體質(zhì)量和生長(cháng)速率得到了顯著(zhù)提高。然而，MBE工藝在大規模生產(chǎn)中的應用仍需進(jìn)一步探索，以滿(mǎn)足現代集成光電子器件的需求。
脈沖激光沉積（PLD）
TFLN的PLD制備通常使用單晶LiNbO3作為靶材，藍寶石作為襯底。原理如圖2所示。PLD技術(shù)可以通過(guò)調節襯底溫度、激光脈沖頻率、靶材旋轉等參數來(lái)精確控制薄膜的質(zhì)量和厚度，實(shí)現外延生長(cháng)。由于這種方法的薄膜生長(cháng)速度較慢，很難制備大面積薄膜并實(shí)現大規模工業(yè)生產(chǎn)。
圖2 PLD制備鈮酸鋰薄膜示意圖
在過(guò)去的兩年里，PLD技術(shù)在TFLN的制備方面取得了顯著(zhù)進(jìn)展，引起了廣泛關(guān)注，因為它適用于制備具有高質(zhì)量和復雜氧化物材料的薄膜。目前，高質(zhì)量的LiNbO3通過(guò)PLD可以在藍寶石基板上成功生長(cháng)薄膜。與CVD和MBE不同，PLD中使用的靶材幾乎是恒定的。通過(guò)直接使用鈮酸鋰靶進(jìn)行濺射生長(cháng)，可以根據需要改變靶中Nb和Li的比例。
PLD制備的LiNbO3薄膜可用于開(kāi)發(fā)薄膜體聲波諧振器（FBAR），特別是在5G和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)中。雖然PLD技術(shù)具有高精度和強可控性的優(yōu)點(diǎn)，但薄膜生長(cháng)速度通常較慢，沉積面積小，難以實(shí)現大面積薄膜的快速制備，這限制了其在大規模工業(yè)生產(chǎn)中的應用。PLD技術(shù)在制備TFLN方面表現出極大的靈活性和效率。在未來(lái)的研究中，沉積參數的進(jìn)一步優(yōu)化和新基板材料的探索將有助于促進(jìn)TFLN在光電器件、聲學(xué)濾波器和非線(xiàn)性光學(xué)中的廣泛應用。
磁控濺射法
磁控濺射是一種物理氣相沉積技術(shù)，它使用高能離子轟擊靶材，使靶材原子濺射到基板上形成薄膜。磁控濺射的原理如圖3所示。磁控濺射可以在較低的溫度下沉積薄膜，減少基材的熱損傷，更準確地控制沉積厚度和薄膜成分。與PLD技術(shù)相比，薄膜面積更大，適合工業(yè)生產(chǎn)。
圖3 磁控濺射生長(cháng)TFLN的原理圖
目前，磁控濺射可以通過(guò)使用多步濺射工藝在藍寶石和其他基板上成功制備高質(zhì)量的TFLN。該薄膜具有優(yōu)異的外延特性。這種多步驟工藝的主要優(yōu)點(diǎn)是在保持良好外延結構和減少界面缺陷的前提下控制薄膜的厚度，從而改善光學(xué)和電學(xué)性能。通過(guò)改進(jìn)濺射工藝，該薄膜在寬頻率范圍內表現出優(yōu)異的壓電響應。通過(guò)精確控制濺射參數和襯底溫度，可以顯著(zhù)提高LiNbO3薄膜的壓電系數，這對未來(lái)高性能傳感器、換能器和MEMS器件的發(fā)展具有重要意義。
盡管磁控濺射技術(shù)在制備TFLN方面取得了重大進(jìn)展，但仍有一些挑戰需要解決。磁控濺射技術(shù)通常在較低的溫度下使用，這通常會(huì )導致薄膜結晶度不足。后續的退火處理可以有效地提高薄膜的晶體質(zhì)量。在濺射過(guò)程中，鋰和鈮的濺射速率不同，容易導致薄膜成分偏離化學(xué)計量比，影響薄膜的晶體質(zhì)量和性能。同時(shí)，還需要精確控制氧氣流量。氧含量不足可能導致氧空位的形成，影響薄膜的電學(xué)和光學(xué)性能。仍然需要進(jìn)一步改進(jìn)濺射參數控制，以降低缺陷密度并提高薄膜的均勻性。
Smartcut技術(shù)
Smartcut技術(shù)是一種先進(jìn)的薄膜材料制備技術(shù)，在早期應用于硅基材料，并已成功應用于TFLN的制備。Smarteut的基本原理是從大型LiNbO3晶體中剝離高質(zhì)量的LiNbO3薄膜，并通過(guò)離子注入、鍵合和剝離等一系列工藝將其轉移到另一個(gè)基板上，如圖4所示。所獲得的鈮酸鋰薄膜具有高透射率和電光系數，晶體中的缺陷（如位錯、晶界、微裂紋等）數量非常少。
圖4 Smartcut技術(shù)制備TFLN流程圖
使用Smartcut技術(shù)制備TFLN具有顯著(zhù)優(yōu)勢。首先，它可以精確控制TFLN的厚度，這對光學(xué)器件的設計和性能優(yōu)化至關(guān)重要。薄膜的厚度精度直接影響波導和調制器等光電器件的性能。其次，Smartcut技術(shù)通過(guò)離子注入和機械剝離使轉移的LiNbO3薄膜具有高質(zhì)量的晶體結構和低表面粗糙度，可以保持原始材料的光學(xué)和電光性能。此外，TFLN可以轉移到各種基板，特別是硅基板，實(shí)現與現有硅基集成電路技術(shù)的兼容性。這一特性對光電子集成電路的發(fā)展具有重要意義，使在單個(gè)芯片上集成光子和電子功能成為可能。
然而，Smartcut技術(shù)在TFLN制備中的應用也存在一些問(wèn)題。離子注入工藝容易引入缺陷，這可能會(huì )影響TFLN的電光性能和材料的長(cháng)期穩定性。離子注入、鍵合和剝離步驟需要優(yōu)異的設備和工藝控制，導致生產(chǎn)成本高。目前，TFLN晶圓的制備仍然面臨尺寸和產(chǎn)量的限制。未來(lái)，有必要通過(guò)優(yōu)化工藝流程和提高加工精度來(lái)提高晶圓的尺寸和產(chǎn)量。這是改進(jìn)大面積外延薄膜制備、在保持高性能的同時(shí)進(jìn)一步優(yōu)化TFLN光子集成電路集成密度的重要發(fā)展方向。
在器件應用方面，TFLN因其優(yōu)異的電光效應、壓電效應和非線(xiàn)性光學(xué)特性，在光學(xué)通信、傳感器、存儲器、光波導和電光調制器等領(lǐng)域展現出廣泛的應用前景。
TFLN傳感器
TFLN基于其電光效應和壓電效應，已廣泛應用于傳感器。此類(lèi)傳感器通常具有高靈敏度、快速響應性和良好的穩定性。TFLN光學(xué)傳感器的基本工作原理取決于材料的電光效應和壓力效應。在電光效應傳感器中，當外部電場(chǎng)施加到LiNbO3薄膜上時(shí)，材料的折射率會(huì )發(fā)生變化，這將影響穿過(guò)薄膜的光波的傳播特性。在基于壓電效應的傳感器中，對LiNbO3薄膜施加外部壓力或機械應力會(huì )導致材料內正負電荷的重新分布。這種重新分布反過(guò)來(lái)會(huì )影響材料的電學(xué)或光學(xué)性質(zhì)，使傳感器能夠通過(guò)這些變化檢測外部應力或壓力。Hubert S. Stokowski等人介紹了一種集成在LiNbO3薄膜上的量子光學(xué)相位傳感器，如圖5所示。該傳感器利用光的量子噪聲極限，通過(guò)產(chǎn)生與泵浦光頻率相同的壓縮態(tài)，實(shí)現超出量子噪聲極限的相位檢測靈敏度。
圖5 量子光學(xué)相位傳感器的制造工藝
TFLN傳感器具有靈敏度高、響應快的優(yōu)點(diǎn)。但其制備需要高質(zhì)量的薄膜沉積和波導加工技術(shù)，這使得制造成本很高，特別是在大規模生產(chǎn)中。
TFLN存儲器
LiNbO3存儲器是基于LiNbO3材料的鐵電疇結構和疇壁運動(dòng)特性的一種新型存儲器。在存儲器中，信息的存儲和讀取是通過(guò)操縱LiNbO3中的疇壁位置及其運動(dòng)來(lái)實(shí)現的。LiNbO3存儲器具有廣闊的應用前景。其非波動(dòng)性和低功耗特性使其非常適合移動(dòng)設備、物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計算場(chǎng)景。其次，由于LiNbO3材料的獨特電光特性，疇壁存儲器也可以與光子器件集成，以開(kāi)發(fā)光電混合存儲器。這些器件可以實(shí)現光信號和電信號之間的快速高效轉換，并且可以直接與光子集成電路結合，在下一代光通信網(wǎng)絡(luò )中起著(zhù)重要作用。
TFLN光波導
LiNbO3因其優(yōu)異的電光和非線(xiàn)性光學(xué)性能而成為光波導器件的理想材料。TFLN光波導的基本結構由作為芯波導層的TFLN、包覆層和基板組成。光信號在波導層中傳播，波導的幾何結構和材料的折射率的差異決定了穿過(guò)它的光的傳播模式和速度。通過(guò)施加外部電場(chǎng)，可以調制LiNbO3膜的折射率，從而控制調制器和濾光器。TFLN光波導器件在集成光子電路中起著(zhù)核心作用。
LiNbO3的電光效應使波導器件能夠實(shí)現快速的光信號調制。該薄膜具有低光損耗，可以確保光信號在波導中的有效傳輸。此外，LiNbO3具有寬的光學(xué)透明窗口（從紫外到中紅外），因此TFLN光波導器件可以在寬波長(cháng)范圍內工作。
LiNbO3光波導在追求高性能光子集成器件的過(guò)程中遇到了幾個(gè)關(guān)鍵挑戰。為了減輕光波導內的損耗，通常需要采用更大的波導彎曲半徑和更寬的電極間距，這將增加器件尺寸并增加調制器的半波電壓。此外，在薄膜LiNbO3光波導的制備過(guò)程中，需要解決具有高縱橫比和低光損耗的直波導和具有大曲率半徑的彎曲波導的準備問(wèn)題。因此，提高轉換效率、可調性和工作頻帶擴展仍然是LiNbO3波導研究中需要解決的關(guān)鍵挑戰。
TFLN電光調制器
TFLN EOM通常由TFLN、電極和光波導組成。金屬電極布置在LiNbO3膜的表面上以施加外部電場(chǎng)。當光信號通過(guò)LiNbO3波導時(shí)，施加的電場(chǎng)導致材料的折射率發(fā)生變化，從而調制光信號的相位或強度。
EOM可分為兩類(lèi)：相位調制器和強度調制器。相位調制器通常用于相干通信系統，通過(guò)改變光信號的相位。強度調制器通過(guò)改變光信號的強度來(lái)傳輸信息?；赥FLN的EOM不僅具有調制速率高的優(yōu)點(diǎn)，而且可以在寬波長(cháng)范圍內工作，這使它們在高速光通信系統中占據重要地位。
Yuan Shen等人設計了一種基于TFLN的EOM，用于產(chǎn)生用于分布式聲傳感的超高消光比光脈沖，如圖6所示。這項工作展示了TFLN EOM在實(shí)現超高消光比調制方面的潛力，也為緊湊、低功耗傳感系統的光電模塊的發(fā)展提供了新的方向。
圖6 級聯(lián)MZI EOM示意圖
TFLN不僅對EOM有效，而且在微光學(xué)器件領(lǐng)域具有巨大的潛力。LiNbO3因其優(yōu)異的電光效應和非線(xiàn)性光學(xué)特性已成為微光學(xué)器件的理想材料，如微環(huán)諧振器和光頻轉換器等，能夠實(shí)現光信號的高效存儲和調控，具有高調制深度和低功耗的特點(diǎn)，適合高速光子集成電路的應用。
該文討論了薄膜鈮酸鋰的先進(jìn)制備方法 (CVD、MBE、PLD、磁控濺射和Smartcut技術(shù)) 及其在光學(xué)通信和光子集成電路中的廣泛應用，展示了TFLN在電光調制、傳感器、存儲器、光波導和微光子器件等領(lǐng)域的重要潛力。TFLN因其優(yōu)異的電光、聲光和非線(xiàn)性光學(xué)特性，在高速光通信和微波光子學(xué)中具有顯著(zhù)優(yōu)勢，未來(lái)研究將聚焦于提高器件集成度和兼容性，特別是與硅光子技術(shù)的異質(zhì)集成，以推動(dòng)高速、低功耗的光通信和信息處理技術(shù)的發(fā)展，隨著(zhù)制備技術(shù)的進(jìn)步和成本降低，TFLN有望在新興領(lǐng)域取得突破，成為未來(lái)光電技術(shù)的關(guān)鍵材料。
論文鏈接：https://doi.org/10.3390/ma18050951
