转移异质外延技术使得集成在硅基底上的BaTiO3薄膜具备卓越的电光响应性能

《ACS Nano》：Transfer-Heterogeneous Epitaxy Enables Exceptional Electrooptic Response of BaTiO3 Thin Films Integrated on Silicon

硅基光子学中钡钛酸锶（BTO）薄膜异质集成新方法，采用转移-异质外延技术通过Sr4Al2O7牺牲层将单晶SrTiO3模板转移到SOI基底，外延生长BTO薄膜实现有效Pockels系数225 pm/V，突破传统外延晶格匹配限制，支持非晶SiO2等任意基底集成。

　　

电光（EO）调制器在硅光子学中起着关键作用；然而，由于硅本身不具备线性电光效应，因此需要将功能性材料进行异质集成。虽然钛酸钡（BaTiO₃，简称BTO）具有优异的电光系数（约1300 pm/V），但在硅基底上进行直接外延生长虽然可以在严格控制的条件下实现，但仍面临晶格失配和硅氧化等问题，这些因素会限制基底的多功能性和加工灵活性。在这里，我们提出了一种“转移异质外延”策略来克服这一障碍：首先使用水溶性且晶格匹配的Sr₄Al₂O₇牺牲层将单晶SrTiO₃（STO）模板层转移到绝缘体上硅（SOI）基底上，随后再在外延生长高质量BTO薄膜。该方法能够实现可控的畴取向，并获得高达225 pm/V的有效Pockels系数，比铌酸锂高出7倍。此外，该技术还允许直接在非晶SiO₂和其他任意基底上进行集成，从而突破了外延生长的限制。我们的工作为高性能光子器件和铁电器件的开发提供了一条可扩展的途径，并有助于实现超宽带通信和后摩尔时代计算。