《Light-Science & Applications》：Self-buffered epitaxy of barium titanate on oxide insulators enables high-performance electro-optic modulators
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为解决铁电BaTiO3（BTO）在集成光子学中光学限制与晶格失配的固有矛盾，研究团队开发了在LaAlO3-Sr2TaAlO6（LSAT）衬底上自缓冲外延生长BTO薄膜的新方法。通过应变工程诱导周期性面内应变调制，形成正交相极性纳米区域，使Pockels系数达358 pm V-1，居里温度提升至200°C。基于此首次实现LSAT上外延BTO马赫-曾德尔调制器，VπL低至0.7 V·cm，6dB带宽达28 GHz，为低成本高性能集成光子器件开辟新途径。
随着晶体管尺寸逼近物理极限，集成光子学作为新兴替代技术近年来备受关注。在数据通信领域，集成光子平台凭借高带宽、低传输损耗等固有优势展现出巨大潜力，其中高性能电光（EO）调制器是实现光子集成电路的关键组件。虽然基于等离子体色散效应的硅基光子调制器已取得进展，但其调制效率和速度仍受限。薄膜铌酸锂（LiNbO3）虽引起广泛兴趣，但其制备依赖复杂昂贵的离子切片与键合工艺。更关键的是，硅和铌酸锂的本征电光系数较低，难以满足高密度光子集成的需求。
在此背景下，铁电钙钛矿材料钛酸钡（BaTiO3，BTO）因其卓越的电光响应脱颖而出，成为集成光子学的新宠。尽管已有研究报道BTO薄膜的Pockels电光系数可达铌酸锂的十倍，但仍显著低于体材料数值。虽然通过直接键合BTO到SiO2/Si晶圆可部分恢复其本征电光响应，但开发简单、低成本的外延生长策略对于实现高性能、可扩展的BTO器件至关重要。
解决这些挑战不仅需要合适的生长方法，还需精心选择支持强光学限制的低折射率衬底。SrTiO3衬底虽能实现高质量BTO薄膜生长，但其折射率与BTO相近，严重限制了光场限制。MgO衬底虽提供大的折射率反差，但其与BTO的严重晶格失配会导致结晶质量下降和电光性能劣化。LSAT衬底在晶格兼容性和折射率失配方面提供了更平衡的折衷方案，且大尺寸LSAT晶圆成本显著低于稀土钪酸盐衬底。然而，LSAT上生长的BTO薄膜通常存在压应变诱导的面外或混合极化，与光子器件中常用的面内电极配置不兼容。虽然自然应变弛豫有利于面内极化，但往往会降低BTO薄膜的结晶度和表面粗糙度，导致电光效率降低和光学损耗增加。
研究团队通过改进的脉冲激光沉积技术，在LSAT衬底上实现了BTO薄膜的自缓冲外延生长。具体方法包括：在初始生长阶段通过调控衬底温度（650-700°C）和氧分压（5-10Pa），利用反射高能电子衍射实时监控，形成约40纳米厚的自缓冲层；随后在稳定条件（660°C，10Pa）下完成后续生长，并通过原位退火（20kPa氧气，10分钟）优化薄膜质量。表征手段涵盖X射线衍射、扫描透射电子显微镜、压电力显微镜、二次谐波发生测量等微观结构分析，以及自主搭建的Senarmont系统电光性能测试。器件制备采用等离子体增强化学气相沉积氮化硅波导、电子束光刻、反应离子刻蚀和电子束蒸发电极等标准硅光子工艺。
周期性横向应变工程
研究通过相场模拟揭示了应变调制域结构的形成机制（图1b）。在压应变衬底上生长的初始阶段，引入位错的周期性成核位点，使这些位点上方局部晶格区域发生应变弛豫，稳定为a畴（极化方向平行于薄膜平面），而相邻区域保持应变状态稳定为c畴（极化方向垂直于薄膜平面），最终形成横向周期性交替的a/c畴结构。与传统BTO薄膜中应变弛豫通常在40纳米厚度内完成不同，这种内置横向应变变化通过精心控制的台阶流动生长模式可在更大厚度内维持。X射线衍射分析表明（图1d,e），改进工艺生长的薄膜呈现高角度偏移的(002)峰，表明面外晶格参数减小至约4.0 ?，通过应变弛豫形成准a畴状态。厚度依赖研究显示，自缓冲层在初始生长阶段形成，为后续高质量外延生长奠定基础，使摇摆曲线宽度保持在0.072°的优异结晶质量。原子力显微镜和压电力显微镜表征（图1f）证实薄膜具有原子级平滑表面（均方根粗糙度0.2纳米），并显示弯曲扩散的畴边界，表明存在由a/c畴和中间正交相（O相）纳米区域构成的复杂极化分布。
自缓冲BTO薄膜的应变和极化状态微观分析
扫描透射电子显微镜结果（图2a）显示清晰的双层结构：约40纳米厚的底部自缓冲层和上部呈现明显条纹状横向调制的区域。纳米束电子衍射应变映射（图2b）表明，缓冲层上方区域出现沿面内方向的明确定义条纹对比，表明周期性面内应变调制持续存在于整个薄膜厚度。面外应变分量在衬底界面附近呈现显著晶格膨胀，但在自缓冲层上方变为横向均匀。统计分析（图2c）确认了跨越自缓冲边界的明显转变，面内和面外晶格常数在约40纳米以下显示显著差异，在此边界上方逐渐收敛。不同深度处提取的面内方向线轮廓（图2d）一致显示面内晶格参数的周期性变化。从原子分辨率图像中提取的局部极化矢量（图2e）显示，自缓冲层附近区域（P1）应变弛豫诱导a畴形成，伴随高密度沿<101>方向极化的O相区域；畴边界区域（P2）呈现更复杂的极化分布，包含面内和面外分量以及明显的O相极性纳米区域。这些纳米区域中的极化矢量逐渐桥接相邻的a畴和c畴（T相），这种中间相特征表明畴壁附近存在局部多型相边界（PPB）和增强的极性不稳定性。
通过多型相纳米区域增强电光响应
利用自主搭建的Senarmont系统测量BTO薄膜的电光性能（图3a）。在施加直流偏压时，沿<110>方向取向的畴的极化开关动力学产生明显的电光滞后回线（图3b），与铁电开关行为一致。观察到的相对低矫顽场归因于多型相纳米区域的存在，降低了面内极化旋转的能量势垒。交流激励下测量的电光响应显示强晶体学各向异性（图3c），当电场沿<110>方向施加时获得峰值有效电光系数rc=253 pm V-1，而沿<100>方向施加电场时观察到显著较低的值rc=34 pm V-1。这种各向异性源于四方BTO的电光张量的固有形式，沿<110>的大电光响应可归因于本征r42系投影，计算值为358 pm V-1。与原位温度依赖结构表征（图3d）显示，二次谐波发生强度从-150°C到100°C几乎线性下降，无任何突然间断，表明在此温度范围内未发生长程相变。在120°C附近观察到SHG强度的明显下降，表明局部极化矢量重排。温度依赖X射线衍射提供进一步见解：面外晶格常数在200°C以上随温度线性增加，显示顺电相特征，此温度区域被指定为居里温度Tc。低于200°C时，晶格常数明显偏离线性热膨胀，反映存在 distinct 畴响应。通过温度依赖SHG偏振测量（图3e）进一步阐明结构演化行为，通过拟合角响应提取的O相分数显示，从室温到160°C，O相比率保持几乎恒定，表明中间O相纳米区域结构稳健且热稳定。这些发现证实了扩散相变和升高居里温度源于持久的多型相纳米区域，而非突然对称性破缺。畴开关动力学通过脉冲电光和SHG映射测量检验（图3f），a/c畴和O相纳米区域的共存为极化旋转提供连续路径，导致偏离经典唯象模型的开关行为。从两阶段NLS模型提取的开关时间洛伦兹分布（图3g）显示，与快慢分量相关的激活场（a）相当，表明c畴的开关能垒降低，归因于中间O相纳米区域通过局部O-T结构转变促进极化旋转路径。
片上电光调制器
为评估BTO-on-LSAT作为新光子平台的可行性，研究团队制作了马赫-曾德尔干涉仪（MZI）调制器（图4a），特征为两个50:50 Y分支分束器和一对1毫米长相移臂。一臂采用共面波导行波电极（接地-信号-接地布局），提供射频信号和可调直流偏压；另一臂采用接地-信号电容电极，由低直流偏压驱动，诱导精细相移以调谐光学工作点。截面图（图4b）显示Si3N4条载波导将光限制在BTO层内。有限元模拟（图4c）确认波导支持单横电（TE）模式，光场主要限制在300纳米厚BTO薄膜内。间距5.5微米的电极在活性层上产生近乎均匀的面内电场，实现强电光场重叠。基于BTO的电光张量，仅TE模式在沿<110>晶向施加电场下被有效调制。电光场重叠因子计算为45%，对应理论半波电压-长度积（VπL）为0.73 V·cm。1550纳米处的低频调制响应（图4d）产生7V的半波电压，对应VπL为0.7 V·cm，与模拟值密切吻合。电光带宽测量（图4e）显示EO S21响应相对平坦，3dB带宽约12 GHz。在12 GHz附近观察到明显滚降，主要源于光和电信号之间缺乏群速度匹配。尽管如此，器件展现出比先前报道的BTO MZI演示大得多的电光带宽。在15 GHz至28 GHz之间观察到相对平坦响应，6dB电光带宽位于28 GHz，反射系数S11在-15 dB附近波动，表明良好阻抗匹配。
本研究通过异质缓冲层自由、应变工程的策略，在氧化物绝缘衬底上实现BTO薄膜的外延生长，有效解决了铁电薄膜光子集成中光学限制与晶格兼容性的权衡。自缓冲层的形成诱导横向应变调制，稳定周期性a/c畴结构和正交相纳米区域，显著增强电光响应和热稳定性，使Pockels系数r42超过358 pm V-1，居里温度提升至200°C。基于此材料平台，首次实现了LSAT上外延BTO的集成MZI调制器，获得0.7 V·cm的低VπL和28 GHz的电光带宽。这些结果为电光薄膜设计提供新见解，为通过灵活、低成本制造工艺在集成光子学中实现高性能调制器建立实用途径。该应变工程域结构设计可轻松转移至其他新兴铁电钙钛矿材料，以调谐晶格失配与薄膜性能之间的平衡，为多功能集成光子学开辟新道路。论文发表于《Light: Science & Applications》期刊，展示了氧化物集成BTO平台在高速光子系统应用中的巨大潜力。
