清华大学材料学院李千课题组合作在晶圆级钛酸钡薄膜外延制造领域取得进展

 面向共封装光学（CPO）、3.2T光模块等新一代人工智能算力光互连应用，传统硅光调制器受限于载流子色散机制固有的吸收损耗与模拟带宽瓶颈，性能提升空间日趋收窄；薄膜铌酸锂调制器虽受业界广泛关注，但其材料本征电光系数相对有限，在器件微型化与低电压驱动方面仍存挑战。钛酸钡（BaTiO₃，BTO）因具有优异的线性电光效应，被视为极具潜力的新一代集成光子材料，有望为硅光平台赋予超低功耗、高集成度的电光调制能力。然而，采用传统分子束外延（MBE）技术在硅衬底上制备高质量BTO薄膜仍面临诸多挑战，化学计量比控制窗口狭窄、生长速率偏低、氧空位缺陷密度高以及晶圆级均匀性难以兼顾，制约了其向大规模集成制造的演进。

近日，清华大学材料学院李千副教授团队联合国家纳米科学中心等单位，首次基于全流程混合分子束外延（HybridMBE，hMBE）工艺，实现了4英寸晶圆级BaTiO₃/SrTiO₃/Si异质结构的连续外延生长。研究团队自主改造并搭建了国内首台hMBE设备，采用四异丙醇钛（TTIP）作为钛源前驱体，实现了百纳米每小时量级的BTO生长速率，同时保持逐层外延生长模式。结构表征结果显示，所制备薄膜具有优异的单晶外延质量、原子级锐利界面和清晰的表面原子台阶结构，在4英寸晶圆尺度内保持良好的均匀一致性。

图1.4英寸晶圆级硅基钛酸钡、钛酸锶薄膜结构表征

研究团队进一步系统比较了全流程hMBE工艺生长BTO薄膜与在相同SrTiO₃/Si模板上采用脉冲激光沉积（PLD）技术制备BTO薄膜的结构、铁电及电光性能。结果表明，两种方法均可获得高结晶质量、低本征光学损耗的BTO外延薄膜，但优化后的hMBE工艺生长薄膜表现出更高的结晶质量，其有效电光系数达到248pm/V，高于PLD工艺生长薄膜的220pm/V，且具有良好的电畴翻转特性。变温二次谐波测试进一步表明，hMBE工艺生长BTO薄膜的居里温度提升至200 °C以上，展现出更优异的极化温度稳定性。上述结果表明，全流程hMBE工艺为晶圆级铁电薄膜光子器件提供了一条兼具高性能、可扩展性和工艺可控性的集成制造路径，有望推动下一代低功耗硅基电光调制器等器件的发展。

图2.利用hMBE、PLD生长的硅基钛酸钡薄膜性能表征

研究成果以“硅基钛酸钡与钛酸锶的晶圆级混合分子束外延”（Wafer-scale Hybrid Molecular Beam Epitaxy of BaTiO₃ and SrTiO₃ on Silicon）为题，于6月12日发表于《工程·变革性材料》（ENGINEERING Transformative Materials）。

清华大学材料学院2025级博士生田孝栋、北京大学材料学院2025级博士生林岩、国家纳米科学中心2024级博士生高汉滨为论文共同第一作者。清华大学材料学院副教授李千、新型陶瓷材料全国重点实验室助理研究员邓晨光为论文共同通讯作者。论文其他重要合作者包括国家纳米科学中心研究员郑强等。

研究得到国家自然科学基金基础科学中心项目、区域创新发展联合基金、北京市自然科学基金、苏州国家实验室重点开放课题等的资助。

论文链接：

https://journal.hep.com.cn/etm/EN/10.2738/ENGTM.2026.0010

供稿：材料学院

编辑：李华山

审核：郭玲