铌酸锂因其优异的电光和压电性能，在电光调制、传感和声学领域发挥着重要作用。薄膜铌酸锂（TFLN）因其独特的物理性能、稳定的性能和易于加工而受到广泛关注。山东大学陈昆峰教授及其团队介绍了薄膜铌酸锂的先进制备方法及其在器件中的应用，展示了薄膜铌酸锂在电光调制、传感器、存储器、光波导和电光调制器等领域的广泛应用前景，对于推动未来光子集成电路和高速光通信技术的发展具有重要意义。具体内容以“Advanced Crystallization Methods for Thin-Film Lithium Niobate and Its Device Applications”为题发表在Materials期刊上。
该文从外延薄膜和单晶薄膜两个方面详细介绍了TFLN的各种制备方法（CVD、MBE、PLD、磁控溅射和Smartcut技术）。其中，通过Smartcut技术制备的TFLN已被广泛应用于各种LiNbO3器件中。此外，该文还讨论了TFLN器件（传感器、存储器、光波导和电光调制器）的发展现状和未来潜力。
化学气相沉积（CVD）
CVD是一种基于气相化学反应的薄膜生长方法。对于LiNbO3薄膜，通常使用含有铌和锂的有机金属化合物作为前体。在高温反应室中，使用叔丁醇锂[Li(OtBu)]6和四乙氧基二甲氨基乙氧基铌Nb(OEt)4（dmae）作为前驱体，分解气相前驱体，并在基材表面沉积LiNbO3薄膜。CVD沉积速率高，可以制备大面积均匀的薄膜，适合工业生产。但需要注意的是，由于一些前驱体的高毒性，它们对操作环境和薄膜质量有一定的影响。由于CVD对工艺参数敏感，因此容易产生缺陷，产量低。产生的废气需要处理和排放，因此制备成本可能稍高。
CVD技术可以精确控制薄膜的厚度和成分，并已广泛应用于制备高质量的TFLN。目前，外延铌酸锂薄膜可以通过固体源CVD技术成功沉积在蓝宝石基板上。这些薄膜表现出优异的晶体质量和光学性能，适用于光学和声波导器件。近年来，CVD技术在TFLN制备中的应用取得了很大进展。通过优化沉积条件和引入新的前驱体，不仅成功地提高了薄膜的质量，还开辟了新的应用领域。然而，CVD技术通常需要使用有机金属化合物作为前体。这些前体通常毒性很高，对操作环境和薄膜质量有不利影响，需要严格的废气处理措施。减少环境污染，开发低毒、高稳定性的前体是当前研究的重点之一。
分子束外延（MBE）
MBE是一种通过在超高真空环境中以原子或分子束的形式在加热的基板上沉积纯金属或化合物来形成薄膜的方法。对于TFLN，铌和锂的源材料通过电子束加热产生分子束，并精确控制束流，使薄膜的生长具有高质量和高精度。MBE的基本原理如图1所示。
图1 MBE制备TFLN的示意图
精确控制生长参数（衬底温度、锂/铌流量比）是实现单相薄膜生长的关键。随着氧自由基辅助分子束外延技术的引入和新型前驱体材料的开发，TELN的晶体质量和生长速率得到了显著提高。然而，MBE工艺在大规模生产中的应用仍需进一步探索，以满足现代集成光电子器件的需求。
脉冲激光沉积（PLD）
TFLN的PLD制备通常使用单晶LiNbO3作为靶材，蓝宝石作为衬底。原理如图2所示。PLD技术可以通过调节衬底温度、激光脉冲频率、靶材旋转等参数来精确控制薄膜的质量和厚度，实现外延生长。由于这种方法的薄膜生长速度较慢，很难制备大面积薄膜并实现大规模工业生产。
图2 PLD制备铌酸锂薄膜示意图
在过去的两年里，PLD技术在TFLN的制备方面取得了显著进展，引起了广泛关注，因为它适用于制备具有高质量和复杂氧化物材料的薄膜。目前，高质量的LiNbO3通过PLD可以在蓝宝石基板上成功生长薄膜。与CVD和MBE不同，PLD中使用的靶材几乎是恒定的。通过直接使用铌酸锂靶进行溅射生长，可以根据需要改变靶中Nb和Li的比例。
PLD制备的LiNbO3薄膜可用于开发薄膜体声波谐振器（FBAR），特别是在5G和无线通信技术中。虽然PLD技术具有高精度和强可控性的优点，但薄膜生长速度通常较慢，沉积面积小，难以实现大面积薄膜的快速制备，这限制了其在大规模工业生产中的应用。PLD技术在制备TFLN方面表现出极大的灵活性和效率。在未来的研究中，沉积参数的进一步优化和新基板材料的探索将有助于促进TFLN在光电器件、声学滤波器和非线性光学中的广泛应用。
磁控溅射法
磁控溅射是一种物理气相沉积技术，它使用高能离子轰击靶材，使靶材原子溅射到基板上形成薄膜。磁控溅射的原理如图3所示。磁控溅射可以在较低的温度下沉积薄膜，减少基材的热损伤，更准确地控制沉积厚度和薄膜成分。与PLD技术相比，薄膜面积更大，适合工业生产。
图3 磁控溅射生长TFLN的原理图
目前，磁控溅射可以通过使用多步溅射工艺在蓝宝石和其他基板上成功制备高质量的TFLN。该薄膜具有优异的外延特性。这种多步骤工艺的主要优点是在保持良好外延结构和减少界面缺陷的前提下控制薄膜的厚度，从而改善光学和电学性能。通过改进溅射工艺，该薄膜在宽频率范围内表现出优异的压电响应。通过精确控制溅射参数和衬底温度，可以显著提高LiNbO3薄膜的压电系数，这对未来高性能传感器、换能器和MEMS器件的发展具有重要意义。
尽管磁控溅射技术在制备TFLN方面取得了重大进展，但仍有一些挑战需要解决。磁控溅射技术通常在较低的温度下使用，这通常会导致薄膜结晶度不足。后续的退火处理可以有效地提高薄膜的晶体质量。在溅射过程中，锂和铌的溅射速率不同，容易导致薄膜成分偏离化学计量比，影响薄膜的晶体质量和性能。同时，还需要精确控制氧气流量。氧含量不足可能导致氧空位的形成，影响薄膜的电学和光学性能。仍然需要进一步改进溅射参数控制，以降低缺陷密度并提高薄膜的均匀性。
Smartcut技术
Smartcut技术是一种先进的薄膜材料制备技术，在早期应用于硅基材料，并已成功应用于TFLN的制备。Smarteut的基本原理是从大型LiNbO3晶体中剥离高质量的LiNbO3薄膜，并通过离子注入、键合和剥离等一系列工艺将其转移到另一个基板上，如图4所示。所获得的铌酸锂薄膜具有高透射率和电光系数，晶体中的缺陷（如位错、晶界、微裂纹等）数量非常少。
图4 Smartcut技术制备TFLN流程图
使用Smartcut技术制备TFLN具有显著优势。首先，它可以精确控制TFLN的厚度，这对光学器件的设计和性能优化至关重要。薄膜的厚度精度直接影响波导和调制器等光电器件的性能。其次，Smartcut技术通过离子注入和机械剥离使转移的LiNbO3薄膜具有高质量的晶体结构和低表面粗糙度，可以保持原始材料的光学和电光性能。此外，TFLN可以转移到各种基板，特别是硅基板，实现与现有硅基集成电路技术的兼容性。这一特性对光电子集成电路的发展具有重要意义，使在单个芯片上集成光子和电子功能成为可能。
然而，Smartcut技术在TFLN制备中的应用也存在一些问题。离子注入工艺容易引入缺陷，这可能会影响TFLN的电光性能和材料的长期稳定性。离子注入、键合和剥离步骤需要优异的设备和工艺控制，导致生产成本高。目前，TFLN晶圆的制备仍然面临尺寸和产量的限制。未来，有必要通过优化工艺流程和提高加工精度来提高晶圆的尺寸和产量。这是改进大面积外延薄膜制备、在保持高性能的同时进一步优化TFLN光子集成电路集成密度的重要发展方向。
在器件应用方面，TFLN因其优异的电光效应、压电效应和非线性光学特性，在光学通信、传感器、存储器、光波导和电光调制器等领域展现出广泛的应用前景。
TFLN传感器
TFLN基于其电光效应和压电效应，已广泛应用于传感器。此类传感器通常具有高灵敏度、快速响应性和良好的稳定性。TFLN光学传感器的基本工作原理取决于材料的电光效应和压力效应。在电光效应传感器中，当外部电场施加到LiNbO3薄膜上时，材料的折射率会发生变化，这将影响穿过薄膜的光波的传播特性。在基于压电效应的传感器中，对LiNbO3薄膜施加外部压力或机械应力会导致材料内正负电荷的重新分布。这种重新分布反过来会影响材料的电学或光学性质，使传感器能够通过这些变化检测外部应力或压力。Hubert S. Stokowski等人介绍了一种集成在LiNbO3薄膜上的量子光学相位传感器，如图5所示。该传感器利用光的量子噪声极限，通过产生与泵浦光频率相同的压缩态，实现超出量子噪声极限的相位检测灵敏度。
图5 量子光学相位传感器的制造工艺
TFLN传感器具有灵敏度高、响应快的优点。但其制备需要高质量的薄膜沉积和波导加工技术，这使得制造成本很高，特别是在大规模生产中。
TELN存储器
LiNbO3存储器是基于LiNbO3材料的铁电畴结构和畴壁运动特性的一种新型存储器。在存储器中，信息的存储和读取是通过操纵LiNbO3中的畴壁位置及其运动来实现的。LiNbO3存储器具有广阔的应用前景。其非波动性和低功耗特性使其非常适合移动设备、物联网和边缘计算场景。其次，由于LiNbO3材料的独特电光特性，畴壁存储器也可以与光子器件集成，以开发光电混合存储器。这些器件可以实现光信号和电信号之间的快速高效转换，并且可以直接与光子集成电路结合，在下一代光通信网络中起着重要作用。
TFLN光波导
LiNbO3因其优异的电光和非线性光学性能而成为光波导器件的理想材料。TFLN光波导的基本结构由作为芯波导层的TFLN、包覆层和基板组成。光信号在波导层中传播，波导的几何结构和材料的折射率的差异决定了穿过它的光的传播模式和速度。通过施加外部电场，可以调制LiNbO3膜的折射率，从而控制调制器和滤光器。TFLN光波导器件在集成光子电路中起着核心作用。
LiNbO3的电光效应使波导器件能够实现快速的光信号调制。该薄膜具有低光损耗，可以确保光信号在波导中的有效传输。此外，LiNbO3具有宽的光学透明窗口（从紫外到中红外），因此TFLN光波导器件可以在宽波长范围内工作。
LiNbO3光波导在追求高性能光子集成器件的过程中遇到了几个关键挑战。为了减轻光波导内的损耗，通常需要采用更大的波导弯曲半径和更宽的电极间距，这将增加器件尺寸并增加调制器的半波电压。此外，在薄膜LiNbO3光波导的制备过程中，需要解决具有高纵横比和低光损耗的直波导和具有大曲率半径的弯曲波导的准备问题。因此，提高转换效率、可调性和工作频带扩展仍然是LiNbO3波导研究中需要解决的关键挑战。
TFLN电光调制器
TFLN EOM通常由TFLN、电极和光波导组成。金属电极布置在LiNbO3膜的表面上以施加外部电场。当光信号通过LiNbO3波导时，施加的电场导致材料的折射率发生变化，从而调制光信号的相位或强度。
EOM可分为两类：相位调制器和强度调制器。相位调制器通常用于相干通信系统，通过改变光信号的相位。强度调制器通过改变光信号的强度来传输信息。基于TFLN的EOM不仅具有调制速率高的优点，而且可以在宽波长范围内工作，这使它们在高速光通信系统中占据重要地位。
Yuan Shen等人设计了一种基于TFLN的EOM，用于产生用于分布式声传感的超高消光比光脉冲，如图6所示。这项工作展示了TFLN EOM在实现超高消光比调制方面的潜力，也为紧凑、低功耗传感系统的光电模块的发展提供了新的方向。
图6 级联MZI EOM示意图
TFLN不仅对EOM有效，而且在微光学器件领域具有巨大的潜力。LiNbO3因其优异的电光效应和非线性光学特性已成为微光学器件的理想材料，如微环谐振器和光频转换器等，能够实现光信号的高效存储和调控，具有高调制深度和低功耗的特点，适合高速光子集成电路的应用。
该文讨论了薄膜铌酸锂的先进制备方法 (CVD、MBE、PLD、磁控溅射和Smartcut技术) 及其在光学通信和光子集成电路中的广泛应用，展示了TFLN在电光调制、传感器、存储器、光波导和微光子器件等领域的重要潜力。TFLN因其优异的电光、声光和非线性光学特性，在高速光通信和微波光子学中具有显著优势，未来研究将聚焦于提高器件集成度和兼容性，特别是与硅光子技术的异质集成，以推动高速、低功耗的光通信和信息处理技术的发展，随着制备技术的进步和成本降低，TFLN有望在新兴领域取得突破，成为未来光电技术的关键材料。
论文链接：
https://doi.org/10.3390/ma18050951
