[發(fā)明專利]硅基光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及其制作方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710340735.2
• 申請日: 2017-05-15
• 公開（公告）號: CN108873161B
• 公開（公告）日: 2020-06-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 盛振;武愛民;仇超;趙瑛璇;高騰;甘甫烷;王曦
• 申請（專利權(quán)）人: 上海新微科技服務(wù)有限公司
• 主分類號: G02B6/122
• 分類號: G02B6/122;G02B6/136
• 代理公司: 上海光華專利事務(wù)所(普通合伙) 31219
• 代理人: 羅泳文

本發(fā)明提供一種硅基光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及其制作方法，包括：提供一SOI襯底，所述SOI襯底包括硅襯底、埋氧層以及頂層硅；于所述頂層硅表面形成間隔排列的兩個(gè)帶狀金屬層；于所述頂層硅及所述兩個(gè)帶狀金屬層上形成上包層，且所述上包層的折射率小于所述頂層硅的折射率。本發(fā)明在縱向上，高折射率的頂層硅夾于低折射率的埋氧層與上包層之間，形成縱向的光場限制；在橫向上，帶狀金屬層區(qū)域具有強(qiáng)烈的光吸收，其等效折射率低于兩個(gè)帶狀金屬層之間的區(qū)域，形成橫向的光場限制，最終實(shí)現(xiàn)縱向及橫向上的光場限制，形成硅基光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可有效提高光波導(dǎo)的性能。本發(fā)明不需要對頂層硅材料進(jìn)行干法刻蝕，大大降低了工藝難度，有利于設(shè)備及工藝成本的降低。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于半導(dǎo)體領(lǐng)域和光電集成領(lǐng)域，特別是涉及一種硅基光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及其制作方法。

背景技術(shù)

隨著人們對信息傳輸、處理速度要求的不斷提高和多核計(jì)算時(shí)代的來臨，基于金屬的電互連將會(huì)由于過熱、延遲、電子干擾等缺陷成為發(fā)展瓶頸。而采用光互連來取代電互連，可以有效解決這一難題。在光互連的具體實(shí)施方案中，硅基光互連以其無可比擬的成本和技術(shù)優(yōu)勢成為首選。硅基光互連既能發(fā)揮光互連速度快、帶寬大、抗干擾、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，又能充分利用微電子工藝成熟、高密度集成、高成品率、成本低廉等優(yōu)勢，其發(fā)展必將推動(dòng)新一代高性能計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的發(fā)展，有著廣闊的市場應(yīng)用前景。

硅基光互連的核心技術(shù)是在硅基上實(shí)現(xiàn)各種光功能器件，如硅基激光器、電光調(diào)制器、光電探測器、濾波器、波分復(fù)用器、耦合器、分光器等。而實(shí)現(xiàn)這些功能器件的基本結(jié)構(gòu)或基本器件是硅基光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

如圖1所示，當(dāng)前最常用的硅基光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是在SOI(silicon-on-insulator，絕緣體上的硅)材料20上通過光刻、干法刻蝕等工藝制作的硅納米線光波導(dǎo)。它以方形橫截面的硅作為芯層201，四周以二氧化硅材料或其他低折射率材料環(huán)繞作為包層21，從而形成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。硅納米線光波導(dǎo)由于芯層201和包層21之間巨大的折射率差，可以實(shí)現(xiàn)亞微米尺度的光波導(dǎo)尺寸及微米尺度的波導(dǎo)彎曲半徑。但是，這種波導(dǎo)的制作需要昂貴的硅材料干法刻蝕設(shè)備，不利于降低設(shè)備成本投入；同時(shí)，這種波導(dǎo)具有較大的側(cè)壁散射損耗，對干法刻蝕工藝要求很高；并且極易因光刻線寬偏差而引入相位誤差，對光刻工藝要求也很高。

隨著硅基光器件及硅基光互連系統(tǒng)的不斷普及應(yīng)用，如何開發(fā)出低成本、易加工的硅基光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，從而在所需場合替代常用的但對制造工藝要求苛刻的硅納米線光波導(dǎo)，成為本領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)的一個(gè)重要目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種硅基光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及其制作方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中硅基光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)制作工藝?yán)щy，成本較高的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種硅基光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的制作方法，所述制作方法包括：步驟1)，提供一SOI襯底，所述SOI襯底包括硅襯底、埋氧層以及頂層硅；步驟2)，于所述頂層硅表面形成間隔排列的兩個(gè)帶狀金屬層；步驟3)，于所述頂層硅及所述兩個(gè)帶狀金屬層上形成上包層，且所述上包層的折射率小于所述頂層硅的折射率；在縱向上，高折射率的頂層硅夾于低折射率的埋氧層與上包層之間，形成縱向的光場限制；在橫向上，帶狀金屬層區(qū)域具有強(qiáng)烈的光吸收，其等效折射率低于兩個(gè)帶狀金屬層之間的區(qū)域，形成橫向的光場限制，最終實(shí)現(xiàn)縱向及橫向上的光場限制，形成硅基光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述硅基光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為單模傳輸?shù)墓杌獠▽?dǎo)結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，通過調(diào)整頂層硅的厚度、兩個(gè)帶狀金屬層之間的距離以及兩個(gè)帶狀金屬層的寬度，實(shí)現(xiàn)硅基光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的單模傳輸。

優(yōu)選地，步驟2)包括：步驟2-1)，通過濺射或蒸鍍工藝于所述頂層硅表面形成金屬層；步驟2-2)，于所述金屬層表面旋涂光刻膠，并通過曝光工藝形成帶狀掩膜圖形；步驟2-3)，通過刻蝕工藝刻蝕所述金屬層，以制備出所述兩個(gè)帶狀金屬層。