[發明專利]氮化硅?鈮酸鋰異質集成波導器件結構及制備方法

在審

• 申請號: 201711115471.7
• 申請日: 2017-11-13
• 公開（公告）號: CN107843957A
• 公開（公告）日: 2018-03-27
• 發明（設計）人: 馮吉軍;翟珊;顧昌林;霍雨;曾和平
• 申請（專利權）人: 上海理工大學
• 主分類號: G02B6/12
• 分類號: G02B6/12;G02B6/13;G02B6/136;G02F1/035
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司31001
• 代理人: 吳寶根,徐穎

技術領域

本發明涉及一種光通信波段的高速光調制芯片，特別涉及一種氮化硅-鈮酸鋰異質集成波導器件結構及制備方法。

背景技術

隨著大數據時代的到來，通信網絡帶寬和容量規模快速增加，基于現有傳統光信號處理器件，不僅帶寬、速度遇到瓶頸，所消耗的能量也急劇增大，因而急需開發出超高速低能耗的新型集成光電子器件。其中，光調制器作為光信息處理、光譜測量、光存儲等多個領域的核心器件，已發展出基于電光、聲光、磁光等效應的多種器件，而電光調制器通過外加電場的變化調控輸出光的振幅或相位，在功耗、速度、集成性等方面都有一定的優勢，研究也最為廣泛。

鈮酸鋰晶體具有較大的非線性光學系數，同時還具有優良的光折變、壓電和聲學特性，又可用作倍頻晶體材料，具有良好的物理機械性能，損傷閾值高、透光范圍寬、透過率高、且材料成本相對較低，因此在光調制器方面的應用最為成熟，當前也有其他可用于集成電光調制芯片的材料如絕緣體上硅材料(SOI)。但由于硅材料本身的二階非線性光學系數很小，很難實現電光調制，故常需通過外加載流子濃度的變化來調制材料的光學性質，進而實現光波的調制，如通過離子注入形成p-i-n型的結構，但這也導致了波導的傳輸損耗較大且調制效率不高。對于III-V族半導體材料，調制效率高、功耗低，但存在其傳輸損耗較大、波導色散特性不易控制、材料的激光破壞閾值也不高的缺點。金屬材料的表面等離子體波也可用于實現高速光調制，其集成度高，但存在著損耗大等問題。聚合物調制器的長期穩定性差，其加工工藝與CMOS工藝不兼容，不利于大規模工業化生產以及與電子器件的集成。因此基于鈮酸鋰材料的集成光電子器件在高速調制方面有著明顯的優勢，但對鈮酸鋰材料直接進行波導加工，工藝實現困難，且所制作的鈮酸鋰波導損耗較大。因此基于低損耗波導平臺與鈮酸鋰薄膜的異質集成引起了廣泛關注。而現有的氮化硅材料可實現較低的傳輸損耗，具有從可見到中紅外的寬透射譜(0.4-6.7微米)，幾乎完全覆蓋了鈮酸鋰的透過窗口(0.35-4.5微米)，其折射率(2.01)也與鈮酸鋰接近，相關集成光電子器件的制備與半導體CMOS工藝兼容，傳輸損耗低，且目前實驗上還沒有觀測到明顯的非線性吸收效應。基于氮化硅材料的線性與非線性集成光器件，已成為領域內的研究熱點。高垂直耦合效率、低交叉損耗的三維氮化硅耦合器件也被研究出來。

隨著氮化硅三維集成技術的發展，氮化硅與鈮酸鋰薄膜的異質集成也開始出現。加州大學L.Chang等人最近實現了氮化硅波導與鈮酸鋰的異質集成。通過在絕緣體上的鈮酸鋰薄膜濺射生長氮化硅薄膜，實現低損耗脊形波導結構【在先技術1：L.Chang,et al.,J.Opt,2016,3(5):531-535】，制造過程中選擇化學機械拋光的處理方法使氮化硅波導表面平坦化，以實現與鈮酸鋰的異質集成。但現有的利用化學機械拋光進行表面平坦化處理的集成技術，使得氮化硅材料容易由于膜應力的變化而龜裂，且拋光過程難以實時監控，與半導體加工工藝不相兼容。故而需要采用二次光刻的方法制備應力釋放結構，限制了大規模的批量生產。同時國內基于鈮酸鋰的集成光電子器件也進行了廣泛的研究，包括鈮酸鋰薄膜材料的生長【在先技術2：崔嬌等,人工晶體學報,2016,45(5):1266-1270】、器件制備及相關線性與非線性光學方面的應用等，但在低損耗波導與鈮酸鋰材料的異質集成方面關注還不多，目前為止，還沒有人針對1550納米光通信波段給出在氮化硅波導基片上與鈮酸鋰材料的異質集成的結構設計以及實現途徑。

發明內容

本發明是針對低損耗波導平臺與鈮酸鋰薄膜的異質集成設計應用存在的問題，提出了一種氮化硅-鈮酸鋰異質集成波導器件結構及制備方法,氧化硅包覆層中的氮化硅波導和位于其上表面的鈮酸鋰薄膜異質集成脊形波導，并在鈮酸鋰薄膜上表面放置行波電極。氮化硅波導與其上表面的鈮酸鋰薄膜交叉耦合，通過在行波電極上外加高速電信號，對通過鈮酸鋰波導的光波的相位進行控制，實現加載電信號的振幅調制到光信號的相位調制的轉換。三維集成器件結構緊湊，制作工藝與半導體加工工藝兼容，調制效率高，能耗低，可大批量低成本生產，在光信號處理等領域中具有重要的應用前景。

本發明的技術方案為：一種氮化硅-鈮酸鋰異質集成波導器件結構，硅材料表面上沉積二氧化硅，二氧化硅上為沉積并被刻蝕的氮化硅波導，氮化硅波導周圍被二氧化硅包覆，再上附有一層鈮酸鋰薄膜，二氧化硅包覆層中的氮化硅波導和位于氮化硅波導上表面的鈮酸鋰薄膜異質集成形成脊形波導，最后利用光刻、剝離的技術工藝，在鈮酸鋰薄膜上氮化硅波導上方兩側制備有兩個行波電極。