[發明專利]氮化硅光波導器件和石墨烯探測器集成芯片及其制作方法

有效

• 申請號: 201711434640.3
• 申請日: 2017-12-26
• 公開（公告）號: CN108231803B
• 公開（公告）日: 2020-08-11
• 發明（設計）人: 顧曉文;吳云;牛斌;曹正義
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第五十五研究所
• 主分類號: H01L27/142
• 分類號: H01L27/142;G02B6/12
• 代理公司: 南京君陶專利商標代理有限公司 32215
• 代理人: 沈根水

本發明是一種氮化硅光波導器件和石墨烯探測器集成芯片及其制作方法，其結構包括氮化硅垂直耦合光柵、氮化硅光波導器件和石墨烯探測器；其中氮化硅垂直耦合光柵為光信號輸入口，連接氮化硅光波導器件；氮化硅光波導器件對光信號進行處理，連接并將處理后的光信號傳輸給石墨烯探測器，石墨烯探測器對處理后的光信號進行光電轉換。優點：1）通過設計不同結構的氮化硅光波導器件可以實現多種可重構的光信號處理功能；2）石墨烯探測器相比傳統的磷化銦基探測器具有更廣的光吸收波長范圍、更寬的電學帶寬；3）器件結構簡單，可實現片上單片集成的光信號處理功能單元和芯片。

技術領域

本發明涉及的是一種氮化硅光波導器件和石墨烯探測器集成芯片與制作方法，屬于集成微波光信號處理技術領域。

背景技術

光子技術具帶寬大、傳輸損耗低、抗電磁干擾、可調諧等突出優勢，將光子技術與射頻微波技術融合交叉，產生了微波光子技術。通過將射頻微波信號調制在激光上，便可在光頻上實現信號產生、調制、處理、長距離低損耗傳輸等功能，是引領未來通信行業及雷達、電子戰等軍用領域的關鍵技術。微波光子信號處理作為研究熱點之一，目前已實現了眾多光子信號處理功能，有光濾波、光開關、光延時、微分、積分和希爾伯特變換等。此外，作為微波光子通信鏈路的接收端，一般需要實現微波濾波、光電轉換功能。光波導器件具有尺寸小、可重構、易于集成的優勢，采用成熟的微電子CMOS工藝直接制作，或在硅基材料上生長、鍵合磷化銦等異質材料，來制作微波光電子集成器件的技術。它是在芯片尺度上，將微波技術對信號的精細處理能力和光子技術對信號的高速寬帶處理能力進行有機融合，能有效解決傳統微波射頻技術難題，為提升現代電子信息裝備性能提供小型化、低功耗、高可靠和低成本的顛覆性解決方案。

目前磷化銦探測器與硅基光波導器件的集成已有報道，采用異質轉移集成技術實現，但磷化銦探測器材料結構復雜，工作波長范圍較窄，成本高，器件工藝步驟較多，且對異質集成工藝要求極高，限制了該集成芯片的實現和應用前景。

發明內容

本發明提出的是一種氮化硅光波導器件和石墨烯探測器集成芯片與制作方法，其目的是針對現有磷化銦探測器與硅基光波導器件集成芯片工藝難度大、成本高的問題，提出采用石墨烯探測器與氮化硅基光波導器件集成的方式，其中氮化硅光波導器件對光信號進行處理，石墨烯探測器對處理后的光信號進行光電轉換，從而實現單片集成的光信號處理功能單元和芯片。

本發明的技術解決方案：氮化硅光波導器件和石墨烯探測器集成芯片，其結構包括氮化硅垂直耦合光柵1、氮化硅光波導器件2和石墨烯探測器3；其中氮化硅垂直耦合光柵為光信號輸入口，連接氮化硅光波導器件2中的A多模干涉耦合器6，氮化硅光波導器件2對光信號進行處理，并通過氮化硅光波導器件2中的B多模干涉耦合器6連接并將處理后的光信號傳輸給石墨烯探測器3，石墨烯探測器3對處理后的光信號進行光電轉換。

制作方法包括以下步驟：

1）先在單晶硅材料上生長氧化硅介質和氮化硅介質；

2）采用電子束光刻顯影技術制備出氮化硅波導器件的光刻膠掩膜圖形，采用感應耦合等離子體刻蝕制作光波導器件，去除光刻膠掩膜；

3）采用電子束光刻顯影技術制備出氮化硅垂直耦合光柵的光刻膠掩膜圖形，采用感應耦合等離子體刻蝕制作垂直耦合光柵，去除光刻膠掩膜；

4）生長氧化硅介質，采用化學機械拋光工藝對芯片表面進行拋光；

5）采用濕法轉移工藝轉移石墨烯薄膜到材料芯片表面，并去除光刻膠；

6）采用平面光刻顯影技術制備出石墨烯圖形的光刻膠掩膜，再氧化完成石墨烯的圖形化；

7）采用平面光刻顯影技術制備出源漏電極圖形，金屬化，并剝離制備出源漏電極；

8）生長一層高k絕緣材料作為柵介質，采用電子束光刻顯影技術制備出柵極圖形，金屬化，并剝離制備出柵電極；