[發(fā)明專(zhuān)利]一種懸浮脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011046761.2
• 申請(qǐng)日: 2020-09-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112162349B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-04-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王霆;叢慧;馮琦;張建軍
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院物理研究所
• 主分類(lèi)號(hào): G02B6/12
• 分類(lèi)號(hào): G02B6/12;G02B6/13;G02B6/136;G02F1/365
• 代理公司: 北京泛華偉業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11280
• 代理人: 王勇

提供一種懸浮脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括：脊形波導(dǎo)，其由具有三階非線性系數(shù)的材料構(gòu)成，該三階非線性系數(shù)大于等于2.7×10^?20m²/W；用于支撐脊形波導(dǎo)的懸浮支撐結(jié)構(gòu)，其材料與脊形波導(dǎo)材料相同，該懸浮支撐結(jié)構(gòu)連接該脊形波導(dǎo)，并且在材料外延方向上的高度小于脊形波導(dǎo)的高度；孔洞結(jié)構(gòu)，其位于懸浮支撐結(jié)構(gòu)中；以及襯底，其連接懸浮支撐結(jié)構(gòu)；其中，脊形波導(dǎo)是通過(guò)外延的方法生長(zhǎng)的，以及所述脊形波導(dǎo)和所述懸浮支撐結(jié)構(gòu)被設(shè)置為相對(duì)于所述襯底懸浮。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種懸浮脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及其制備方法。

背景技術(shù)

非線性光學(xué)效應(yīng)以及其在通訊波段的應(yīng)用，近年來(lái)受到人們的廣泛關(guān)注。由于其在應(yīng)用過(guò)程中主要涉及光信號(hào)在非線性介質(zhì)中產(chǎn)生的相位變化及能量轉(zhuǎn)換，使得能夠在非常短的時(shí)間內(nèi)觸發(fā)這一效應(yīng)。常見(jiàn)的非線性光學(xué)效應(yīng)主要包括：二次諧波的產(chǎn)生、自相位調(diào)制效應(yīng)、四波混頻效應(yīng)、超連續(xù)光譜的產(chǎn)生等。其中后三種光學(xué)非線性效應(yīng)主要基于克爾非線性效應(yīng)(三階非線性)。利用材料的三階光學(xué)非線性效應(yīng)，在光通訊領(lǐng)域可以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換功能、產(chǎn)生超連續(xù)光譜以及光頻梳等功能。在提高通訊帶寬和信號(hào)處理速度等方面具有非常巨大的應(yīng)用前景。

目前，在非線性光集成芯片的制備上主要存在兩個(gè)材料體系，其一是硅基材料，主要包括晶體硅、氮化硅兩種；其二是III-V族化合物半導(dǎo)體材料，代表為鋁鎵砷單晶。前者主要利用硅基IV族材料，在工藝上能夠完全兼容現(xiàn)有的集成電路工藝，在集成度、成本、兼容性方面具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。然而，受到材料能帶結(jié)構(gòu)的影響，硅基材料在非線性光學(xué)器件的制備上存在不可避免的劣勢(shì)。例如，單晶硅雖然在CMOS兼容材料體系中具有較高的三階非線性系數(shù)，但是其在通訊波段存在嚴(yán)重的雙光子吸收效應(yīng)；氮化硅材料由于其帶隙較高，在通訊波段能夠完全避免出現(xiàn)雙光子吸收效應(yīng)，并且能夠制備出傳輸損耗極低的波導(dǎo)器件，但其三階非線性系數(shù)低于單晶硅兩個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，硅基非線性材料在制備高效率的非線性光學(xué)器件上存在難以逾越的障礙。

以鋁鎵砷為代表的III-V族化合物半導(dǎo)體材料，因其較高的三階非線性系數(shù)成為了近年來(lái)備受關(guān)注的新興非線性光學(xué)材料。同時(shí)，通過(guò)改變化合物中元素占比，可以調(diào)整材料的能帶結(jié)構(gòu)從而兼顧高非線性效應(yīng)和避免雙光子吸收。利用組分可調(diào)的鋁鎵砷材料，可以制備出高非線性響應(yīng)的光學(xué)元件。目前世界范圍內(nèi)主要的技術(shù)方法有：

(1)在砷化鎵襯底上，通過(guò)深刻蝕的方法制備出GaAs/AlGaAs波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

(2)利用晶片鍵合的方法，將外延之后的鋁鎵砷材料轉(zhuǎn)移到硅基氧化硅襯底上，再進(jìn)行微納加工得到鋁鎵砷波導(dǎo)。

然而，由于受到材料自身能帶結(jié)構(gòu)的限制以及工藝穩(wěn)定性、兼容性等一系列原因的限制，現(xiàn)階段解決方案仍然存在以下幾點(diǎn)問(wèn)題：

(1)由于砷化鎵材料的折射率高于鋁鎵砷材料，因此利用深刻蝕方法制備波導(dǎo)的過(guò)程中，刻蝕深度過(guò)大從而對(duì)工藝穩(wěn)定性要求極高；該方法制備的波導(dǎo)需要在砷化鎵襯底上完成，因此在芯片成本、工藝兼容性、集成度等方面受到了極大的限制。

(2)利用晶片鍵合的方法，雖然能夠在很大程度上兼容現(xiàn)有的集成電路工藝，然而鍵合本身的工藝難度偏大，同時(shí)該結(jié)構(gòu)的溫度穩(wěn)定性較差。這種方法很難適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的需求。

現(xiàn)有技術(shù)中存在利用SOI材料制備中長(zhǎng)紅外undercut型波導(dǎo)的方法，其利用SOI材料的特性，將頂層硅下方的埋氧層去除，以形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)如附圖5所示，具體地，其通過(guò)在SOI片上的脊波導(dǎo)中央刻蝕出狹縫51形成slot波導(dǎo)，通過(guò)狹縫51掏去slot波導(dǎo)正下方高損耗的埋氧層52，實(shí)現(xiàn)中長(zhǎng)紅外undercut型slot波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。在該方法中，由于利用了SOI片埋氧層的特性，其脊波導(dǎo)只能由硅材料構(gòu)成，不能使用其他材料，但由于硅在通訊波段存在嚴(yán)重的雙光子吸收效應(yīng)，使得該方法無(wú)法用于通訊波段中。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，提供一種懸浮脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括：