CN107843957A - 氮化硅‑铌酸锂异质集成波导器件结构及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氮化硅‑铌酸锂异质集成波导器件结构及制备方法，二氧化硅包覆层中的氮化硅波导和位于其上表面的铌酸锂薄膜异质集成脊形波导，并在铌酸锂薄膜上表面放置行波电极。氮化硅波导与其上表面的铌酸锂薄膜交叉耦合，在行波电极上外加高速电信号，对通过铌酸锂薄膜的光波的相位进行控制，实现加载电信号的振幅调制到光信号的相位调制的转换。三维垂直集成设计，使芯片集成更紧凑，节省空间，同时降低光波导的插入损耗，可望实现100G的光调制速率，实现光波在铌酸锂薄膜中被高速调制并经氮化硅波导低损耗传播的特性，完成性能优异的光调制。其制作工艺与半导体加工工艺兼容，调制效率高，能耗低，在光信号处理等领域中具有重要的应用前景。

Description

氮化硅-铌酸锂异质集成波导器件结构及制备方法

技术领域

本发明涉及一种光通信波段的高速光调制芯片，特别涉及一种氮化硅-铌酸锂异质集成波导器件结构及制备方法。

背景技术

随着大数据时代的到来，通信网络带宽和容量规模快速增加，基于现有传统光信号处理器件，不仅带宽、速度遇到瓶颈，所消耗的能量也急剧增大，因而急需开发出超高速低能耗的新型集成光电子器件。其中，光调制器作为光信息处理、光谱测量、光存储等多个领域的核心器件，已发展出基于电光、声光、磁光等效应的多种器件，而电光调制器通过外加电场的变化调控输出光的振幅或相位，在功耗、速度、集成性等方面都有一定的优势，研究也最为广泛。

铌酸锂晶体具有较大的非线性光学系数，同时还具有优良的光折变、压电和声学特性，又可用作倍频晶体材料，具有良好的物理机械性能，损伤阈值高、透光范围宽、透过率高、且材料成本相对较低，因此在光调制器方面的应用最为成熟，当前也有其他可用于集成电光调制芯片的材料如绝缘体上硅材料(SOI)。但由于硅材料本身的二阶非线性光学系数很小，很难实现电光调制，故常需通过外加载流子浓度的变化来调制材料的光学性质，进而实现光波的调制，如通过离子注入形成p-i-n型的结构，但这也导致了波导的传输损耗较大且调制效率不高。对于III-V族半导体材料，调制效率高、功耗低，但存在其传输损耗较大、波导色散特性不易控制、材料的激光破坏阈值也不高的缺点。金属材料的表面等离子体波也可用于实现高速光调制，其集成度高，但存在着损耗大等问题。聚合物调制器的长期稳定性差，其加工工艺与CMOS工艺不兼容，不利于大规模工业化生产以及与电子器件的集成。因此基于铌酸锂材料的集成光电子器件在高速调制方面有着明显的优势，但对铌酸锂材料直接进行波导加工，工艺实现困难，且所制作的铌酸锂波导损耗较大。因此基于低损耗波导平台与铌酸锂薄膜的异质集成引起了广泛关注。而现有的氮化硅材料可实现较低的传输损耗，具有从可见到中红外的宽透射谱(0.4-6.7微米)，几乎完全覆盖了铌酸锂的透过窗口(0.35-4.5微米)，其折射率(2.01)也与铌酸锂接近，相关集成光电子器件的制备与半导体CMOS工艺兼容，传输损耗低，且目前实验上还没有观测到明显的非线性吸收效应。基于氮化硅材料的线性与非线性集成光器件，已成为领域内的研究热点。高垂直耦合效率、低交叉损耗的三维氮化硅耦合器件也被研究出来。

随着氮化硅三维集成技术的发展，氮化硅与铌酸锂薄膜的异质集成也开始出现。加州大学L.Chang等人最近实现了氮化硅波导与铌酸锂的异质集成。通过在绝缘体上的铌酸锂薄膜溅射生长氮化硅薄膜，实现低损耗脊形波导结构【在先技术1：L.Chang,et al.,J.Opt,2016,3(5):531-535】，制造过程中选择化学机械抛光的处理方法使氮化硅波导表面平坦化，以实现与铌酸锂的异质集成。但现有的利用化学机械抛光进行表面平坦化处理的集成技术，使得氮化硅材料容易由于膜应力的变化而龟裂，且抛光过程难以实时监控，与半导体加工工艺不相兼容。故而需要采用二次光刻的方法制备应力释放结构，限制了大规模的批量生产。同时国内基于铌酸锂的集成光电子器件也进行了广泛的研究，包括铌酸锂薄膜材料的生长【在先技术2：崔娇等,人工晶体学报,2016,45(5):1266-1270】、器件制备及相关线性与非线性光学方面的应用等，但在低损耗波导与铌酸锂材料的异质集成方面关注还不多，目前为止，还没有人针对1550纳米光通信波段给出在氮化硅波导基片上与铌酸锂材料的异质集成的结构设计以及实现途径。

发明内容

本发明是针对低损耗波导平台与铌酸锂薄膜的异质集成设计应用存在的问题，提出了一种氮化硅-铌酸锂异质集成波导器件结构及制备方法,氧化硅包覆层中的氮化硅波导和位于其上表面的铌酸锂薄膜异质集成脊形波导，并在铌酸锂薄膜上表面放置行波电极。氮化硅波导与其上表面的铌酸锂薄膜交叉耦合，通过在行波电极上外加高速电信号，对通过铌酸锂波导的光波的相位进行控制，实现加载电信号的振幅调制到光信号的相位调制的转换。三维集成器件结构紧凑，制作工艺与半导体加工工艺兼容，调制效率高，能耗低，可大批量低成本生产，在光信号处理等领域中具有重要的应用前景。

本发明的技术方案为：一种氮化硅-铌酸锂异质集成波导器件结构，硅材料表面上沉积二氧化硅，二氧化硅上为沉积并被刻蚀的氮化硅波导，氮化硅波导周围被二氧化硅包覆，再上附有一层铌酸锂薄膜，二氧化硅包覆层中的氮化硅波导和位于氮化硅波导上表面的铌酸锂薄膜异质集成形成脊形波导，最后利用光刻、剥离的技术工艺，在铌酸锂薄膜上氮化硅波导上方两侧制备有两个行波电极。

所述氮化硅波导厚350纳米，铌酸锂薄膜厚400纳米。

所述氮化硅-铌酸锂异质集成波导器件结构制备方法，包括如下步骤：

1)在硅材料表面上沉积二氧化硅，然后沉积氮化硅后，基于电子束光刻、等离子体刻蚀等工艺，制备平面氮化硅波导；

2)通过化学气相沉积覆盖二氧化硅包覆层；

3)优化光刻胶烘干工艺，在二氧化硅包覆层上面均匀涂覆一层光刻胶；

4)等离子体刻蚀工艺，使得光刻胶的刻蚀速度与二氧化硅的刻蚀速度完全相等，对二氧化硅包覆层上面均匀涂覆有一层光刻胶，进行等离子刻蚀，实时监控刻蚀深度，在刻蚀到氮化硅波导层时停止刻蚀，此时可得到表面平坦的氮化硅波导；

5)基于优化的晶元键合工艺，实现绝缘体上的铌酸锂薄膜基片与氮化硅波导的牢固键合，铌酸锂薄膜基片表面有硅衬底与二氧化硅缓冲层；

6)利用掩模光刻的方式，基于湿法腐蚀的工艺去除铌酸锂薄膜基片上的硅衬底；

7)利用湿法腐蚀工艺去除氧化硅缓冲层；

8)在铌酸锂薄膜基片上制备行波电极：在铌酸锂薄膜基片表面镀包覆层，以便在氮化硅波导上部制备稳态控制电极，最后利用光刻、刻蚀技术去除行波电极表面的包覆层材料，以露出行波电极进行光电调控操作。

本发明的有益效果在于：本发明氮化硅-铌酸锂异质集成波导器件结构及制备方法，基于氮化硅波导上异质集成的铌酸锂薄膜结构，可充分利用氮化硅波导的低传输损耗与铌酸锂材料的高非线性光学系数，有望实现100G的高速低损耗光调制芯片。制备中采用等离子体刻蚀的处理工艺，实现与铌酸锂薄膜材料的高效异质集成，为今后铌酸锂集成光电器件的发展提供强有力的平台保障。本方案基于对氮化硅-铌酸锂异质集成结构的功能芯片研制，探索高速的电光开关调制以及电控信号的异或逻辑运算，设计出高消光比、低损耗的开关干涉结构，拓展了低能耗铌酸锂集成波导芯片新的应用方向，为基于铌酸锂集成器件的非线性光学相关研究提供坚实的实验支撑。

附图说明

图1为本发明异质集成铌酸锂薄膜的氮化硅波导结构切面图；

图2为本发明异质集成铌酸锂薄膜的氮化硅波导中脊形波导立体示意图；

图3为本发明基于氮化硅和铌酸锂异质集成的高速光调制芯片用时域有限差分算法仿真的模式场图；

图4为本发明异质集成铌酸锂薄膜的氮化硅波导中铌酸锂薄膜中所束缚光比例随氮化硅波导宽度改变的曲线图；

图5为本发明异质集成铌酸锂薄膜的氮化硅波导制作流程图。

具体实施方式

如图1所示异质集成铌酸锂薄膜的氮化硅波导结构切面图，在硅材料表面上沉积二氧化硅，然后沉积氮化硅后经刻蚀得到二氧化硅包覆层中的350纳米厚氮化硅波导，氮化硅波导周围被二氧化硅包覆，再附上一层400纳米厚铌酸锂薄膜，最后利用光刻、剥离的技术工艺，在铌酸锂薄膜上氮化硅波导上方两侧制备两个行波电极；如图2所示异质集成铌酸锂薄膜的氮化硅波导中脊形波导立体示意图。如图3描述的是基于氮化硅和铌酸锂异质集成的高速光调制芯片用时域有限差分算法仿真的模式场图，其中上层是光波在铌酸锂中的可调制含量，在波导宽带0.5微米处可达到0.43左右的光调制，下层是在氮化硅波导中的传输光束量，图中给出的是2微米宽的氮化硅波导的模式场图，同时在图4中给出氮化硅波导宽度在0.5到4微米范围中光波在铌酸锂中的束缚因子图。如图5所示，通过晶元键合的方法，优化键合过程中的压力、温度以及真空度等参数，实现高效的异质集成。为了实现与铌酸锂薄膜的异质集成，需对覆盖了二氧化硅包覆层的氮化硅波导进行表面平坦化处理。现有的基于化学机械抛光的方法需要进行超精细的控制，使得氮化硅波导恰好露出，以便与铌酸锂进行集成。由于难以对抛光过程进行实时监控，加工难度较大。但通过优化光刻胶的烘干工艺以及等离子体刻蚀的参数设置，可以使得光刻胶的刻蚀速度与二氧化硅的刻蚀速度完全一致。而波导的凸起结构在匀上光刻胶之后，可以获得相对平坦的胶平面。等离子体刻蚀过程中，波导基片的表面可被均匀的刻蚀掉，结合实时监控装置，到达氮化硅波导层时停止刻蚀。最后腐蚀掉铌酸锂表面的硅衬底与氧化硅缓冲层，通过光刻、剥离的技术工艺制备行波电极。

本发明所涉及的氮化硅-铌酸锂异质集成波导器件制备方法具体包括如下步骤：

1)在硅材料表面上沉积二氧化硅，然后沉积氮化硅后，基于电子束光刻、等离子体刻蚀等工艺，制备平面氮化硅波导；

2)通过化学气相沉积覆盖二氧化硅包覆层；

3)优化光刻胶烘干工艺，在二氧化硅包覆层上面均匀涂覆一层光刻胶；

4)等离子体刻蚀工艺，使得光刻胶的刻蚀速度与二氧化硅的刻蚀速度完全相等，对二氧化硅包覆层上面均匀涂覆有一层光刻胶，进行等离子刻蚀，实时监控刻蚀深度，在刻蚀到氮化硅波导层时停止刻蚀，此时可得到表面平坦的氮化硅波导；

5)基于优化的晶元键合工艺，实现绝缘体上的铌酸锂薄膜基片与氮化硅波导的牢固键合，铌酸锂薄膜基片表面有硅衬底与氧化硅缓冲层；

6)利用掩模光刻的方式，基于湿法腐蚀的工艺去除铌酸锂薄膜基片上的硅衬底；

7)利用湿法腐蚀工艺去除氧化硅缓冲层；

8)利用光刻、剥离的技术工艺，在铌酸锂薄膜基板上制备行波电极。进一步在异质集成基片表面镀包覆层，以便在氮化硅波导上部制备稳态控制电极。最后利用光刻、刻蚀技术去除行波电极表面的包覆层材料，以露出行波电极进行光电调控操作。最后对芯片进行切割、抛光等制样处理。

本方案是基于氮化硅波导平台与铌酸锂薄膜异质集成结构的高速光调制芯片。其结构特征是二氧化硅包覆层中的氮化硅波导和位于氮化硅波导上表面的铌酸锂薄膜(LNOI)异质集成形成脊形波导，并在铌酸锂薄膜上表面放置行波电极。铌酸锂晶体具有较大的非线性光学系数，同时还具有优良的光折变、压电和声学特性，在光调制器方面的应用最为成熟，但对铌酸锂材料直接进行波导加工，工艺实现困难，且所制作的铌酸锂波导损耗较大。而氮化硅这一硅基材料具有从可见到中红外的宽透射谱，其折射率也与铌酸锂接近，传输损耗低，且氮化硅波导的制作与CMOS工艺兼容。本方案结合两种材料的优点，通过晶元键合的方法异质集成氮化硅波导与铌酸锂薄膜来实现高速低损耗的光调制芯片。考虑到氮化硅过厚会由于材料内部膜应力的积聚导致薄膜龟裂，过薄会使得传播模式过多的泄露到铌酸锂中，难以形成脊形波导。铌酸锂薄膜过薄不能充分利用其优良的光调制特性，反之过厚同样难以形成脊形波导，通过时域有限差分算法优化两者厚度，最终确定氮化硅波导厚350纳米，铌酸锂薄膜厚400纳米。然后基于优化的晶元键合工艺，实现绝缘体上的铌酸锂薄膜基片与氮化硅波导的牢固键合，最后利用光刻、剥离的技术工艺，在铌酸锂基板上制备行波电极。本方案充分利用了铌酸锂材料对光波的优良光电调制特性和氮化硅波导的低损耗传输特性，实现了高速低损耗的光调制芯片。

Claims (3)

1.一种氮化硅-铌酸锂异质集成波导器件结构，其特征在于，硅材料表面上沉积二氧化硅，二氧化硅上为沉积并被刻蚀的氮化硅波导，氮化硅波导周围被二氧化硅包覆，再上附有一层铌酸锂薄膜，二氧化硅包覆层中的氮化硅波导和位于氮化硅波导上表面的铌酸锂薄膜异质集成形成脊形波导，最后利用光刻、剥离的技术工艺，在铌酸锂薄膜上氮化硅波导上方两侧制备有两个行波电极。

2.根据权利要求1所述氮化硅-铌酸锂异质集成波导器件结构，其特征在于，所述氮化硅波导厚350纳米，铌酸锂薄膜厚400纳米。

3.根据权利要求1或2所述氮化硅-铌酸锂异质集成波导器件结构制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）在硅材料表面上沉积二氧化硅，然后沉积氮化硅后，基于电子束光刻、等离子体刻蚀等工艺，制备平面氮化硅波导；

2）通过化学气相沉积覆盖二氧化硅包覆层；

3）优化光刻胶烘干工艺，在二氧化硅包覆层上面均匀涂覆一层光刻胶；

4）等离子体刻蚀工艺，使得光刻胶的刻蚀速度与二氧化硅的刻蚀速度完全相等，对二氧化硅包覆层上面均匀涂覆有一层光刻胶，进行等离子刻蚀，实时监控刻蚀深度，在刻蚀到氮化硅波导层时停止刻蚀，此时可得到表面平坦的氮化硅波导；

5）基于优化的晶元键合工艺，实现绝缘体上的铌酸锂薄膜基片与氮化硅波导的牢固键合，铌酸锂薄膜基片表面有硅衬底与氧化硅缓冲层；

6）利用掩模光刻的方式，基于湿法腐蚀的工艺去除铌酸锂薄膜基片上的硅衬底；

7）利用湿法腐蚀工艺去除氧化硅缓冲层；

8）在铌酸锂薄膜基片上制备行波电极：在铌酸锂薄膜基片表面镀包覆层，以便在氮化硅波导上部制备稳态控制电极，最后利用光刻、刻蚀技术去除行波电极表面的包覆层材料，以露出行波电极进行光电调控操作。