CN111061072A - 一种基于铌酸锂薄膜的光电器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种基于铌酸锂薄膜的光电器件的制备方法，包括如下步骤：在铌酸锂薄膜上的涂布刻蚀图案中转层；对所述刻蚀图案中转层进行光刻、显影，得到要制作的波导的图案；继续刻蚀，在所述铌酸锂薄膜刻蚀出所述波导的图案。通过该制备方法制得的光电器件具有光传输一致性好，损耗低，集成度高的优点。本申请还提供一种基于铌酸锂薄膜的光电器件。

Description

一种基于铌酸锂薄膜的光电器件及其制备方法
技术领域
本申请涉及基于铌酸锂薄膜的元器件制备技术领域，尤其是涉及一种基于铌酸锂薄膜的光电器件及其制备方法。
背景技术
铌酸锂被称为“光学硅”，是一种非常重要的晶体材料，在电光调制、非线性光学、声表面波、滤波等领域有大量的市场应用。同时它的内部缺陷和空位比较多，很容易通过掺杂一些其他粒子的方式来对材料进行改性，修正其物理参数，来拓宽它的应用范围。但是铌酸锂晶体在应用上有两个限制：一是很难长出与体块单晶性质一样的铌酸锂薄膜；二是铌酸锂晶体非常难刻蚀。因此目前市场上铌酸锂电光调制器中波导的制作方式基本都是基于传统的Ti扩散技术或者质子交换退火技术。这种方法得到的铌酸锂波导和周围介质的折射率差不超过0.02，对于在其中传输的光波是弱束缚，光的传输损耗会比较大。同时，这种方法得到的波导宽度一般都在10μm左右，器件的尺寸比较大，集成度并不高，不能充分发挥材料性能优势。
发明内容
本申请要解决的技术问题是提供一种基于铌酸锂薄膜的光电器件的制备方法，通过该制备方法制得的光电器件具有光传输一致性好，损耗低，集成度高的优点。本申请另一个要解决的技术问题是提供一种基于铌酸锂薄膜的光电器件。
为解决上述技术问题，本申请的第一方面提供一种基于铌酸锂薄膜的光电器件制备方法，包括如下步骤：
在铌酸锂薄膜上的涂布刻蚀图案中转层；
对所述刻蚀图案中转层进行光刻、显影，得到要制作的波导的图案；
继续刻蚀，在所述铌酸锂薄膜刻蚀出所述波导的图案。
可选的，
所述，在铌酸锂薄膜上的涂布刻蚀图案中转层，包括：
在铌酸锂薄膜上的涂布光刻胶。
可选的，
在铌酸锂薄膜上的涂布光刻胶之前，还包括
在铌酸锂薄膜上的沉积一层无定形硅。
可选的，
所述对所述刻蚀图案中转层进行光刻、显影，得到要制作的波导的图案，包括
先用光刻机把要制备的波导图案在光刻胶上曝光，光刻胶被光照的区域发生化学反应；
然后用显影剂将发生化学反应区域的材料去除掉，得到要制作的波导的图案。
可选的，
所述继续刻蚀，在所述铌酸锂薄膜刻蚀出所述波导的图案，包括：
继续刻蚀，使得刻蚀过程中光刻胶的图案转移到硅表面；然后继续用硅作为掩膜，继续刻蚀，在铌酸锂薄膜上刻蚀出所述波导的图案。
可选的，
在所述铌酸锂薄膜刻蚀出所述波导的图案之后，还包括：
去除掉残留的光刻胶和无定形硅，得到波导结构。
可选的，
在铌酸锂薄膜上的涂布刻蚀图案中转层之前，
在铌酸锂薄膜的衬底上设置一层二氧化硅。
可选的，
在得到所述波导结构后，对波导结构的侧壁进行去毛刺处理。
可选的，
所述去毛刺处理的方法为热退火或腐蚀剂漂洗。
此外，为解决上述技术问题，本申请的第二方面提供一种基于铌酸锂薄膜的光电器件，所述基于铌酸锂薄膜的光电器件是上述任一项所述制备方法制成，所述铌酸锂薄膜的光电器件包括铌酸锂基体部、及设于所述基体部之上的波导结构。
在本申请中，一种基于铌酸锂薄膜的光电器件制备方法，包括如下步骤：
在铌酸锂薄膜上的涂布刻蚀图案中转层；
对所述刻蚀图案中转层进行光刻、显影，得到要制作的波导的图案；
继续刻蚀，在所述铌酸锂薄膜刻蚀出所述波导的图案。
本申请提供的方法是通过刻蚀工艺在铌酸锂薄膜上制作波导，这种波导与周围介质（如SiO2）的折射率差可以达到0.7，是紧束缚，光在其中传输时的一致性好，损耗低，同时波导尺寸可以与硅光波导相比拟，在0.4~0.6μm的量级。这样得到的器件集成度比较高，当它用来做电光调制器时，电极间间距可以做的更近，电光响应的效率会更高。另外这种方法制得的光电集成器件，其功耗一般都比较低，带宽也比较大，可以实现更多领域的应用。
附图说明
图1为本申请一种示例性实施例示出的一种基于铌酸锂薄膜的光电器件制备方法的逻辑流程图；
图2为图1中各个步骤对应的铌酸锂薄膜刻蚀的各个阶段结构示意图；
图3为通过本申请的制备方法制得光电器件与通过传统方法制得的光电器件的对比图；
图4为通过传统方法制得的光电器件的折射率变化曲线图；
图5为通过本申请的制备方法制得的光电器件的折射率变化曲线图；
图6为采用本申请实施例中铌酸锂薄膜波导制备的波导耦合器的结构示意图；
图7为采用本申请实施例中铌酸锂薄膜波导制备的几种环形谐振腔的结构示意图；
图8为采用本申请实施例中铌酸锂薄膜波导制备的Y结分束器的结构示意图；
图9为采用本申请实施例中铌酸锂薄膜波导制备的电光调制器的结构示意图。
具体实施方式
下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的***和方法的示例。
在本申请的一种实施例中，如图1和图2所示，图1为本申请一种示例性实施例示出的一种基于铌酸锂薄膜的光电器件制备方法的逻辑流程图，图2为图1中各个步骤对应的铌酸锂薄膜刻蚀的各个阶段结构示意图。
步骤S101，首先在清洗过的铌酸锂薄膜样品上沉积一层无定形硅，再涂布光刻胶。
需要说的是，我们可以认为无定形硅和光刻胶，可以为一种用于刻蚀前的刻蚀图案中转层，在本申请中，用的无定形硅和光刻胶。本领域的技术人员容易理解，本申请能够用于刻蚀图案中转的材料并不限于无定形硅和光刻胶，其他能够实现刻蚀图案中转的材料也应该在本申请的保护范围之内。
选取的未加工的铌酸锂薄膜样品如图2中a阶段所示。
此时得到的加工后的铌酸锂薄膜如图2中b阶段所示，在b阶段中，无定形硅形成硅层102，光刻胶形成光刻胶层103。
步骤S102，光刻，显影，得到要制作的波导图案。
具体的，该步骤的具体过程为：先用光刻机把要制备的波导图案在光刻胶上曝光，光刻胶被光照的区域发生化学反应；然后用显影剂将发生化学反应区域的材料去除掉，得到要制作的波导的图案。
此时得到的加工后的铌酸锂薄膜如图2中c阶段所示，在c阶段中，光刻胶层103被加工完成。
步骤S103, 继续刻蚀，在铌酸锂薄膜刻蚀出波导的图案。具体的，如图1所示，继续刻蚀，使得刻蚀过程中光刻胶的图案转移到硅表面；然后继续用硅作为掩膜，继续刻蚀，在铌酸锂薄膜上刻蚀出波导的图案。
此时得到的加工后的铌酸锂薄膜如图2中d阶段所示，在d阶段中，硅层102级铌酸锂薄膜被加工完成。
步骤S104, 去除掉残留的光刻胶和无定形硅，得到波导结构101。
此时得到的加工后的铌酸锂薄膜如图2中e阶段所示，在e阶段中，硅层102和光刻胶层103被清洗掉，得到铌酸锂薄膜形成的波导结构101。
在上述实施例中，得到的波导结构101的侧壁，都会有些毛刺应力起伏，这些毛刺会导致光在其中传输时有较大的损耗。为了减少这种光损耗，就需要用一些后处理的方法，将这些毛刺应力起伏去掉，比如热退火，或者用腐蚀剂漂洗的方法来去除。
此外，在铌酸锂薄膜上的涂布刻蚀图案中转层之前，在铌酸锂薄膜的衬底上设置一层二氧化硅，形成二氧化硅层104。具体来说，如图2中a阶段所示，在铌酸锂衬底上有一层2μm的SiO2，最上面是300nm-900nm厚的铌酸锂单晶薄膜。
那么，本申请制备方法制得的波导结构101与通过传统方法制得的波导结构101的对比是怎样的呢，具体如图3所示，图3为通过本申请的制备方法制得光电器件与通过传统方法制得的光电器件的对比图。
如图3左边的图所示，传统的铌酸锂光电集成器件中的波导是基于Ti扩散技术或者质子交换退火技术。这种方法得到的铌酸锂波导和周围介质的折射率差不超过0.02，对于在其中传输的光波是弱束缚，光传输的损耗比较大；同时波导的尺寸一般在10μm的量级，集成度不高，对于一些应用，如电光调制器，光电响应的效率比较低，对于实现超高速电光调制（>100GHz）来说是不利的。
具体的，如图3所示，本申请提供的基于铌酸锂薄膜的光电器件包括铌酸锂基体部1、及设于基体部之上的波导结构101。具体来说，该基体部1的涵盖范围包括波导结构101下方的整体，包括衬底及其他部分。需要说明的是，在这里衬底可以为铌酸锂、硅或二氧化硅，本申请对此不作限制，因而任意一种衬底材料均在本申请保护范围之内。
如图3右边的图所示，如果使用本申请提供的方法制作的波导结构101，由于波导结构101内部的折射率分布都一致，因此光在其中传输时的一致性比较好，同时电极间距离可以做的更近，其电光响应更高效，在调制速率上与扩散波导相比有先天优势。另外器件带宽更大，功耗更低，调制电压可以到1~2V的量级，完全可以与CMOS技术兼容，有利于实现编程控制。
那么，两种方法制得的波导结构101其折射率对比，具体可以参照图4和图5，图4为通过传统方法制得的光电器件的折射率变化曲线图；图5为通过本申请的制备方法制得的光电器件的折射率变化曲线图。
传统的扩散法制得的铌酸锂波导，随着深度的增加，其折射率变化如图4所示。距离样品表面扩散源最近的区域，折射率最大，随着扩散深度增加，折射率逐渐降低，最后与铌酸锂折射率一致。当光在这种波导里传输时，由于中心的折射率高，边缘折射率低，中心与边缘的光速（v=c/n）是不一样的。这样光在其中传输时，中心区域会有信号的滞后。这种滞后对于像电光调制这种应用来说，是非常不利的。它会使得在同样信号激励下的响应，在传输一段距离以后，信号会离散掉，导致信号的串扰，误码率提高，不利于高速调制的实现。而我们这种刻蚀得到的波导结构101，其内部折射率都是一样的(如图5所示)，在光电响应时都一致，有利于实现超高速信号调制。同时，由于这种薄膜的厚度很低，光沿着这种波导传输时，很多能量在波导外，因此功耗比体块的样品小很多，同时带宽也大，器件的集成度也更高。
以下将介绍采用本申请的方法制造的铌酸锂波导在光电器件上的应用举例，以此证明本方法优良的技术效果。
应用举例：
1、波导耦合器
如图6所示，波导耦合器是集成光路芯片中的一个常用器件。如图所示，波导耦合器是两个波导之间在某一部分距离比较近，一般在200nm左右，当光波从一个波导中传播时，通过倏逝场耦合，光能量进入另一个波导中传播。根据我们对不同宽度波导模拟的结果，波导宽度越小，耦合系数越大。而对比于一般的扩散波导，这种薄膜波导的宽度要更小。因而利用本专利中的刻蚀技术来制作波导，可以有效提高两个波导之间的耦合系数，提高耦合效率。
2、环形谐振腔
环形谐振腔在集成光学中有很重要的应用，它可以用于片上集成激光器的谐振腔，实现对特定波长的增益输出。当光从波导中传输时，一部分光就进入到环形腔内，其基本结构如下图所示：
如图7中a图所示，光沿着波导传播，然后有一部分光进入到环形腔谐振，谐振以后再沿着波导出射。如果环形腔的半径是r，那么2πrn=mλ。其中r是环形谐振腔的半径，n是材料的折射率，m是整数，λ是在谐振腔中传播的光的波长。从该式中可以看出，只有特定波长的光才可以在其中产生谐振，谐振后出射的光就会在该波长处产生增益，品质因子大幅提高。这种器件也可以采用示例1中的倏逝场耦合方法（图7中b图）让光能量从波导耦合进入圆环，这时圆环与波导并不相交，而是在最近处有100-200nm的间隔。在有些设计时，考虑到纯圆环结构时，光在圆环与波导相切处光能利用倏逝场耦合进入圆环的作用距离较小，影响耦合效率，因此采用图7中c图的设计，来增大耦合作用距离，提高耦合效率，通过合适的设计，可以将波导中传输的大部分能量的光都耦合到环形腔中谐振后再输出。品质因子是描述这种环形谐振腔的一个重要描述指标，它直观的物理含义就是光在谐振腔内谐振多少圈以后出射。从侧面也描述了器件的耦合能力和损耗水平。本专利技术制备的光波导，光在其中传输时是紧束缚，通过设计器件的结构，可以使得谐振腔器件与衬底的接触区域更小，孤立程度更高，这样光在其中传输时，衬底对它的干扰更少，就可以有效提高器件的品质因子。因而通过本专利中涉及的光波导制备技术来制作这些器件，可以使得器件的品质因子更高，达到百万以上的量级。
3、Y结分束器
Y结分束器是集成光学中的一个基本元件。它的作用是将一束光分为2束单独的光输出，其基本结构如图8所示。其中为了避免有大的光损耗，两个出射波导之间的夹角不能太大，一般θ<3º，同时要确保这两个波导输出的光能量要保持一致，因此就需要器件要有对称性设计。在此基础上，出射端波导个数还可以根据需求增加，以实现更多通道的输出。本专利技术制备的分光器件，对于光是紧束缚，通过结构设计，将节点处结构由简单的条形结构优化为弧形结构，就可以有效减小损耗。通过本专利涉及的光波导制备技术来制备这种器件，也可以大大降低节点处的光能损耗，提高光进入出射端波导的能量。
4、电光调制器
电光调制器是高速光通信中的核心器件，它的主要功能是将携带信息的电信号加载到光信号，让信号以光波的形式传播，提高传播速率，并减少传输损耗。其基本结构如图9所示。利用本专利种涉及的光波导制备技术来涉及制备电光调制器，相对比传统的扩散型波导制备的电光调制器有诸多优点。传统的铌酸锂电光调制器，由于波导是埋入铌酸锂衬底的，电极都要做在衬底表面，所以RF信号对铌酸锂波导发生作用时，起作用的时RF场的***电场，因此电光效率比较差。同时为了实现RF信号和光波信号的位相匹配，一般电极都要做的比较厚（~6微米），将大部分RF信号从波导中拉到空气中，来实现RF信号传输时的有效折射率与光波一致，这种厚电极又增大了信号的损耗。而且这种厚的电极也增大了***的电容，对于高速电信号施加时调制器的线性响应也是不利的。利用铌酸锂薄膜刻蚀制备的电光调制器，集成度比较高。高速调制器一般采用行波设计，这里面要考虑RF信号和光波信号的位相匹配，还要考虑器件的阻抗匹配。薄膜器件由于它很薄，光和微波大部分能量在SiO2中传播，适当的结构设计就可以实现光波和微波的位相匹配。因此电极就可以做的比较薄，电容也非常小，有利于实现高速调制。这种器件的带宽更大，驱动电压更低，调制速率更快，损耗更小。
本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于铌酸锂薄膜的光电器件制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
在铌酸锂薄膜上的涂布刻蚀图案中转层；
对所述刻蚀图案中转层进行光刻、显影，得到要制作的波导的图案；
继续刻蚀，在所述铌酸锂薄膜刻蚀出所述波导的图案。
2.如权利要求1所述的基于铌酸锂薄膜的光电器件制备方法，其特征在于，
所述，在铌酸锂薄膜上的涂布刻蚀图案中转层，包括：
在铌酸锂薄膜上的涂布光刻胶。
3.如权利要求2所述的基于铌酸锂薄膜的光电器件制备方法，其特征在于，
在铌酸锂薄膜上的涂布光刻胶之前，还包括
在铌酸锂薄膜上的沉积一层无定形硅。
4.如权利要求3所述的基于铌酸锂薄膜的光电器件制备方法，其特征在于，
所述对所述刻蚀图案中转层进行光刻、显影，得到要制作的波导的图案，包括
先用光刻机把要制备的波导图案在光刻胶上曝光，光刻胶被光照的区域发生化学反应；
然后用显影剂将发生化学反应区域的材料去除掉，得到要制作的波导的图案。
5.如权利要求4所述的基于铌酸锂薄膜的光电器件制备方法，其特征在于，
所述继续刻蚀，在所述铌酸锂薄膜刻蚀出所述波导的图案，包括：
继续刻蚀，使得刻蚀过程中光刻胶的图案转移到硅表面；然后继续用硅作为掩膜，继续刻蚀，在铌酸锂薄膜上刻蚀出所述波导的图案。
6.如权利要求3-5任一项所述的基于铌酸锂薄膜的光电器件制备方法，其特征在于，
在所述铌酸锂薄膜刻蚀出所述波导的图案之后，还包括：
去除掉残留的光刻胶和无定形硅，得到波导结构。
7.如权利要求1-5任一项所述的基于铌酸锂薄膜的光电器件制备方法，其特征在于，
在铌酸锂薄膜上的涂布刻蚀图案中转层之前，
在铌酸锂薄膜的衬底上设置一层二氧化硅。
8.如权利要求6所述的基于铌酸锂薄膜的光电器件制备方法，其特征在于，
在得到所述波导结构后，对所述波导结构的侧壁进行去毛刺处理。
9.如权利要求8所述的基于铌酸锂薄膜的光电器件制备方法，其特征在于，
所述去毛刺处理的方法为热退火或腐蚀剂漂洗。
10.一种基于铌酸锂薄膜的光电器件，其特征在于，所述基于铌酸锂薄膜的光电器件是权利要求1-9任一项所述制备方法制成，所述铌酸锂薄膜的光电器件包括铌酸锂基体部及设于所述基体部之上的波导结构。
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