CN115542459A - 硅基钽酸锂混合波导及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种硅基钽酸锂混合波导及其制备方法，该混合波导由上而下依次包括：非晶硅层、用于防止沉积非晶硅时出现黑点杂质影响波导传输效果的薄膜氧化硅层、用于传输TE模的钽酸锂层、氧化硅掩埋层和硅衬底，其中：非晶硅层、薄膜氧化硅层和钽酸锂层沉积形成层次结构，作为波导结构中用于光传播的结构层。本发明在LTO晶圆上通过沉积和刻蚀技术实现硅与钽酸锂异质集成的混合波导结构，光场会在传播过程中泄露到所述的波导的钽酸锂层中，从而实现光的钽酸锂层局域化，通过上述过程可以将钽酸锂这一具有优良特性的材料引入集成光波导中，实现对传统硅基光波导的突破。

Description

硅基钽酸锂混合波导及其制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种集成光电子领域的技术，具体是一种硅基钽酸锂混合波导及其制备方法。
背景技术
随着信息产业技术的高速发展，光电子集成技术正发挥巨大作用。在集成光路中，为了减小芯片的尺寸，提高芯片上器件的性能，需要设计强模场限制、低传输损耗，符合设计目的集成光波导，集成光波导是引导光场通过搞材料折射率差产生全反射从而在其中传播的介质装置。
发明内容
本发明针对现有技术中不足，提出一种硅基钽酸锂混合波导及其制备方法，在LTO晶圆上通过沉积和刻蚀技术实现硅与钽酸锂异质集成的混合波导结构，光场会在传播过程中泄露到所述的波导的钽酸锂层中，从而实现光的钽酸锂层局域化，通过上述过程可以将钽酸锂这一具有优良特性的材料引入集成光波导中，实现对传统硅基光波导的突破。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种硅基钽酸锂混合波导，由上而下依次包括：非晶硅层、用于防止沉积非晶硅时出现黑点杂质影响波导传输效果的薄膜氧化硅层、用于传输TE模的钽酸锂层、氧化硅掩埋层和硅衬底，其中：非晶硅层、薄膜氧化硅层和钽酸锂层沉积形成层次结构，作为波导结构中用于光传播的结构层。
所述的硅基钽酸锂混合波导的折射率分布为：硅材料折射率n1≈3.42、钽酸锂材料折射率n2≈2.176、氧化硅材料折射率n3≈1.45。
所述的非晶硅层的厚度根据实际情况如工艺水平等在100nm左右浮动且非晶硅层不宜过厚，以防部分光场脱离钽酸锂层。
所述的薄膜氧化硅层的厚度随实际需求进行更改，钽酸锂层厚度改变导致光模场局域在钽酸锂层的比值改变，具体为：TE模局域在钽酸锂层的比例与钽酸锂厚度呈正相关；优选在厚度为600nm时，光模场局域在氮化铝层的比例为50.7％。
本发明涉及上述硅基钽酸锂混合波导的制备方法，通过在LTO晶圆上以CMOS兼容工艺得到，具体包括：
步骤1、在LTO晶圆上通过等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)沉积出20nm厚的氧化硅薄膜，形成自上而下的：氧化硅-钽酸锂-氧化硅-硅衬底四层结构。
所述的LTO晶圆由下而上依次包括钽酸锂层、氧化硅层和硅层，其中：钽酸锂层厚度为600nm。
步骤2、在已制备的四层结构上通过等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)沉积100nm厚的非晶硅。
步骤3、使用EBL电子束曝光光刻技术，将波导结构定义在光刻胶上；
步骤4、通过等离子体刻蚀(ICP-RIE)全刻蚀100nm以形成100nm厚的非晶硅波导结构。
步骤5、使用等离子体增强化学气相沉积法沉积1μm厚的氧化硅包层，最终制得硅基钽酸锂混合波导。
技术效果
本发明通过制备钽酸锂于硅异质集成的光波导结构，将部分光局域在钽酸锂中，为光电子领域在新材料中的研究提供了一个案例和方向。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为实施例制备得到的硅基钽酸锂混合波导的三维视图和部分截面展示图(硅-氧化硅-钽酸锂)；
图3为实施例仿真光谱图；
图4为实施例中光局域在钽酸锂层百分比值随其厚度变化函数图；
图5为实验测试得到的所述波导制得的光子器件的透射光谱图；
图6为上述光子器件在不同施加偏压下的透射光谱图。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及一种硅基氮化铝混合波导及其实现方法，包括：
步骤1)通过等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在LTO晶圆上沉积出一层二氧化硅薄膜，厚度为20nm。
步骤2)在制备的氧化硅薄膜层上通过等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)沉积出100nm厚的非晶硅层。
步骤3)使用EBL电子束曝光光刻技术，将波导结构定义在光刻胶上。
步骤4)通过等离子体刻蚀(ICP-RIE)全刻蚀100nm以形成100nm厚的顶部非晶硅波导结构。
步骤5)使用等离子体增强化学气相沉积法在非晶硅波导结构以及非晶硅层上沉积1μm厚的SiO2包层，最终制得到用于光传播核心结构为硅-氧化硅-钽酸锂的混合波导结构。
本实施例通过上述方法制备得到的基于硅与钽酸锂两种材料相集成的混合波导，从上到下依次包括：硅层、薄膜氧化硅层、钽酸锂层、氧化硅掩埋层和硅衬底。如图2所示，该混合波导中用于光传播的结构层包括：非晶硅层、二氧化硅层和钽酸锂层，即图1中自上而下的前三层结构，其中：硅层的厚度为100nm，氧化硅薄膜的厚度设置为20nm用于防止直接在钽酸锂上沉积非晶硅时出现黑色小点，其中钽酸锂的厚度可根据实际使用情况调整数值，本实施例优选为600nm。
经过由Mode Solution软件进行波导仿真，以及实验制备本发明所示的光波导结构为基础的器件，可以得到的结果为：光部分局域在钽酸锂层中，在上述参数下具体数值占比为0.507(仿真)，在上述波导为基础的器件上，可以利用钽酸锂的材料特性器件进行调整(实验结果显示可以钽酸锂所具有的Pockels效应对波导折射率进行调整，从而实现波长的电调谐)。
如图6所示，利用所述波导制得光子器件，并利用钽酸锂晶体的Pockels效应对所述器件的投射光谱进行了波长调谐，实验结果显示在不同的偏压下(±70V)波长中心发生了偏移，实验结果显示出的混合波导的确可以利用钽酸锂晶体的电光效应(Pockels效应)对光子器件进行电调谐。
通过对混合波导进行模拟计算器氮化铝局域光的百分比，证明其模场能够有效的局域在所述的波导内，其中TE基模以50.7％的比例局域在上述混合的钽酸锂层中。通过不停更改钽酸锂的模拟厚度，光局域比计算结果也随之改变，具体改变情况为随着氮化铝厚度的增加而增加，如图4所示。
与现有技术相比，本发明集成钽酸锂晶体与硅，实现了光在所述波导中传输时部分局域在钽酸锂层中，并可以将其用于光学器件的制备，在其上便能利用钽酸锂所拥有的特殊性质如电光特性等使得其在某些方面的应用优于且便于传统波导制备得到的器件(如电调谐)，如图6所示。
本发明制备得到的形成非晶硅-氧化硅-钽酸锂三种材料三层结构的光波导器件，钽酸锂材料的优良特性可以克服传统硅的部分限制，并且与微电子CMOS工艺相兼容。本发明所提供的新型的结构与材料所得到的光波导既能有效传播光，又能引入钽酸锂的优良压电和电光等特性与材料特性，并可以更改钽酸锂层的具体厚度来达到不同的光局域比，可以通过更改钽酸锂层厚度而应用于不同场景。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种硅基钽酸锂混合波导，其特征在于，由上而下依次包括：非晶硅层、用于防止沉积非晶硅时出现黑点杂质影响波导传输效果的薄膜氧化硅层、用于传输TE模的钽酸锂层、氧化硅掩埋层和硅衬底，其中：非晶硅层、薄膜氧化硅层和钽酸锂层沉积形成层次结构，作为波导结构中用于光传播的结构层；
所述的硅基钽酸锂混合波导的折射率分布为：硅材料折射率n1≈3.42、钽酸锂材料折射率n2≈2.176、氧化硅材料折射率n3≈1.45。
2.根据权利要求1所述的硅基钽酸锂混合波导，其特征是，所述的非晶硅层的厚度为100nm。
3.根据权利要求1所述的硅基钽酸锂混合波导，其特征是，所述的TE模局域在钽酸锂层的比例与钽酸锂厚度呈正相关；在厚度为600nm时，光模场局域在氮化铝层的比例为50.7％。
4.一种根据权利要求1-3中任一所述硅基钽酸锂混合波导的制备方法，其特征在于，通过在LTO晶圆上以CMOS兼容工艺得到，具体包括：
步骤1、在LTO晶圆上通过等离子体增强化学气相沉积法沉积出氧化硅薄膜，形成自上而下的：氧化硅-钽酸锂-氧化硅-硅衬底四层结构；
所述的LTO晶圆由下而上依次包括钽酸锂层、氧化硅层和硅层，其中：钽酸锂层厚度为600nm；
步骤2、在已制备的四层结构上通过等离子体增强化学气相沉积法沉积非晶硅；
步骤3、使用EBL电子束曝光光刻技术，将波导结构定义在光刻胶上；
步骤4、通过等离子体刻蚀全刻蚀以形成非晶硅波导结构；
步骤5、使用等离子体增强化学气相沉积法沉积氧化硅包层，最终制得硅基钽酸锂混合波导。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征是，所述的氧化硅薄膜的厚度为20nm。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征是，所述的氧化硅包层的厚度为1μm。
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