[发明专利]氮化硅‑铌酸锂异质集成波导器件结构及制备方法

说明书

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。