[发明专利]一种悬浮脊形波导结构及其制备方法

说明书

提供一种悬浮脊形波导结构，该结构包括：脊形波导，其由具有三阶非线性系数的材料构成，该三阶非线性系数大于等于2.7×10^‑20m²/W；用于支撑脊形波导的悬浮支撑结构，其材料与脊形波导材料相同，该悬浮支撑结构连接该脊形波导，并且在材料外延方向上的高度小于脊形波导的高度；孔洞结构，其位于悬浮支撑结构中；以及衬底，其连接悬浮支撑结构；其中，脊形波导是通过外延的方法生长的，以及所述脊形波导和所述悬浮支撑结构被设置为相对于所述衬底悬浮。

技术领域

本发明涉及一种悬浮脊形波导结构及其制备方法。

背景技术

非线性光学效应以及其在通讯波段的应用，近年来受到人们的广泛关注。由于其在应用过程中主要涉及光信号在非线性介质中产生的相位变化及能量转换，使得能够在非常短的时间内触发这一效应。常见的非线性光学效应主要包括：二次谐波的产生、自相位调制效应、四波混频效应、超连续光谱的产生等。其中后三种光学非线性效应主要基于克尔非线性效应(三阶非线性)。利用材料的三阶光学非线性效应，在光通讯领域可以实现波长转换功能、产生超连续光谱以及光频梳等功能。在提高通讯带宽和信号处理速度等方面具有非常巨大的应用前景。

目前，在非线性光集成芯片的制备上主要存在两个材料体系，其一是硅基材料，主要包括晶体硅、氮化硅两种；其二是III-V族化合物半导体材料，代表为铝镓砷单晶。前者主要利用硅基IV族材料，在工艺上能够完全兼容现有的集成电路工艺，在集成度、成本、兼容性方面具有不可替代的优势。然而，受到材料能带结构的影响，硅基材料在非线性光学器件的制备上存在不可避免的劣势。例如，单晶硅虽然在CMOS兼容材料体系中具有较高的三阶非线性系数，但是其在通讯波段存在严重的双光子吸收效应；氮化硅材料由于其带隙较高，在通讯波段能够完全避免出现双光子吸收效应，并且能够制备出传输损耗极低的波导器件，但其三阶非线性系数低于单晶硅两个数量级。因此，硅基非线性材料在制备高效率的非线性光学器件上存在难以逾越的障碍。

以铝镓砷为代表的III-V族化合物半导体材料，因其较高的三阶非线性系数成为了近年来备受关注的新兴非线性光学材料。同时，通过改变化合物中元素占比，可以调整材料的能带结构从而兼顾高非线性效应和避免双光子吸收。利用组分可调的铝镓砷材料，可以制备出高非线性响应的光学元件。目前世界范围内主要的技术方法有：

(1)在砷化镓衬底上，通过深刻蚀的方法制备出GaAs/AlGaAs波导结构。

(2)利用晶片键合的方法，将外延之后的铝镓砷材料转移到硅基氧化硅衬底上，再进行微纳加工得到铝镓砷波导。

然而，由于受到材料自身能带结构的限制以及工艺稳定性、兼容性等一系列原因的限制，现阶段解决方案仍然存在以下几点问题：

(1)由于砷化镓材料的折射率高于铝镓砷材料，因此利用深刻蚀方法制备波导的过程中，刻蚀深度过大从而对工艺稳定性要求极高；该方法制备的波导需要在砷化镓衬底上完成，因此在芯片成本、工艺兼容性、集成度等方面受到了极大的限制。

(2)利用晶片键合的方法，虽然能够在很大程度上兼容现有的集成电路工艺，然而键合本身的工艺难度偏大，同时该结构的温度稳定性较差。这种方法很难适应大规模生产的需求。

现有技术中存在利用SOI材料制备中长红外undercut型波导的方法，其利用SOI材料的特性，将顶层硅下方的埋氧层去除，以形成波导结构。其结构如附图5所示，具体地，其通过在SOI片上的脊波导中央刻蚀出狭缝51形成slot波导，通过狭缝51掏去slot波导正下方高损耗的埋氧层52，实现中长红外undercut型slot波导结构。在该方法中，由于利用了SOI片埋氧层的特性，其脊波导只能由硅材料构成，不能使用其他材料，但由于硅在通讯波段存在严重的双光子吸收效应，使得该方法无法用于通讯波段中。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的问题，提供一种悬浮脊形波导结构，所述结构包括：