[发明专利]超低损耗硅波导及其制备方法

说明书

本公开提供了一种超低损耗硅波导及其的制备方法，制备方法包括以下几个步骤：挑选作为衬底的SOI晶圆；热氧化第一硅层的上部；刻蚀第二二氧化硅层；沉积二氧化硅，形成第三二氧化硅层；在第三二氧化硅层上方注入氧离子，形成富氧离子层；刻蚀除去第二二氧化硅层与第三二氧化硅层；在第一硅层的上方沉积二氧化硅，形成第四二氧化硅层；高温退火，使得富氧离子层反应形成第五二氧化硅层；刻蚀除去第四二氧化硅层，制得成品，成品中第五二氧化硅层下方的第一硅层即为波导层，而第三凸起部下方的第一硅层即为硅波导。本公开将波导图案转移至埋层，避免了常规制备硅波导方案中刻蚀所带来的侧壁粗糙度高的问题，所制备的硅波导具有超低损耗的优点。

技术领域

本公开涉及光电子芯片及集成领域，具体涉及一种超低损耗硅波导及其制备方法。

背景技术

光电子芯片及集成技术具有低功耗、高速率、高可靠、小体积等突出优势，这些优势是突破信息网络所面临的速率带宽、能耗体积、智能化与可重构等方面瓶颈的核心关键技术，在光通信、传感、计算、生物、医药、农业等领域也有着广泛的应用。

制备光电子集成芯片的载体包括硅基、磷化铟、铌酸锂、氮化硅、二氧化硅、聚合物等材料，其中，硅基具有尺寸小、能耗低、CMOS工艺兼容以及便于与现有的电子器件和光子器件实现单片、微纳集成等优点，是制备光电子集成芯片最常用的材料。利用硅基实现光的产生、调制、传输、操控以及探测等功能的硅光子学，已被公认为突破计算机和通信超大容量、超高速信息传输和处理瓶颈的理想技术之一，硅光子学受到研究者的高度关注，成为近年光电子研究领域的热点。

硅基光波导是引导光波在其中传播的介质，是光电子芯片及集成技术中最基础的单元结构，主要作用包括限制、传输、耦合光波等。光波导的种类包括矩形波导、脊形波导，制备这两种波导都需要采用刻蚀工艺，刻蚀形成的波导侧壁粗糙，波导的传输损耗与波导外表面(包括侧壁和上表面)粗糙度有着密切关系，粗糙度越大，光的散射越严重，光在波导内部的传输损耗就越大，从而限制了大规模光电子芯片集成。

发明内容

针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种超低损耗硅波导及其制备方法，其将波导图案转移至埋层，避免了常规制备硅波导方案中刻蚀所带来的侧壁粗糙度高的问题，所制备的硅波导具有超低损耗的优点。同时，利用该方案制备的硅波导可以与顶层硅进行垂直集成，具有3D光子集成的优点。

一种超低损耗硅波导的制备方法，包括以下几个步骤：

S1挑选作为衬底的SOI晶圆，所述SOI晶圆包括由上至下依次设置的第一硅层、第一二氧化硅层和第二硅层，第一硅层和第二硅层的组成材料为硅，第一二氧化硅层的组成材料为二氧化硅；

S2热氧化第一硅层的上部，形成第二二氧化硅层；

S3刻蚀第二二氧化硅层，使得第二二氧化硅层被刻蚀区域形成第一凹陷部，其余区域为第一凸起部；

S4在第一凹陷部与第一凸起部上方沉积相同厚度的二氧化硅，形成第三二氧化硅层；

S5在第三二氧化硅层上方注入氧离子，使得第一硅层内形成富氧离子层，富氧离子层将第一硅层的下部分隔为上下两层，所述富氧离子层对应所述第一凸起部形成第二凸起部，且对应所述第一凹陷部形成第二凹陷部；

S6使用刻蚀工艺除去第二二氧化硅层与第三二氧化硅层；

S7在第一硅层的上方沉积二氧化硅，形成第四二氧化硅层；

S8高温退火，使得富氧离子层中的氧离子与硅原子反应形成第五二氧化硅层，所述第二凸起部转换形成第三凸起部，所述第二凹陷部转换形成第三凹陷部；

S9使用刻蚀工艺除去第四二氧化硅层，制得成品，成品中第五二氧化硅层下方的第一硅层即为波导层，而第三凸起部下方的第一硅层即为硅波导。