[发明专利]铌酸锂-氮化硅波导与激光器异质集成结构及其制备方法

说明书

本发明涉及集成光电子学技术领域，尤其涉及一种铌酸锂‑氮化硅波导与激光器异质集成结构及其制备方法，制备方法包括在刻蚀后的条形铌酸锂波导上第一次键合氮化硅，形成铌酸锂‑氮化硅混合波导；铌酸锂‑氮化硅混合波导中铌酸锂波导层的厚度为100nm‑600nm，氮化硅层的厚度为200nm‑800nm；铌酸锂波导层的宽度为200nm‑1000nm，使分布在铌酸锂波导层中的光场能量低于分布在铌酸锂‑氮化硅混合波导中总光场能量的5%；在铌酸锂‑氮化硅混合波导的氮化硅层上第二次键合III‑V族激光器，形成铌酸锂‑氮化硅波导与激光器异质集成结构。本发明能克服铌酸锂波导平台无法实现激光器的集成和传输损耗大的难题。

技术领域

本发明涉及集成光电子学技术领域，尤其涉及一种铌酸锂-氮化硅波导与激光器异质集成结构及其制备方法。

背景技术

近些年，随着光子电路的集成度提高，信息传输的速度显著增快。相比电互连无法满足更高带宽、更低功耗的需求等技术的局限性，光互连则具有高带宽、高速度、低功耗等优点，有希望可以在短距离上，甚至是芯片之间和芯片内部实现。目前的光互连中最重要的基础器件中除了光源以外，其它的器件在现阶段都可以实现，这也使得高效的光源成为现有的几种光材料（Si、SiN、LiNbO₃）体系下光互连中最具挑战的目标。

为了实现混合激光器，人们在光材料上采用直接外延发光性能优异的三五族材料，但是三五族材料的器件制作工艺与互补金属氧化物半导体（Complementary MetalOxide Semiconductor，CMOS）不兼容是一直存在的难点。于此同时，LNOI等平台对低损、低功耗、高效率的、工艺兼容性的需求也越来越高。基于此，异质集成III-V/Si激光器、异质集成混合波导等技术发展迅速，异质集成也具有重要的研究价值。

2006年，Intel公司采用等离子表面活化键合方式在SOI衬底上异质集成了III-VInP倏逝激光器；2011年，Intel联合IMEC公司开发了DVS-BVB粘接键合方式实现了激光器在光芯片上的异质集成。除此之外，异质集成波导也取得了突破，公开号为CN107843957A的中国专利公布了一种氮化硅-铌酸锂异质集成波导器件结构及制备方法，提出的一种氮化硅和铌酸锂的异质集成波导器件旨在用来实现高调制效率和低功耗的调制器，但其集成只考虑两种不同材料波导的薄膜生长堆叠和调制器部分，没有采用键合工艺解决LiNbO₃刻蚀工艺难点，也没有涉及异质集成波导对激光光源的高效耦合和耦合后光的低损耗传输。

发明内容

本发明提供一种铌酸锂-氮化硅波导与激光器异质集成结构及其制备方法，用以解决现有技术存在的上述问题，既能解决LNOI激光光源集成的问题，同时也能通过SiN薄膜和LiNbO₃波导的键合实现激光光源最大效率的耦合和光的低损耗传输。

根据本发明的第一方面，本发明提供一种铌酸锂-氮化硅波导与激光器异质集成结构的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：先在刻蚀后的条形铌酸锂波导上第一次键合氮化硅，形成铌酸锂-氮化硅混合波导；其中，所述铌酸锂-氮化硅混合波导中铌酸锂波导层的厚度为100nm-600nm，氮化硅层的厚度为200nm-800nm；所述铌酸锂波导层的宽度为200nm-1000nm，以使分布在所述铌酸锂波导层中的光场能量低于分布在所述铌酸锂-氮化硅混合波导中的总光场能量的5%；

步骤2：再在所述铌酸锂-氮化硅混合波导的氮化硅层上第二次键合III-V族激光器，形成铌酸锂-氮化硅波导与激光器异质集成结构。

进一步地，所述III-V族激光器为In-P激光器。

进一步地，所述第一次键合方式为超真空室温键合方式、表面活化键合方式或等离子活化键合方式中的一种。

进一步地，所述第一次键合方式为等离子活化键合方式；

所述步骤1具体包括如下步骤：