CN103630966A - 悬空氮化物光波导器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种悬空氮化物光波导器件及其制备方法，实现载体为硅衬底氮化物晶片，所述硅衬底氮化物晶片包括顶层氮化物器件层和位于顶层氮化物器件层下部的硅衬底层；该方法能够实现高折射率硅衬底层和氮化物器件层的剥离，利用氮化物器件层和空气的折射率差异，实现悬空氮化物光波导器件；所述顶层氮化物器件层的上表面具有光波导器件结构，结合背后对准和深硅刻蚀技术，去除氮化物光波导器件下方的硅衬底层，得到悬空氮化物光波导器件；进一步的可以采用氮化物背后减薄刻蚀技术，获得厚度可控的氮化物光波导器件，降低光波导器件的模式损耗。
Description
技术领域
本发明涉及悬空氮化物光波导器件及其制备方法，属于信息材料与器件技术领域。
背景技术
氮化物材料，特别是氮化镓材料，在近红外和可见光波段具有优良的光学性能，应用前景广泛。
随着氮化物材料生长技术的突破，硅衬底氮化物晶片已经逐步实现技术突破，走向商用市场。硅衬底的折射率大于氮化物材料的折射率，限制了硅衬底氮化物光波导器件的发展；此外，由于硅衬底氮化物器件层的厚度通常由生长条件决定，厚度自由度较小，为设计氮化物光波导器件带来困难。
生长在硅衬底上的氮化物材料，利用深硅刻蚀技术，可以解决硅衬底和氮化物材料的剥离问题，获得悬空的氮化物薄膜；利用氮化物材料和空气的高折射率差异，可以实现较强的光场约束，为发展近红外和可见光波段的氮化物光波导器件提供了可能。同时，利用悬空氮化物薄膜背后减薄技术，可以解决顶层氮化物器件的刻蚀难题。通过背后减薄，获得厚度可控的氮化物薄膜，从而获得厚度可控的氮化物光波导器件。此外，氮化物薄膜光波导器件，可以转移到其他低折射率衬底上，实现多种器件的集成。
发明内容
本发明悬空氮化物光波导器件的实现载体为硅衬底氮化物晶片；硅衬底氮化物晶片由顶层氮化物器件层和位于顶层氮化物器件层下部的硅衬底层组成。高折射率硅衬底层和氮化物器件层的剥离，利用氮化物器件层和空气的折射率差异，实现悬空氮化物光波导器件。
本发明提供了一种悬空氮化物光波导器件，其有两种结构，一种结构由光波导器件、椭圆形支撑结构、耦合光栅组成。光波导器件与椭圆形支撑结构相连接，两边的耦合光栅与光波导器件相靠近。另一种结构由光波导器件、耦合光栅组成，两边的耦合光栅与光波导器件相靠近。
本发明提供的悬空氮化物光波导器件使硅衬底和氮化物器件层相剥离，利用氮化物薄膜和空气折射率的差异，发展悬空氮化物光波导器件；利用背后减薄技术，可以获得厚度可控的氮化物光波导器件；利用氮化物材料的光学性能，器件可以工作在可见光和红外波段；采用电子束曝光或光刻技术定义光波导器件，并采用离子束轰击或反应离子束刻蚀方法，将器件结构转移到氮化物器件层，刻蚀深度取决于具体器件设计要求的厚度；结合背后对准和深硅刻蚀技术，去除氮化物光波导器件下方硅衬底层，获得悬空氮化物光波导器件；采用氮化物背后减薄刻蚀技术，实现器件厚度可控的悬空氮化物光波导器件；改变环境介质的折射率，可以影响器件的光场约束条件，相应的可以作为环境介质传感器件。
本发明还提供了一种悬空氮化物光波导器件的工艺制备方法，其包括如下步骤：
步骤1：所述硅衬底氮化物晶片首先进行背后抛光减薄，以便利用背后深硅刻蚀技术，去除硅衬底层；
步骤2：在所述硅衬底氮化物晶片的顶层氮化物器件层涂胶，利用电子束曝光或光刻技术定义光波导器件结构；
步骤3：采用离子束轰击或反应离子束刻蚀技术将步骤2中的光波导器件结构转移至顶层氮化物器件层，刻蚀深度取决于光波导所要求的器件厚度；
步骤4：利用氧气等离子灰化方法去除残余的胶层；
步骤5：器件层涂胶保护，结合背后对准和深硅刻蚀技术，去除光波导器件下方的硅衬底层，实现悬空的氮化物薄膜；
步骤6：采用氮化物背后减薄方法，利用离子束轰击或反应离子束刻蚀技术，背后减薄氮化物，获得厚度可控的氮化物光波导器件；
（a）：如图1（a），光波导器件中光波导为完全悬空， 如图2（j）步骤实现；
（b）：如图1（b），光波导器件不需要支撑结构，并没有完全分离，如图2（h）步骤实现；
步骤7：利用氧气等离子灰化方法去除残余的胶层，实现悬空氮化物光波导器件。
本发明的有益之处在于：
1.本发明可结合氮化物掩膜刻蚀技术，采用相应的成膜技术，并定义光波导器件结构，通过掩膜层刻蚀技术刻穿掩膜层至氮化物器件层，然后采用离子束轰击或反应离子束刻蚀方法，获得氮化物光波导器件结构。
2.本发明结合背后减薄技术，利用不同材料物理特性的不同，实现微机电驱动器和光波导器件的分离。
3.本发明利用带有椭圆型支撑结构的光波导器件，降低悬空的光波导器件的损耗，实现高透射率的光波导器件。
附图说明
图1中图1（a）、图1（b）为硅衬底悬空氮化物光波导器件的结构示意图。
附图标记说明：1-光波导器件；2-椭圆形支撑结构；3-耦合光栅。
图2为悬空氮化物光波导器件制备方法的工艺流程图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。
实施例一
本发明悬空氮化物光波导器件的实现载体为硅衬底氮化物晶片；硅衬底氮化物晶片由顶层氮化物器件层和位于顶层氮化物器件层下部的硅衬底层组成。高折射率硅衬底层和氮化物器件层相剥离，利用氮化物器件层和空气的折射率差异，实现悬空氮化物光波导器件。
如图1（a）所示，本发明提供了一种悬空氮化物光波导器件，其结构由光波导器件1、椭圆形支撑结构2、耦合光栅3组成。光波导器件1与椭圆形支撑结构2相连接，两边的耦合光栅3与光波导器件1相靠近；图1（a），其结构由光波导器件1、耦合光栅3组成。光波导器件1与两边的耦合光栅3靠近。
本发明提供的悬空氮化物光波导器件使硅衬底和氮化物器件层相剥离，利用氮化物薄膜和空气折射率的差异，发展悬空氮化物光波导器件；利用背后减薄技术，可以获得厚度可控的氮化物光波导器件；利用氮化物材料的光学性能，器件可以工作在可见光和红外波段；采用电子束曝光或光刻技术定义光波导器件，并采用离子束轰击或反应离子束刻蚀方法，将器件结构转移到氮化物器件层，刻蚀深度取决于具体器件设计要求的厚度；结合背后对准和深硅刻蚀技术，去除氮化物光波导器件下方硅衬底层，获得悬空氮化物光波导器件；采用氮化物背后减薄刻蚀技术，实现器件厚度可控的悬空氮化物光波导器件；改变环境介质的折射率，可以影响器件的光场约束条件，相应的可以作为环境介质传感器件 。
实施例二
如图2所示，本发明还提供了一种悬空氮化物光波导器件的工艺制备方法，其包括如下步骤：
步骤1：所述硅衬底氮化物晶片首先进行背后抛光减薄，以便利用背后深硅刻蚀技术，去除硅衬底层；
步骤2：在所述硅衬底氮化物晶片的顶层氮化物器件层涂胶，利用电子束曝光或光刻技术定义光波导器件结构；
步骤3：采用离子束轰击或反应离子束刻蚀技术将步骤2中的光波导器件结构转移至顶层氮化物器件层，刻蚀深度取决于光波导所要求的器件厚度；
步骤4：利用氧气等离子灰化方法去除残余的胶层；
步骤5：器件层涂胶保护，结合背后对准和深硅刻蚀技术，去除光波导器件下方的硅衬底层，实现悬空的氮化物薄膜；
步骤6：采用氮化物背后减薄方法，利用离子束轰击或反应离子束刻蚀技术，背后减薄氮化物，获得厚度可控的氮化物光波导器件；
（a）：如图1（a），光波导器件中光波导为完全悬空， 如图2（j）步骤实现；
（b）：如图1（b），光波导器件不需要支撑结构，并没有完全分离，如图2（h）步骤实现；
步骤7：利用氧气等离子灰化方法去除残余的胶层，实现悬空氮化物光波导器件。
Claims (5)
1.本发明提供悬空氮化物光波导器件及其制备方法，其特征在于：其结构由光波导器件（1）、椭圆形支撑结构（2）、耦合光栅（3）组成，光波导器件（1）与椭圆形支撑结构（2）相连接，两边的耦合光栅（3）与光波导器件（1）相靠近。
2.根据权利要求1所述的悬空氮化物光波导器件及其制备方法，其特征在于：该器件的材料由高折射率硅衬底层和氮化物器件层组成，在氮化物器件层上实现悬空氮化物光波导器件。
3.根据权利要求1所述的悬空氮化物光波导器件及其制备方法，其特征在于： 图1（a）将波导背后减薄至完全分离，在直的光波导器件中间具有椭圆形支撑结构，使光波导器件悬空；在图1（b）中，波导背后减薄，但是并没有完全分离，因此不需要椭圆形支撑结构，为直波导。
4.根据权利要求1所述的悬空氮化物光波导器件及其制备方法，其特征在于：该器件两边的光栅结构具有周期性，具有固定的长宽；与光波导靠近进行耦合。
5.一种悬空氮化物光波导器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：所述硅衬底氮化物晶片首先进行背后抛光减薄，以便利用背后深硅刻蚀技术，去除硅衬底层；
步骤2：在所述硅衬底氮化物晶片的顶层氮化物器件层涂胶，利用电子束曝光或光刻技术定义光波导器件结构；
步骤3：采用离子束轰击或反应离子束刻蚀技术将步骤2中的光波导器件结构转移至顶层氮化物器件层，刻蚀深度取决于光波导所要求的器件厚度；
步骤4：利用氧气等离子灰化方法去除残余的胶层；
步骤5：器件层涂胶保护，结合背后对准和深硅刻蚀技术，去除光波导器件下方的硅衬底层，实现悬空的氮化物薄膜；
步骤6：采用氮化物背后减薄方法，利用离子束轰击或反应离子束刻蚀技术，背后减薄氮化物，获得厚度可控的氮化物光波导器件；
（a）：如图1（a），光波导器件中光波导为完全悬空， 如图2（j）步骤实现；
（b）：如图1（b），光波导器件不需要支撑结构，并没有完全分离，如图2（h）步骤实现；
步骤7：利用氧气等离子灰化方法去除残余的胶层，实现悬空氮化物光波导器件。
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