CN111123616A - 一种基于硫化物-氮化硅混合波导及其制备方法 - Google Patents

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宋景翠
李朝晖
潘竞顺
曾平羊
杨泽林
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Abstract

本发明属于半导体技术领域，更具体地，涉及一种基于硫化物‑氮化硅混合波导及其制备方法。本发明中的复合波导结构包含上包层、芯层和下包层，采用硫化物材料为芯层，氮化硅材料为上下包层材料。制备方法是先在下包层材料上刻蚀出设计的波导槽，之后沉积芯层薄膜的结构，经过化学机械抛光获得设计厚度的芯层后再沉积上包层材料。本发明选择具有高声阻差的硫化物(纤芯)和氮化硅(包层)组成复合波导平台，通过干法刻蚀技术得到较为光滑的侧壁，并通过热蒸镀和回流方法处理硫化物芯层，可以降低由于刻蚀带来的侧壁散射损耗，显著增强光子和声子在波导中的相互作用，为实现高布里渊增益集成器件提供了基础。

Description

一种基于硫化物-氮化硅混合波导及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，更具体地，涉及一种基于硫化物-氮化硅混合波导及其制备方法。
背景技术
受激布里渊散射(Stimulated Brillouin scattering，SBS)是一种常见的三阶非线性效应，它描述了泵浦光和斯托克斯光通过声波进行的非线性相互作用。当介质中入射泵浦光能量较高时，由于电致伸缩效应产生声波，声波造成介质的介电常数发生变化，对介质的折射率产生周期性调制，导致泵浦光发生了布拉格衍射，衍射光即为斯托克斯光，由于多普勒效应，斯托克斯频率相对泵浦光频率有一定的频移量。研究者们开展了许多基于布里渊散射的应用研究，包括分布式传感、微波光子滤波器、慢光快光、窄线宽布里渊激光器、光存储等，然而，SBS的应用一般都是基于光纤，长度均为十几公里以上，极大的增加了系统的复杂度，而且不能满足光电集成器件发展需求，超长光纤不适合作为微型器件集成到集成的光电子器件中。为了满足对器件集成化的需求，研究者们开始研究具有高SBS增益的片上微纳结构器件，基质材料主要包括硅、二氧化硅以及硫化物材料。硅在通信波段有很强的双光子吸收，硅纳米线结构由于本身的增益系数特别低，虽然其具有较小的体积和较大的折射率，但是这种结构的增益很低。硅基波导实现SBS的难点在于衬底是二氧化硅，声场会发生泄漏，因此硅上实现SBS一般采用的结构都是悬空结构，要把下面的二氧化硅衬底掏空，这增加了器件制备的难度，悬空的结构很不稳定，极大地限制了其在实际系统中的应用。
硫化物材料是以硫元素结合锗、砷、锑等形成的一种非晶材料，具有较高的折射率，较低的双光子吸收系数和较高的非线性系数，是氧化硅材料的100倍，而且硫系材料相比于硅，氧化硅材料来说质软，声速更小，不需要悬空硫化物结构就可以实现对光场和声场的同时局限，因此硫化物是片上实现SBS的优选材料。因此，如何设计合理的波导结构实现光场和声场高效耦合，同时保证具有超低损耗是实现基于硫化物波导实现高SBS增益的难点和发展方向。
发明内容
本发明为克服上述现有技术中的缺陷，提供一种基于硫化物-氮化硅混合波导及其制备方法，显著降低制备波导的光学损耗，为实现硫系波导实现高SBS增益提供了基础。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于硫化物-氮化硅混合波导，该波导由上至下依次包括上包层、芯层和下包层，所述的芯层采用硫化物材料，所述的下包层和上包层采用氮化硅材料。
进一步的，所述的硫化物包含并不限于：所述的硫化物为硫化砷As-S、硒化砷As-Se、锗砷硒Ge-As-Se、砷碲硒As-Te-Se、锗砷硫Ge-As-S、锗锑硒Ge-Sb-Se、锗锑硫Ge-Sb-S中的任意一种或其组合。
本发明还提供一种基于硫化物-氮化硅混合波导的制备方法，首先在下包层材料上刻蚀出设计的波导槽，之后层积芯层薄膜结构，经过化学机械抛光得到设计厚度的芯层后再层积上包层材料。
进一步的，制备方法具体包括以下步骤：
S1.在衬底上利用低温化学气相沉积设备沉积氮化硅薄膜材料；
S2.利用步骤S1中的氮化硅薄膜制备沉积硫系薄膜的下包层凹槽结构；
S3.蒸镀硫系薄膜结构，严格控制薄膜厚度，填充下包层凹槽；
S4.在S3获得硫系薄膜结构上沉积氮化硅薄膜作为上包层。
作为优选的，所述的S1中衬底材质为氧化硅、硅、SOI、蓝宝石中的任意一种。
进一步的，所述的S2中氮化硅下包层凹槽结构的制备工艺包括：首先在清洗后的衬底上悬涂电子胶，适当温度烘干，冷却后进行曝光，之后用二甲苯进行显影，用干法刻蚀的方法刻蚀氮化硅的槽状结构；刻蚀完成后，将样品置去胶液中水浴浸泡后，通过氧气等离子体去除表面余胶。
作为优选的，所述的S2步骤中所用电子胶为ARP、HSQ，电子胶厚度范围为300～900纳米；曝光剂量为220-400uC/cm2；显影时间为85～95秒；烘干温度170～185度，烘干时间10分钟；显影时间50～100秒；刻蚀气体为氟基气体；下包层凹槽的刻蚀深度为500-1500nm，宽度为2-4um；去胶液为1165除胶剂，浸泡温度为45～55度，浸泡时间25～35分钟。
进一步的，所述的S3步骤具体包括：采用热蒸镀方法沉积硫化物薄膜，填充S2步骤获得氮化硅的槽状结构；通过化学机械研磨刨平硫系薄膜达到设计的硫系薄膜厚度，再通过化学气相沉积法沉积氮化硅薄膜，完成硫化物-氮化硅复合波导的制备。
作为优选的，所述的硫化物薄膜的层积厚度为0.5-1.5μm；沉积速度为氮化硅上包层厚度为1-3μm。
与现有技术相比，有益效果是：
1.本发明提出了一种基于硫化物-氮化硅混合波导的制备方法，制备出一种新的基于硫化物的额复合波导结构。硫化物声速大概为2200m/s，氮化硅声速为9000m/s，较大的声速差异可以实现对声场的局限，从而利用该复合材料结构实现对光场和声场的同时局限，可以实现较高的受激布里渊增益；
2.本发明采用先在包层材料上刻槽后沉积纤芯薄膜的方法制备，没有采用直接对硫系波导刻蚀，同时，采用的氮化硅的材料的本征损耗较低，利用干法刻蚀技术可以得到较为光滑的侧壁，硫系波导通过热蒸镀和回流的办法，避免了对硫系材料的直接刻蚀，可以降低由于刻蚀带来的侧壁散射损耗。该制备方案显著降低制备波导的光学损耗，为实现硫系波导实现高SBS增益提供了基础。
附图说明
图1是本发明方法流程示意图。
图2是实施例中复合波导进行测试开关增益结果示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。
实施例1：
如图1所示，一种基于硫化物-氮化硅混合波导的制备方法，该波导由上至下依次包括上包层、芯层和下包层，所述的芯层采用硫化物材料，所述的下包层和上包层采用氮化硅材料；制备方法是首先在下包层材料上刻蚀出设计的波导槽，之后层积芯层薄膜结构，经过化学机械抛光得到设计厚度的芯层后再层积上包层材料。具体包括以下步骤：
S1.在3微米厚度的氧化硅衬底上利用低温化学气相沉积设备沉积氮化硅薄膜材料；
S2.利用步骤S1中的氮化硅薄膜制备沉积硫系纤芯的结构；
S21.清洗氧化硅衬底材料，分别在丙酮、异丙醇、水中超声8～15分钟，然后浸在浓硫酸与双氧水体积比为3:1的混合溶液中10分钟，取出后用氮气枪吹干，并置于热板上烘干；
S22.待衬底冷却后，在3500～4500转速下悬涂ARP电子胶，胶厚为750～850纳米，匀胶完成后，170～185度烘干10分钟，待冷却后即可进行曝光；
S23.为了得到光滑的波导侧壁，同时保证电子胶曝光完全，要选取合适的电子胶曝光剂量，根据不同的结构选取的曝光剂量为320-360uC/cm2，曝光完成后，显影时间为85～95秒，并在异丙醇中定影25～35秒，用氮气枪吹干；
S24.用干法刻蚀的方法制备出氮化硅的槽状结构，刻蚀气体为氟基气体，可以得到较为垂直光滑的波导侧壁，刻蚀深度为500-700nm，宽度为2-4um，用来填充硫系材料，作为波导的纤芯结构；
S25.刻蚀完成后，将样品置于1165的去胶液中，45～55度水浴，时间25～35分钟，然后用氧气等离子体去除表面的残胶。
S3.蒸镀硫系纤芯结构，完成硫化物-氮化硅复合波导的制备；
S31.采用热蒸镀方法沉积500-700nm厚的硫化物薄膜，填充S2步骤制备的氮化硅的槽状结构，沉积速度为0.5～1.5A/s；
S32.蒸镀完成后，在薄膜的表面沉积一层氧化铝薄膜作为保护层，并在140～160度中退火12～14小时去除硫系材料不稳定的化学键；
S33.通过化学机械研磨刨平硫系薄膜的上表面，再通过化学气相沉积法沉积大概500nm-700nm氮化硅薄膜，完成硫化物-氮化硅复合波导的制备。如图2所示，对复合波导进行测试开关增益，通过泵浦7cm长的复合波导在7.6GHz附近获得约16dB的增益。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于硫化物-氮化硅混合波导，其特征在于，该波导由上至下依次包括上包层、芯层和下包层，所述的芯层采用硫化物材料，所述的下包层和上包层采用氮化硅材料。
2.根据权利要求1所述的基于硫化物-氮化硅混合波导，其特征在于，所述的硫化物为硫化砷As-S、硒化砷As-Se、锗砷硒Ge-As-Se、砷碲硒As-Te-Se、锗砷硫Ge-As-S、锗锑硒Ge-Sb-Se、锗锑硫Ge-Sb-S中的任意一种或其组合。
3.一种基于硫化物-氮化硅混合波导的制备方法，其特征在于，首先在下包层材料上刻蚀出设计的波导槽，之后层积芯层薄膜结构，经过化学机械抛光得到设计厚度的芯层后再层积上包层材料。
4.根据权利要求3所述的基于硫化物-氮化硅混合波导的制备方法，其特征在于，制备方法具体包括以下步骤：
S1.在衬底上利用低温化学气相沉积设备沉积氮化硅薄膜材料；
S2.利用步骤S1中的氮化硅薄膜制备沉积硫系薄膜的下包层凹槽结构；
S3.蒸镀硫系薄膜结构，填充下包层凹槽；
S4.在S3获得硫系薄膜结构上沉积氮化硅薄膜作为上包层。
5.根据权利要求4所述的基于硫化物-氮化硅混合波导的制备方法，其特征在于，所述的S1中衬底材质为氧化硅、硅、SOI、蓝宝石中的任意一种。
6.根据权利要求4所述的基于硫化物-氮化硅混合波导的制备方法，其特征在于，所述的S2中氮化硅下包层凹槽结构的制备工艺包括：首先在清洗后的衬底上悬涂电子胶，适当温度烘干，冷却后进行曝光，之后用二甲苯进行显影，用干法刻蚀的方法刻蚀氮化硅的槽状结构；刻蚀完成后，将样品置去胶液中水浴浸泡后，通过氧气等离子体去除表面余胶。
7.根据权利要求6所述的基于硫化物-氮化硅混合波导的制备方法，其特征在于，所述的S2步骤中所用电子胶为ARP、HSQ，电子胶厚度范围为300～900纳米；曝光剂量为220-400uC/cm2；曝光时间为85～95秒；显影时间50～100秒；刻蚀气体为氟基气体；下包层凹槽的刻蚀深度为500-1500nm，宽度为2-4um；去胶液为1165除胶剂，浸泡温度为45～55度，浸泡时间25～35分钟。
8.根据权利要求4所述的基于硫化物-氮化硅混合波导的制备方法，其特征在于，所述的S3步骤具体包括：采用热蒸镀方法沉积硫化物薄膜，填充S2步骤获得氮化硅的槽状结构；通过化学机械研磨刨平硫系薄膜达到设计的硫系薄膜厚度，再通过化学气相沉积法沉积氮化硅薄膜，完成硫化物-氮化硅复合波导的制备。
9.根据权利要求8所述的基于硫化物-氮化硅混合波导的制备方法，其特征在于，所述的硫化物薄膜的层积厚度为0.5-1.5μm；氮化硅上包层厚度为1-3μm。
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