CN111487791B - 一种集成光学复合基板 - Google Patents
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Abstract
本申请公开一种集成光学复合基板，包括：单晶硅衬底、第一隔离层、第二隔离层、第三隔离层、有源层、光传输层和光调制层，其中，所述单晶硅衬底、第一隔离层、第二隔离层、第三隔离层和光调制层依次叠加；所述有源层嵌入所述第二隔离层，所述光传输层嵌入所述第三隔离层；所述第一隔离层、第二隔离层和第三隔离层的折射率均小于所述光传输层和所述光调制层的折射率。以解决现有光学基板在用于制备光集成器件时，需要外加光源，增加了光集成器件的体积以及使得器件制备工艺流程变得复杂的问题。
Description
技术领域
本申请涉及光学基板技术领域，具体的涉及一种集成光学复合基板。
背景技术
随着集成光学技术及器件的发展需求，对集成光学的基板材料也提出较高的需求。集成光学器件有望将光源、光的传输和光的调制功能进行集成，因此具备上述功能的集成光学材料成为研发热点。
目前，用于制备光集成器件的光学基板的结构通常为光传输层-光调制层，光传输层和光调制层只能用于光的传输和调制，完整的光集成器件还需要外加光源。外加光源不仅增加了光集成器件的体积，也使得器件制备工艺流程变得复杂。
因此，如何将光源集成在光学基板上，使得光学基板能够兼具发光和光传输的功能，已经成为亟需解决的问题。
发明内容
本申请提供一种集成光学复合基板，以解决现有光学基板在用于制备光集成器件时，需要外加光源，增加了光集成器件的体积以及使得器件制备工艺流程变得复杂的问题。
一种集成光学复合基板，包括：单晶硅衬底、第一隔离层、第二隔离层、第三隔离层、有源层、光传输层和光调制层，其中，所述单晶硅衬底、第一隔离层、第二隔离层、第三隔离层和光调制层依次叠加；
所述有源层嵌入所述第二隔离层，所述光传输层嵌入所述第三隔离层；
所述第一隔离层、第二隔离层和第三隔离层的折射率均小于所述光传输层和所述光调制层的折射率。
可选的，所述有源层与所述光传输层在所述单晶硅衬底上正投影的几何中心重合。
可选的，所述有源层和所述光传输层刻蚀为波导结构，所述波导结构包括：脊型波导、条形波导和弯曲波导。
可选的，所述集成光学复合基板包括至少两个所述有源层和至少两个所述光传输层的波导结构。
可选的，所述有源层的材料是InP、GaAs、GaInAsP、AlGaInAs、GaInSb和GaInAs中的一种；
所述第一隔离层、所述第二隔离层和所述第三隔离层的材料均是二氧化硅；
所述光传输层的材料是硅或氮化硅；
所述光调制层的材料是铌酸锂或钽酸锂。
可选的，所述有源层与所述第三隔离层接触，所述光传输层与所述光调制层接触。
可选的，所述有源层与所述第一隔离层接触，所述光传输层与所述第二隔离层接触。
可选的，所述有源层与所述光传输层之间的耦合厚度为50-500nm。
可选的，所述光传输层与所述光调制层之间的耦合厚度为50-200nm。
由以上技术方案可知，本申请提供的一种集成光学复合基板，包括：单晶硅衬底、第一隔离层、第二隔离层、第三隔离层、有源层、光传输层和光调制层，其中，所述单晶硅衬底、第一隔离层、第二隔离层、第三隔离层和光调制层依次叠加；所述有源层嵌入所述第二隔离层，所述光传输层嵌入所述第三隔离层；所述第一隔离层、第二隔离层和第三隔离层的折射率均小于所述光传输层和所述光调制层的折射率。本申请提供的集成光学复合基板，第一隔离层、第二隔离层和第三隔离层的折射率均小于光传输层的折射率和光调制层的折射率，由于有源层嵌设在第二隔离层内，因此，可使有源层发出的光被限制在第二隔离层内；另外，光传输层嵌设在第三隔离层内，可以使光在光传输层内传输时，防止光泄露至其它层；有源层发出的光耦合进光传输层，光经过光传输层到达光调制层，最后光从光调制层内对光信号进行调制。将有源层与光传输层和光调制层集成在同一个基板上，得到集成光学复合基板，此集成光学复合基板在制作光集成器件时，无需外加电源，可减小光集成器件的体积，简化制备工艺流程。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种集成光学复合基板的膜层结构图；
图2为本申请实施例提供的又一种集成光学复合基板的膜层结构图；
图3为本申请实施例提供的再一种集成光学复合基板的膜层结构图；
图4为图1所示集成光学复合基板的制备方法工艺流程图；
图5为图3所示集成光学复合基板的制备方法工艺流程图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
图1为本申请实施例提供的一种集成光学复合基板的膜层结构图。如图1所示，本申请提供的一种集成光学复合基板，包括：单晶硅衬底1、第一隔离层2、第二隔离层3、第三隔离层5、有源层4、光传输层6和光调制层7，其中，单晶硅衬底1、第一隔离层2、第二隔离层3、第三隔离层5和光调制层7依次叠加。有源层4嵌入第二隔离层3，光传输层6嵌入第三隔离层5。有源层4与第一隔离层2接触，光传输层6与第二隔离层3接触。第一隔离层2、第二隔离层3和第三隔离层5的折射率均小于光传输层6和光调制层7的折射率。有源层的材料是InP、GaAs、GaInAsP、AlGaInAs、GaInSb和GaInAs中的一种；第一隔离层、第二隔离层和第三隔离层的材料均是二氧化硅；光传输层的材料是硅或氮化硅；光调制层的材料是铌酸锂或钽酸锂。
本实施例提供的光学复合基板，有源层4是自发光材料，第一隔离层2、第二隔离层3和第三隔离层5的折射率均小于光传输层6和光调制层7的折射率，有源层4嵌设在第二隔离层内，光传输层6嵌设在第三隔离层内，光调制层7与光传输层6的折射率相对接近，有源层4发出的光经过第二隔离层3耦合进光传输层6，光通过第三隔离层5进入到光调制层7，在光调制层7内进行横向调制，可以实现光调制层7对光信号的调制作用。将有源层4与光传输层6和光调制层7集成在同一个基板上，得到集成光学复合基板，此集成光学复合基板在制作光集成器件时，无需外加电源，可减小光集成器件的体积，简化制备工艺流程。
有源层4与光传输层6在单晶硅衬底1上正投影的几何中心可以是重合的，有源层4在单晶硅衬底1上正投影的图形与光传输层6在单晶硅衬底1上正投影的图形重合，使光源层发出的光向正上方耦合至光传输层传输层中，减少光在耦合过程中的损失。
有源层4和光传输层6刻蚀为波导结构，波导结构包括：脊型波导、条形波导和弯曲波导。不同形状波导的有源层4和光传输层6可以满足不同光传输的需求，也可以增大有源层4的发光面积，增大光传输效率。
图2为本申请实施例提供的又一种集成光学复合基板的膜层结构图。如图2所示，集成光学复合基板包括至少两个有源层4和至少两个光传输层6的波导结构。多个有源层4和多个光传输层6的波导结构可以实现多通道光传输。
图3为本申请实施例提供的再一种集成光学复合基板的膜层结构图。如图3所示，有源层4与第三隔离层5接触，光传输层6与光调制层7接触。本实施例提供了另外一种有源层4嵌入第二隔离层3以及光传输层6嵌入第三隔离层5的方式，在保证有源层4与光传输层6具有一定耦合距离的同时，光传输层6与光调制层7直接接触，可以使得光传输层6内的光直接进入光调制层7进行调制。
如图1所示，有源层4与光传输层6之间的耦合厚度H1为50-500nm。光传输层6与光调制层7之间的耦合厚度H2为50-200nm。有源层4与光传输层6之间的耦合厚度H1过大，则会影响光耦合效果和效率，50-200nm可以既满足光耦合效率，又能起到隔离的作用，H1和H2的取值可以是60nm、100nm、150nm等。
第一隔离层2的厚度范围为100nm-5μm，例如，可以是2μm、3μm等。有源层4厚度的范围可以为10nm-5μm，例如，可以是500nm、600nm等；波导结构的宽度范围可以为10nm-5μm，例如，可以是600nm、700nm等。第二隔离层3的厚度范围可以为100nm-6μm，可以是600nm、700nm、800nm等。第三隔离层5的厚度范围可以为100nm-2μm，可以是610nm、700nm等。光传输层6厚度的范围可以为100nm-5μm，例如，可以是600nm、700nm等；宽度范围可以为10nm-5μm，可以是200nm。有源层4和光传输层6的厚度和宽度可以根据实际光电性能的需要进行设定，有源层4和光传输层6的宽度可以相同，本申请不作具体限定。光调制层7厚度的范围可以是10nm-5μm，可以是400nm等。
图4为图1所示集成光学复合基板的制备方法工艺流程图。如图4所示，本申请提供的一种集成光学复合基板的制备方法,包括如下步骤：
S1：在单晶硅衬底1上制备第一隔离层2。
单晶硅衬底1可以采用直径为3英寸，厚度为0.4mm的单晶硅晶圆。将单晶硅晶圆清洗后，对单晶硅晶圆较光滑的一侧进行热氧化处理，得到一层二氧化硅，这层二氧化硅作为第一隔离层2。
S2：在第一隔离层2上制备有源层4，并沉积第二隔离层3，使第二隔离层3包裹有源层4。
有源层4可以通过离子注入加键合的方式，键合在第一隔离层2上，再经过刻蚀工艺，将有源层4刻蚀成波导结构。波导结构的宽度范围可以为10nm-5μm，例如，可以是600nm、700nm等。
通过离子注入法，将氢离子(H+)注入到有源体材料的表面，有源体材料可以采用直径为3英寸的InP晶圆、GaAs晶圆、GaInAsP晶圆、AlGaInAs晶圆、GaInSb晶圆、GaInAs晶圆中的一种，氢离子的注入能量可以为100KeV，剂量可以为6×1016ions/cm2。经过氢离子注入后，在有源体材料的离子注入侧依次形成有源薄膜层、分离层和余料层，其中，有源薄膜层位于有源体材料的表面，注入的氢离子分布在分离层内。通过直接键合法、阳极键合法、低温键合法、真空键合法、等离子强化键合法和粘结键合法中的任意一种，将有源薄膜层和第一隔离层2键合在一起，以形成键合体，可以通过热剥离法将有源薄膜层从有源体材料上剥离下来，具体的，将键合体放置在加热设备内，在350℃-400℃的温度范围下保温至少4小时，直至在分离层处，余料层与有源薄膜层分离，有源薄膜层保留在键合体上。之后可以在有源薄膜层上涂覆光刻胶，对光刻胶进行曝光、显影等步骤，通过掩膜版将有源层4需要的形状转印在光刻胶上，之后对有源薄膜层进行干法刻蚀，将有源薄膜层刻蚀成波导结构，最后将光刻胶清洗掉，即可得到指定形状的有源层4。
在键合后，将键合体置于烘箱内，在500℃下保温4小时，可以消除离子注入造成的微结构损伤，以保全有源薄膜层的光电性能。
第二隔离层3可以通过等离子化学气象沉积的方式成膜，沉积温度范围可以为200-300℃，成膜后对第二隔离层3进行抛光，使得膜层表面更加平整，膜厚更加均匀，得到厚度范围为100nm-6μm的膜层，可以是600nm、700nm、800nm等。可以根据抛光机器的抛光能力，合理设定第二隔离层的成膜厚度；例如，当抛光后的第二隔离层3的膜层厚度需求为700nm时，根据实际抛光机器的抛光参数，反推出第二隔离层3的成膜厚度可以是1000nm。
S3：在第二隔离层3上制备光传输层6，并沉积第三隔离层5，使第三隔离层5包裹光传输层6。
光传输层6可以通过等离子化学气象沉积的方式成膜，成膜后可以对光传输层进行抛光，使得膜层表面更加平整，膜厚更加均匀。抛光后可以在光传输层6上涂覆光刻胶，对光刻胶进行曝光、显影等步骤，通过掩膜版将光传输层6需要的形状转印在光刻胶上，之后对光传输层6进行干法刻蚀，将光传输层6刻蚀成波导结构，最后将光刻胶清洗掉。波导结构的宽度范围可以为10nm-5μm，例如，可以是200nm。
第三隔离层5可以通过等离子化学气象沉积的方式成膜，沉积温度范围可以为200-300℃，成膜后可以对第三隔离层进行抛光，使得膜层表面更加平整，膜厚更加均匀。
S4：在第三隔离层5上制备光调制层7，得到集成光学复合基板。
光调制层7的厚度范围可以为10nm-5μm。光调制层7可以通过离子注入加键合的方式，键合在第三隔离层5上。
通过将氦离子(He+)注入到在光调制体材料的表面，氦离子的注入能量可以为100KeV，剂量可以为6×1016ions/cm2，经过氦离子注入后，光调制体材料可以采用直径为3英寸的铌酸锂晶圆或钽酸锂晶圆。在光调制体材料的离子注入侧依次形成余料层、分离层和光调制层7。其中，光调制层7位于光调制体材料的表面，注入的氦离子位于分离层内。通过直接键合法、阳极键合法、低温键合法、真空键合法、等离子强化键合法和粘结键合法中的任意一种，将光调制层7与第三隔离层5键合在一起，形成键合体，通过热剥离法，将光调制层7从光调制体材料上剥离下来，具体的，将键合体放置在加热设备内，在350℃-400℃的温度范围下保温至少4小时，直至在分离层处，余料层与光调制层7分离，光调制层7保留在键合体上。
在另外一种工艺流程中，可以在单晶硅衬底上形成中间隔离层，中间隔离层可以通过热氧化的方式得到，中间隔离层是二氧化硅。将氦离子注入到光调制体材料的表面，在光调制体材料的离子注入侧依次形成余料层、分离层和光调制层，利用键合法，将光调制层与中间隔离层键合在一起，再将余料层从分离层处与光调制层剥离开；最后，将光调制层与第三隔离层键合在一起，可以通过背面刻蚀的方式将中间隔离层剥离掉，得到集成光学复合基板。本工艺流程引入中间隔离层，通过两次键合，将光调制层键合在第三隔离层上，通过背面刻蚀的方式去掉中间隔离层，工艺上容易实现，且精度容易控制。
图5为图3所示集成光学复合基板的制备方法工艺流程图。如图5所示，本申请提供的再一种集成光学复合基板的制备方法,包括如下步骤：
S10：在光调制体材料8上制备光调制层7。
通过将氦离子(He+)注入到在光调制体材料8的表面，在光调制体材料8的离子注入侧依次形成余料层、分离层和光调制层7，光调制层7位于光调制体材料8的表面。
S20：在光调制层7上制备光传输层6，并沉积第三隔离层5，使第三隔离层5包裹光传输层6。
光传输层6可以通过等离子化学气象沉积的方式成膜，成膜后可以对光传输层进行抛光，使得膜层表面更加平整，膜厚更加均匀。抛光后经过刻蚀工艺，将光传输层6刻蚀成波导结构。波导结构宽度范围可以为10nm-5μm，例如，可以是200nm。
第三隔离层5也可以通过等离子化学气象沉积的方式成膜，成膜后可以对第三隔离层5进行抛光。
S30：在第三隔离层5上制备有源层4，并沉积第二隔离层3，使第二隔离层3包裹有源层4。
有源层4可以通过离子注入的方式得到，具体的，将氢离子注入到有源体材料的表面，在有源体材料的离子注入侧依次形成余料层、分离层和有源薄膜层，有源薄膜层位于有源体材料的表面。通过键合的方式将有源薄膜层键合在第三隔离层5上，再经过刻蚀工艺，将有源薄膜层刻蚀成波导结构，形成有源层4。波导结构的宽度范围可以为10nm-5μm，例如，可以是600nm、700nm等。有源层4和光传输层6的厚度和宽度可以根据实际光电性能的需要进行设定，有源层4和光传输层6的宽度可以相同，本申请不作具体限定。
第二隔离层3可以通过等离子化学气象沉积的方式成膜，沉积温度范围可以为200-300℃，成膜后可以经过抛光工艺，使得膜层表面更加平整，膜厚更加均匀。
S40：在第二隔离层3上制备第一隔离层2。
可以在单晶硅衬底1上制备第一隔离层2。再通过键合的方式将第一隔离层2键合在第二隔离层3上。
S50：去掉光调制体材料，得到集成光学复合基板。
通过热剥离的方式，在350℃-400℃的温度范围下保温至少4小时，直至余料层从分离层处与光调制层7分离。
图4和图5所示的集成光学复合基板的制备方法只是示意性的，本申请不作具体限定。
本申请提供的集成光学复合基板，第一隔离层、第二隔离层和第三隔离层的折射率均小于光传输层的折射率和光调制层的折射率，由于有源层嵌设在第二隔离层内，因此，可使有源层发出的光被限制在第二隔离层内；另外，光传输层嵌设在第三隔离层内，可以使光在光传输层内传输时，防止光泄露至其它层；有源层发出的光耦合进光传输层，光经过光传输层到达光调制层，最后光从光调制层内对光信号进行调制。将有源层与光传输层和光调制层集成在同一个基板上，得到集成光学复合基板，此集成光学复合基板在制作光集成器件时，无需外加电源，可减小光集成器件的体积，简化制备工艺流程。
本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。尤其，对于实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例中的说明即可。
Claims (6)
1.一种集成光学复合基板，其特征在于，包括：单晶硅衬底、第一隔离层、第二隔离层、第三隔离层、有源层、光传输层和光调制层，其中，所述单晶硅衬底、第一隔离层、第二隔离层、第三隔离层和光调制层依次叠加；
所述有源层嵌入所述第二隔离层，所述光传输层嵌入所述第三隔离层，所述有源层与所述光传输层在所述单晶硅衬底上正投影的几何中心重合；
所述第一隔离层、第二隔离层和第三隔离层的折射率均小于所述光传输层和所述光调制层的折射率；
所述有源层与所述光传输层之间的耦合厚度为50-500nm, 所述光传输层与所述光调制层之间的耦合厚度为50-200nm。
2.根据权利要求1所述的集成光学复合基板，其特征在于，所述有源层和所述光传输层刻蚀为波导结构。
3.根据权利要求2所述的集成光学复合基板，其特征在于，所述集成光学复合基板包括至少两个所述有源层和至少两个所述光传输层的波导结构。
4.根据权利要求1所述的集成光学复合基板，其特征在于，所述有源层的材料是InP、GaAs、GaInAsP、AlGaInAs、GaInSb和GaInAs中的一种；
所述第一隔离层、所述第二隔离层和所述第三隔离层的材料均是二氧化硅；
所述光传输层的材料是硅或氮化硅；
所述光调制层的材料是铌酸锂或钽酸锂。
5.根据权利要求1所述的集成光学复合基板，其特征在于，所述有源层与所述第三隔离层接触，所述光传输层与所述光调制层接触。
6.根据权利要求1所述的集成光学复合基板，其特征在于，所述有源层与所述第一隔离层接触，所述光传输层与所述第二隔离层接触。
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