CN112415653A - 一种硅基光波导和石墨烯光电混频器集成芯片与制备方法 - Google Patents
一种硅基光波导和石墨烯光电混频器集成芯片与制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种硅基光波导和石墨烯光电混频器集成芯片与制备方法，其结构包括垂直耦合光栅、硅基光波导器件、硅基光波导和石墨烯光电混频器；其中垂直耦合光栅为调制光信号输入口、光信号通过硅基光波导输入到硅基光波导器件进行处理，处理后输入到石墨烯光电混频器，石墨烯光电混频器对探测到的光信号进行光电转换，栅电极为微波本振信号输入口，微波本振信号与光电转换后的信号进行混频得到中频信号，中频信号由漏电极输出。本发明通过将石墨烯光电混频器与硅基光波导器件进行集成，可同时实现信号处理、探测和混频功能，且集成后混频效率更高；石墨烯光电混频器采用基于HSQ的钝化方法，工艺简单，一次成形，对石墨烯无损伤。
Description
技术领域
本发明属于集成微波光子信号处理技术领域，具体涉及一种硅基光波导和石墨烯光电混频器集成芯片与制备方法。
背景技术
光子技术具带宽大、传输损耗低、抗电磁干扰、可调谐等突出优势，将光子技术与射频微波技术融合交叉，产生了微波光子技术。通过将射频微波信号调制在激光上，便可在光频上实现信号产生、调制、处理、长距离低损耗传输等功能，是引领未来通信行业及雷达、电子战等军用领域的关键技术。微波光子信号处理作为研究热点之一，目前已实现了众多光子信号处理功能，有光混频、光滤波、光开关、光延时、微分、积分和希尔伯特变换等。此外，作为微波光子通信链路的接收端，一般需要实现微波混频、滤波、光电转换功能。光电混频技术是微波光子系统中必不可少的一部分，是卫星天线光纤拉远系统、光载无线系统和微波光子雷达等应用系统中的功能单元之一。一般地，接收机接收到的射频信号频率是不固定的，需要将高频的信号变频到低频或者基带进行处理。目前光电混频器主要是由InP外延材料实现，因为三五族外延材料同时具有良好的光响应特性和频率特性。目前，基于InP/InGaAs材料体系的HBT或者HEMT光电晶体管可以实现载波频率60GHz的光电混频，使用UTC-PD可实现频率100GHz的混频，但器件材料结构复杂，工艺步骤繁多，且系统噪声系数偏高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硅基光波导和石墨烯光电混频器集成芯片与制备方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种硅基光波导和石墨烯光电混频器集成芯片，包括垂直耦合光栅、硅基光波导器件、硅基光波导和石墨烯光电混频器；其中垂直耦合光栅为调制光信号输入口，光信号通过硅基光波导输入到硅基光波导器件进行处理，处理后通过光波导输入到石墨烯光电混频器，石墨烯光电混频器对探测到的光信号进行光电转换，栅电极为微波本振信号输入口，微波本振信号与光电转换后的信号进行混频得到中频信号，中频信号由漏电极输出。
进一步的，硅基光波导采用SOI衬底材料，所述光波导器件为微环谐振器、马赫曾德尔干涉仪或多模干涉耦合器。
进一步的，所述石墨烯光电混频器的石墨烯薄膜与氧化硅盖层间有一薄层BCB，栅电极在石墨烯薄膜上方，中间为栅介质层。
进一步的，所述石墨烯光电混频器采用HSQ作为器件的钝化层。
一种硅基光波导和石墨烯光电混频器集成芯片的制备方法，包括如下步骤：
1)在SOI衬底材料上采用电子束曝光显影技术制备出光波导的电子束胶掩膜图形，以电子束胶为掩膜采用感应耦合等离子体刻蚀出光波导，并去胶清洗；
2)采用电子束曝光显影技术制备出垂直耦合光栅的电子束胶掩膜图形，以电子束胶为掩膜采用感应耦合等离子体刻蚀出垂直耦合光栅，并去胶清洗；
3)生长氧化硅盖层介质，并采用化学机械抛光工艺对晶圆进行抛光；
4)采用涂覆工艺在盖层介质表面涂覆一层BCB薄膜并固化；
5)采用湿法金转移工艺转移石墨烯薄膜到材料芯片表面，烘干后依次用丙酮、乙醇进行浸泡清洗，并采用烘箱长时间烘烤；
6)采用平面光刻显影技术制备出石墨烯图形的光刻胶掩膜，再腐金并氧化完成石墨烯的图形化；
7)采用平面光刻显影技术制备出源漏电极图形，采用电子束蒸发和剥离工艺制备出源漏电极；
8)采用电子束曝光显影技术制备出栅电极电子束胶掩膜图形，再腐金使得栅电极处的石墨烯裸露出来，生长一层高k绝缘材料作为栅介质，并采用电子束蒸发和剥离工艺制备出栅电极；
9)涂覆HSQ电子束负胶，并采用电子束曝光显影技术制备出钝化保护层。
进一步的，所述步骤1)和步骤2)采用ZEP 520A或者AR-P 6200电子束正胶；所述步骤1)和步骤2)刻蚀采用的气体为氯气和氩气的混合气体，刻蚀深度分别为220和80纳米。
进一步的，所述步骤4)BCB薄膜的厚度2-10纳米。
进一步的，所述步骤5)烘箱烘烤温度为90摄氏度，时间大于12小时。
进一步的，所述步骤7)源漏电极金属为20纳米钛和300纳米金；所述步骤8)栅电极金属为20纳米钛和500纳米金。
进一步的，所述步骤8)采用原子层沉积生长氧化铝或者氧化哈作为栅介质，厚度5-15纳米；所述步骤9)HSQ钝化层厚度为550-800纳米。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：
(1)通过将石墨烯光电混频器与硅基光波导器件进行集成，可同时实现信号处理、探测和混频功能，且集成后混频效率更高；
(2)石墨烯光电混频器采用基于HSQ的钝化方法，工艺简单，一次成形，对石墨烯无损伤。
附图说明
图1是SOI衬底材料示意图。
图2是硅波导制备示意图。
图3是垂直耦合光栅制备示意图。
图4是氧化硅盖层介质制备示意图。
图5是涂覆固化BCB薄膜的示意图。
图6是石墨烯转移和图形化示意图。
图7是源漏电极制备示意图。
图8是栅电极制备示意图。
图9是光波导与石墨烯光电混频器集成芯片截面结构示意图。
图10是光波导与石墨烯光电混频器集成芯片示意图。
图中：1-垂直耦合光栅、2-硅基光波导器件、3-硅基光波导、4-石墨烯光电混频器、5-源电极、6-漏电极、7-栅电极、8-输入调制光信号、9-输入微波本振信号、10-输出中频信号。
具体实施方式
石墨烯作为一种二维材料，具有良好的光响应特性。石墨烯对光的吸收谱非常宽，覆盖了可见光和近红外光，器件的电学带宽只受限于RC常数，理论带宽可高达500GHz。利用石墨烯晶体管的射频光电子特性和非线性，制作石墨烯光电混频器，并与硅基光波导器件进行集成，实现优势互补的石墨烯-硅光电子集成芯片。
本发明提出一种硅基光波导和石墨烯光电混频器集成芯片与制备方法，针对石墨烯晶体管的射频光电子特性和非线性优势，并与硅基光子波导器件进行集成，实现石墨烯-硅基光电子集成芯片，这一设计可实现宽带的信号处理、探测和混频功能。
如图10所示，硅基光波导和石墨烯光电混频器集成芯片，其衬底材料为SOI材料，其结构包括垂直耦合光栅1、硅基光波导器件2、硅基光波导3和石墨烯光电混频器4；其中垂直耦合光栅1为调制光信号8输入口、光信号通过硅基光波导3输入到硅基光波导器件2进行处理，处理后通过光波导输入到石墨烯光电混频器4，石墨烯光电混频器对探测到的光信号进行光电转换，栅电极7为微波本振信号9输入口，微波本振信号与光电转换后的信号进行混频得到中频信号10，中频信号由漏电极6输出。
所述的光波导器件2可以是微环谐振器、马赫曾德尔干涉仪和多模干涉耦合器等，根据实际功能需求更改，可以是滤波、延时等。
所述的石墨烯光电混频器4的石墨烯薄膜与氧化硅盖层间有一薄层BCB，栅电极在石墨烯薄膜上方，中间为栅介质层，如图9所示。
其制备方法，具体包括如下步骤：
1)先在如图1所示的SOI衬底材料上采用电子束曝光显影技术制备出光波导的电子束胶掩膜图形，电子束胶采用ZEP 520A或者AR-P 6200，以电子束胶为掩膜采用基于氯气和氩气的感应耦合等离子体刻蚀出光波导，刻蚀深度220纳米，并用依次用N-甲基吡咯烷酮、丙酮、乙醇去除剩余的光刻胶，如图2所示；
2)采用电子束曝光显影技术制备出垂直耦合光栅的电子束胶掩膜图形，电子束胶采用ZEP 520A或者AR-P 6200，以电子束胶为掩膜采用基于氯气和氩气的感应耦合等离子体刻蚀出垂直耦合光栅，刻蚀深度80纳米，并用依次用N-甲基吡咯烷酮、丙酮、乙醇去除剩余的光刻胶，如图3所示；
3)采用等离子体增强化学气相沉积生长1-2微米氧化硅盖层介质，并采用化学机械抛光工艺对晶圆进行抛光，如图4所示；
4)采用涂覆工艺在盖层介质表面涂覆一层BCB薄膜并固化，BCB厚度2-10纳米，如图5所示；
5)采用湿法金转移工艺转移石墨烯薄膜到材料芯片表面，烘干后依次用丙酮、乙醇进行浸泡清洗，并采用烘箱长时间烘烤，烘烤温度为90摄氏度，时间大于12小时；
6)采用平面光刻显影技术制备出石墨烯图形的光刻胶掩膜，再采用腐金液将石墨烯表面的金腐蚀掉，并采用氧等离子体打胶去除部分石墨烯完成石墨烯的图形化，如图6所示；
7)采用平面光刻显影技术制备出源漏电极图形，蒸发20纳米钛和300纳米金作为源漏金属，剥离制备出源漏电极，如图7所示；
8)采用电子束曝光显影技术制备出栅电极电子束胶掩膜图形，再采用腐金液将栅电极处石墨烯表面的金腐蚀掉，再采用原子层沉积生长一层氧化铝或者氧化哈作为栅介质，栅介质厚度5-15纳米，并采用电子束蒸发依次蒸发20纳米钛和500纳米金，采用剥离工艺制备栅电极，如图8所示；
9)涂覆550-800纳米厚的HSQ电子束负胶，并采用电子束曝光显影技术制备出钝化保护层，完成集成芯片的制备，集成芯片的截面结构和正面示意图分别如图9和图10所示。
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图10所示，硅基光波导和石墨烯光电混频器集成芯片，其衬底材料为SOI材料，其结构包括垂直耦合光栅1、硅基光波导器件2、硅基光波导3和石墨烯光电混频器4；其中垂直耦合光栅1为调制光信号8输入口、光信号通过硅基光波导3输入到硅基光波导器件2进行处理，处理后通过光波导输入到石墨烯光电混频器4，石墨烯光电混频器对探测到的光信号进行光电转换，栅电极7为微波本振信号9输入口，微波本振信号与光电转换后的信号进行混频得到中频信号10，中频信号由漏电极6输出。
所述的光波导器件2可以是微环谐振器、马赫曾德尔干涉仪和多模干涉耦合器等，根据实际功能需求更改，可以是滤波、延时等。
所述的石墨烯光电混频器4的石墨烯薄膜与氧化硅盖层间有一薄层BCB，栅电极在石墨烯薄膜上方，中间为栅介质层，如图9所示。
其制备方法，具体包括如下步骤：
1)先在SOI衬底材料上采用电子束曝光显影技术制备出光波导的电子束胶掩膜图形，电子束胶采用ZEP 520A，以电子束胶为掩膜采用基于氯气和氩气的感应耦合等离子体刻蚀出光波导，刻蚀深度220纳米，并用依次用N-甲基吡咯烷酮、丙酮、乙醇去除剩余的光刻胶；
2)采用电子束曝光显影技术制备出垂直耦合光栅的电子束胶掩膜图形，电子束胶采用ZEP 520A，以电子束胶为掩膜采用基于氯气和氩气的感应耦合等离子体刻蚀出垂直耦合光栅，刻蚀深度80纳米，并用依次用N-甲基吡咯烷酮、丙酮、乙醇去除剩余的光刻胶；
3)采用等离子体增强化学气相沉积生长1.5微米氧化硅盖层介质，并采用化学机械抛光工艺对晶圆进行抛光；
4)采用涂覆工艺在盖层介质表面涂覆一层BCB薄膜并固化，BCB厚度5纳米；
5)采用湿法金转移工艺转移石墨烯薄膜到材料芯片表面，烘干后依次用丙酮、乙醇进行浸泡清洗，并采用烘箱长时间烘烤，烘烤温度为90摄氏度，时间14小时；
6)采用平面光刻显影技术制备出石墨烯图形的光刻胶掩膜，再采用腐金液将石墨烯表面的金腐蚀掉，并采用氧等离子体打胶去除部分石墨烯完成石墨烯的图形化；
7)采用平面光刻显影技术制备出源漏电极图形，蒸发20纳米钛和300纳米金作为源漏金属，剥离制备出源漏电极；
8)采用电子束曝光显影技术制备出栅电极电子束胶掩膜图形，再采用腐金液将栅电极处石墨烯表面的金腐蚀掉，再采用原子层沉积(ALD)生长一层氧化铝或者氧化哈作为栅介质，栅介质厚度9纳米，并采用电子束蒸发依次蒸发20纳米钛和500纳米金，采用剥离工艺制备栅电极；
9)涂覆600纳米厚的HSQ电子束负胶，并采用电子束曝光显影技术制备出钝化保护层，完成集成芯片的制备。
Claims (10)
1.一种硅基光波导和石墨烯光电混频器集成芯片，其特征在于，包括垂直耦合光栅(1)、硅基光波导器件(2)、硅基光波导(3)和石墨烯光电混频器(4)；其中垂直耦合光栅(1)为调制光信号输入口，光信号通过硅基光波导(3)输入到硅基光波导器件(2)进行处理，处理后通过光波导输入到石墨烯光电混频器(4)，石墨烯光电混频器(4)对探测到的光信号进行光电转换，栅电极(7)为微波本振信号输入口，微波本振信号与光电转换后的信号进行混频得到中频信号，中频信号由漏电极(6)输出。
2.根据权利要求1所述的硅基光波导和石墨烯光电混频器集成芯片，其特征在于，硅基光波导(3)采用SOI衬底材料，所述硅基光波导器件(2)为微环谐振器、马赫曾德尔干涉仪或多模干涉耦合器。
3.根据权利要求1所述的硅基光波导和石墨烯光电混频器集成芯片，其特征在于，所述石墨烯光电混频器(4)的石墨烯薄膜与氧化硅盖层间有一薄层BCB，栅电极(7)在石墨烯薄膜上方，中间为栅介质层。
4.根据权利要求1所述的硅基光波导和石墨烯光电混频器集成芯片，其特征在于，所述石墨烯光电混频器(4)采用HSQ作为器件的钝化层。
5.一种如权利要求1所述硅基光波导和石墨烯光电混频器集成芯片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在SOI衬底材料上采用电子束曝光显影技术制备出光波导的电子束胶掩膜图形，以电子束胶为掩膜采用感应耦合等离子体刻蚀出光波导，并去胶清洗；
2)采用电子束曝光显影技术制备出垂直耦合光栅的电子束胶掩膜图形，以电子束胶为掩膜采用感应耦合等离子体刻蚀出垂直耦合光栅，并去胶清洗；
3)生长氧化硅盖层介质，并采用化学机械抛光工艺对晶圆进行抛光；
4)采用涂覆工艺在盖层介质表面涂覆一层BCB薄膜并固化；
5)采用湿法金转移工艺转移石墨烯薄膜到材料芯片表面，烘干后依次用丙酮、乙醇进行浸泡清洗，并采用烘箱长时间烘烤；
6)采用平面光刻显影技术制备出石墨烯图形的光刻胶掩膜，再腐金并氧化完成石墨烯的图形化；
7)采用平面光刻显影技术制备出源漏电极图形，采用电子束蒸发和剥离工艺制备出源漏电极；
8)采用电子束曝光显影技术制备出栅电极电子束胶掩膜图形，再腐金使得栅电极处的石墨烯裸露出来，生长一层高k绝缘材料作为栅介质，并采用电子束蒸发和剥离工艺制备出栅电极；
9)涂覆HSQ电子束负胶，并采用电子束曝光显影技术制备出钝化保护层。
6.如权利要求5所述的硅基光波导和石墨烯光电混频器集成芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤1)和步骤2)采用ZEP 520A或者AR-P 6200电子束正胶；所述步骤1)和步骤2)刻蚀采用的气体为氯气和氩气的混合气体，刻蚀深度分别为220和80纳米。
7.如权利要求5所述的硅基光波导和石墨烯光电混频器集成芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤4)BCB薄膜的厚度2-10纳米。
8.如权利要求5所述的硅基光波导和石墨烯光电混频器集成芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤5)烘箱烘烤温度为90摄氏度，时间大于12小时。
9.如权利要求5所述的硅基光波导和石墨烯光电混频器集成芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤7)源漏电极金属为20纳米钛和300纳米金；所述步骤8)栅电极金属为20纳米钛和500纳米金。
10.如权利要求5所述的硅基光波导和石墨烯光电混频器集成芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤8)采用原子层沉积生长氧化铝或者氧化哈作为栅介质，厚度5-15纳米；所述步骤9)HSQ钝化层厚度为550-800纳米。
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