CN115951454A - 铌酸锂-氮化硅波导与激光器异质集成结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

铌酸锂-氮化硅波导与激光器异质集成结构及其制备方法

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：

步骤11、初次清洗：先采用NH₄OH-HF混合液湿法清洗所述铌酸锂波导晶圆片表面和氮化硅薄膜表面，再用水再次清洗两个表面；

步骤12、O₂等离子体表面活化处理：初次清洗完后，在含O₂等离子体氛围下对所述铌酸锂波导晶圆片和所述氮化硅薄膜表面进行清洁和活化处理；

步骤13、湿法溶液表面清洗：用RCA溶液对所述铌酸锂波导晶圆片和所述氮化硅薄膜表面进行清洗和羟基钝化处理；

步骤14、第一次键合：所述铌酸锂波导晶圆片的铌酸锂薄膜和所述氮化硅薄膜表面预先对准，再在第一键合温度和第一键合压力下键合第一时间，然后退火后冷却至室温，在室温下放置24h-72h后完成第一次键合；

步骤15、氮化硅衬底去除。

进一步地，所述氮化硅薄膜为LPCVD氮化硅薄膜、PECVD氮化硅薄膜或PVD氮化硅薄膜。

进一步地，所述铌酸锂-氮化硅混合波导中所述氮化硅层的折射率等于所述铌酸锂波导层的折射率。

进一步地，所述步骤14中，所述第一键合温度为250℃-300℃；所述第一键合压力为0.5Mpa-1.5Mpa；所述第一时间为30min-60min；退火温度为400℃-800℃；退火时间为5h-10h。

进一步地，所述第二次键合方式为超真空室温键合方式、表面活化键合方式、等离子活化键合方式或BCB类聚合物键合方式中的一种。

进一步地，所述第二次键合方式为BCB类聚合物键合方式；

所述步骤2具体包括如下步骤：

步骤21、初次清洗：将第一次键合完成后形成的所述铌酸锂-氮化硅混合波导作为初始材料，采用RCA溶液对所述铌酸锂-氮化硅混合波导表面进行清洗；

步骤22、BCB旋涂固化：将BCB胶均匀旋涂在所述铌酸锂-氮化硅混合波导的氮化硅层的上表层，烘烤，冷却至室温完成固化；

步骤23、III-V族激光器清洗：用标准清洗液对III-V族激光器表面进行清洗，干燥；

步骤24、第二次键合：将清洗后的所述铌酸锂-氮化硅混合波导的表面和所述III-V族激光器的表面预先对准，再在第二键合温度和第二键合压力下键合第二时间，然后冷却至室温完成第二次键合；

步骤25、激光器衬底去除。

进一步地，所述步骤23中，所述标准清洗液包括第一标准清洗液和第二标准清洗液，用所述第一标准清洗液和第二标准清洗液先后对所述III-V族激光器表面进行清洗；所述第一标准清洗液包括HCL和H₂O；所述第二标准清洗液包括H₂SO₄、H₂O₂和去离子水；

和/或，所述步骤24中，所述第二键合温度为200℃-300℃；所述第二键合压力为150 KPa-250Kpa；所述第二时间为0.5h-1.5h；所述第二次键合在N₂氛围下进行。

根据本发明的第二方面，本发明还提供一种铌酸锂-氮化硅波导与激光器异质集成结构，采用上述的制备方法制备而成。

本发明提供的一种铌酸锂-氮化硅波导与激光器异质集成结构的制备方法先在铌酸锂波导晶圆片上以第一次键合方式将氮化硅薄膜与铌酸锂薄膜混合集成，形成铌酸锂-氮化硅混合波导，能降低传输损耗，改善铌酸锂刻蚀难度问题，增加调制器等光器件的调制效率，再通过第二次键合方式将III-V族激光器集成到铌酸锂-氮化硅混合波导上，形成铌酸锂-氮化硅波导与激光器异质集成结构，使得光源更高效耦合进入波导，解决LNOI平台光源发射问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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是本发明提供的一种铌酸锂-氮化硅波导与激光器异质集成结构的结构示意图；

图2是本发明提供的一种铌酸锂-氮化硅波导与激光器异质集成结构制备方法中形成铌酸锂-氮化硅混合波导的流程示意图；

图3是本发明提供的一种铌酸锂-氮化硅波导与激光器异质集成结构制备方法中形成铌酸锂-氮化硅波导与激光器异质集成结构的流程示意图；

图4是本发明提供的一种铌酸锂-氮化硅波导与激光器异质集成结构在氮化硅薄膜波导层厚度为100nm下带入Lumerical中进行光场模式仿真结果图；

图5是本发明提供的一种铌酸锂-氮化硅波导与激光器异质集成结构在氮化硅薄膜波导层厚度为700nm下带入Lumerical中进行光场模式仿真结果图。

附图标记：1：LN衬底层；2：埋氧层；3：铌酸锂波导层；4：氮化硅层；5：III-V族激光器层；51：n型InP层；52：In-As/Al-Ga活性层：53：其他功能层；6：P电极；7：N电极。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明的一些具体实施例，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，如图1所示，该铌酸锂-氮化硅波导与激光器异质集成结构自下而上包括LN衬底层1、埋氧层2、铌酸锂波导层3、氮化硅层4和III-V族激光器层5。其中，铌酸锂波导层3的厚度为100nm-600nm，氮化硅层4的厚度为200nm-800nm；铌酸锂波导层3的宽度宽度为200nm-1000nm，以使分布在铌酸锂波导层中的光场能量低于分布在铌酸锂-氮化硅混合波导中的总光场能量的5%。

上述实施例中，铌酸锂波导极度适合做调制器，但是其面临波导损耗大、无法做光源等问题，本发明的铌酸锂-氮化硅波导与激光器异质集成结构在铌酸锂波导层3上集成氮化硅层4形成铌酸锂-氮化硅混合波导，同时将铌酸锂波导层3的厚度、宽度和氮化硅层4的厚度限定在合理的范围值内，能降低传输损耗，改善铌酸锂刻蚀难度问题，增加调制器等光器件的调制效率，同时在铌酸锂-氮化硅混合波导上集成III-V族激光器层5，使得光源更高效耦合进入波导，解决LNOI平台光源发射问题。

根据本发明的一些具体实施例，III-V族激光器层5为InP激光器层。

根据本发明的一些具体实施例，如图1所示，III-V族激光器层5由n型InP层51、In-As/Al-Ga活性层52和其他功能层53构成。该铌酸锂-氮化硅波导与激光器异质集成结构还包括P电极和N电极，P电极6设置于其他功能层53，N电极7设置于n型InP层51上表面。

上述实施例中，从铌酸锂-氮化硅混合波导透过耦合层先耦合进入其正上方的n型InP层51，再进入In-As/Al-Ga活性层52、其他功能层53，在其他功能层53、n型InP层51之间产生光电流，并由P电极、N电极输出。其他功能层53可以是由InP组成的波导层，无源器件等。

在一些具体实施例中，埋氧层2为二氧化硅层。

在一些具体实施例中，如图1所示，铌酸锂波导层3为脊型波导层。氮化硅层4为平板波导层。

根据本发明的一些具体实施例，本发明还提供一种铌酸锂-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3的厚度为100nm-600nm，氮化硅层4的厚度为200nm-800nm；铌酸锂波导层3的宽度为200nm-1000nm，以使分布在铌酸锂波导层3中的光场能量低于分布在铌酸锂-氮化硅混合波导中的总光场能量的5%；

步骤2：再在铌酸锂-氮化硅混合波导的氮化硅层4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。

上述实施例中，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先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，同时设定铌酸锂-氮化硅混合波导中铌酸锂波导层3的厚度为100nm-600nm，氮化硅层4的厚度为200nm-800nm，且设计铌酸锂波导层3的宽度以满足分布在铌酸锂波导层3中的光场能量低于分布在铌酸锂-氮化硅混合波导中的总光场能量的5%，这样能降低传输损耗，改善铌酸锂刻蚀难度问题，增加调制器等光器件的调制效率，再通过第二次键合方式将III-V族激光器集成到铌酸锂-氮化硅混合波导上，形成铌酸锂-氮化硅波导与激光器异质集成结构，使得光源更高效耦合进入波导，解决LNOI平台光源发射问题。本发明通过详细给出在铌酸锂上双重键合氮化硅和III-V族激光器的方案，克服了铌酸锂波导平台的两个问题，如果只键合氮化硅，则铌酸锂平台无法实现激光器的集成，同样的如果只键合III-V族激光器，则面临传输损耗大的难题。

根据本发明的一些具体实施例，III-V族激光器为In-P激光器。

根据本发明的一些具体实施例，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。

上述实施例中，通过选定合适的键合方式，能够更有效地使铌酸锂和氮化硅通过范德华力、分子力甚至原子力键合成为一体，从而能更好地降低传输损耗，改善铌酸锂刻蚀难度问题，增加调制器等光器件的调制效率。

根据本发明的一些具体实施例，第一次键合方式为等离子活化键合方式；

步骤1的工艺流程图如图2所示，具体包括如下步骤：

步骤11、初次清洗：先采用NH₄OH-HF混合液湿法清洗铌酸锂波导晶圆片表面和氮化硅薄膜表面，再用水再次清洗两个表面。

步骤12、O₂等离子体表面活化：初次清洗完后，在含O₂等离子体氛围下对铌酸锂波导晶圆片和氮化硅薄膜表面进行清洁和活化处理。

步骤13、湿法溶液表面清洗：用RCA溶液对铌酸锂波导晶圆片和氮化硅薄膜表面进行清洗和羟基钝化处理。

步骤14、第一次键合：铌酸锂波导晶圆片的铌酸锂薄膜和氮化硅薄膜表面预先对准，再在第一键合温度和第一键合压力下键合第一时间，然后退火后冷却至室温，在室温下放置24h-72h后完成第一次键合。

步骤15、氮化硅衬底去除。需要说明的是，氮化硅薄膜一般包括含硅、含氧化硅的衬底结构和设置在衬底结构上的氮化硅，氮化硅衬底去除是指去除含硅、含氧化硅的衬底结构。

上述实施例中，步骤1依次包括初次清洗、O₂等离子体表面活化、湿法溶液表面清洗、第一次键合和衬底去除的步骤，通过这些步骤的相互紧密衔接，能够将氮化硅通过键合方式有效地集成在铌酸锂波导晶圆片的铌酸锂薄膜上，进而形成铌酸锂-氮化硅混合波导，能降低传输损耗，改善铌酸锂刻蚀难度问题，增加调制器等光器件的调制效率。初次清洗中采用NH₄OH-HF混合液湿法清洗铌酸锂波导晶圆片表面和氮化硅薄膜表面，NH₄OH-HF混合液能有效去除吸附在被清洗物体表面上的杂质及油污发生化学反应或溶解作用，使杂质从被清除物体的表面脱附(解吸)，然后用大量高纯去离子水冲洗，从而获得洁净表面，进而有利于后续表面的活化。初次清洗完后，在含O₂等离子体氛围下对铌酸锂波导晶圆片和氮化硅薄膜表面进行清洁和活化处理，等离子体具有高能量可以通过物理作用轰击铌酸锂波导晶圆片和氮化硅薄膜表面使铌酸锂波导晶圆片和氮化硅薄膜表面的污染物从表面脱落，进一步地对铌酸锂波导晶圆片和氮化硅薄膜表面进行清洁，更有利于后续表面的活化，同时等离子体能使铌酸锂波导晶圆片和氮化硅薄膜表面聚合物被等离子体的原子取代，从而提高表面能的过程，进而有利于后续表面的键合。O₂等离子体处理后，用RCA溶液对铌酸锂波导晶圆片和氮化硅薄膜表面进行清洗和羟基钝化处理，有利于后续表面的键合。第一次键合过程中，铌酸锂波导晶圆片的铌酸锂薄膜和氮化硅薄膜表面预先对准，有利于精准键合，提供键合效率，再在第一键合温度和第一键合压力下键合第一时间，然后退火后冷却至室温，进行退火处理能消除缺陷及平整化，实现光滑处理，以改善膜层质量，在室温下放置24h-72h后完成第一次键合。第一次键合完成后，去除氮化硅衬底，以使铌酸锂薄膜表面集成氮化硅薄膜，得到性能优异的铌酸锂-氮化硅混合波导。

根据本发明的一些具体实施例，氮化硅薄膜为LPCVD氮化硅薄膜、PECVD氮化硅薄膜或PVD氮化硅薄膜。

上述实施例中，通过选择合理类型的氮化硅薄膜，更有利于氮化硅与铌酸锂薄膜表面的键合，提高第一次键合的键合效率。

根据本发明的一些具体实施例，铌酸锂-氮化硅混合波导中氮化硅层4的折射率等于铌酸锂波导层3的折射率。在一些具体实施例中，氮化硅层4的折射率为2.15-2.25，进一步地，氮化硅层4的折射率为2.2。在氮化硅薄膜制备过程中通过控制Si-N比来调控氮化硅薄膜的折射率。

上述实施例中，通过限定氮化硅层4的折射率等于铌酸锂波导层3的折射率，与铌酸锂波导层3的折射率相匹配，以保证大部分光仍在LiNbO₃波导中正常传播的，显著降低因表面粗糙度带来的散射损耗。

根据本发明的一些具体实施例，步骤14中，第一键合温度为250℃-300℃；第一键合压力为0.5Mpa-1.5Mpa；第一时间为30min-60min；退火温度为400℃-800℃；退火时间为5h-10h。

上述实施例中，通过将步骤14中第一键合温度、第一键合压力、第一时间、退火温度和退火时间限定在合理的范围值内，有利于提高第一次键合反应的效率，降低散射损耗，得到性能优异的铌酸锂-氮化硅混合波导。

根据本发明的一些具体实施例，第二次键合方式为超真空室温键合方式、表面活化键合方式、等离子活化键合方式或BCB类聚合物键合方式中的一种。

上述实施例中，通过选定合适的键合方式，能够更有效地使氮化硅层4和激光器膜层通过范德华力、分子力甚至原子力键合成为一体，使得光源更高效耦合进入波导，解决LNOI平台光源发射问题。

根据本发明的一些具体实施例，第二次键合方式为BCB类聚合物键合方式；

步骤2的工艺流程图如图3所示，具体包括如下步骤：

步骤21、初次清洗：将第一次键合完成后形成的铌酸锂-氮化硅混合波导作为初始材料，采用RCA溶液对铌酸锂-氮化硅混合波导表面进行清洗。

步骤22、BCB旋涂固化：将BCB胶均匀旋涂在铌酸锂-氮化硅混合波导的氮化硅层4的上表层，烘烤，冷却至室温完成固化。

步骤23、III-V族激光器清洗：用标准清洗液对III-V族激光器表面进行清洗，干燥。

步骤24、第二次键合：将清洗后的铌酸锂-氮化硅混合波导的表面和III-V族激光器的表面预先对准，再在第二键合温度和第二键合压力下键合第二时间，然后冷却至室温完成第二次键合。

步骤25、激光器衬底去除。需要说明的是，III-V族激光器一般包括含硅、含氧化硅的衬底结构和设置在衬底结构上的III-V族器件层，激光器衬底去除是指去除含硅、含氧化硅的衬底结构。

上述实施例中，步骤2依次包括初次清洗、BCB旋涂固化、激光器清洗、第二次键合和衬底去除的步骤，通过这些步骤的相互紧密衔接，能够将III-V族激光器通过键合方式有效地集成在铌酸锂-氮化硅混合波导的氮化硅层4上，进而形成铌酸锂-氮化硅波导与激光器异质集成结构，使得光源更高效耦合进入波导，解决LNOI平台光源发射问题。初次清洗中采用RCA溶液对铌酸锂-氮化硅混合波导表面进行清洗，RCA溶液能有效去除吸附在被清洗物体表面上的杂质从而获得洁净表面，进而有利于后续表面的键合。初次清洗完后，将BCB胶均匀旋涂在铌酸锂-氮化硅混合波导的氮化硅层4的上表层，烘烤，冷却至室温完成固化，BCB胶能够在较低的固化温度下(200℃～300℃)实现键合，相比于其他键合方式，其对表面平整度的要求不高且其固化之前具有流动性。激光器清洗过程中用标准清洗液对III-V族激光器表面进行清洗，干燥，标准清洗液能有效去除吸附在III-V族激光器表面上的杂质从而获得洁净表面，进而有利于后续表面的键合。对铌酸锂-氮化硅混合波导和激光器表面进行清洗完毕后，将铌酸锂-氮化硅混合波导的表面和III-V族激光器的表面预先对准，有利于精准键合，提供键合效率，再在第二键合温度和第二键合压力下键合第二时间，然后冷却至室温完成第二次键合。第二次键合完成后，去除III-V族激光器衬底，以使铌酸锂-氮化硅混合波导的氮化硅层4表面集成III-V族激光器层5，得到性能优异的铌酸锂-氮化硅波导与激光器异质集成结构。

根据本发明的一些具体实施例，步骤23中，标准清洗液包括第一标准清洗液和第二标准清洗液，用第一标准清洗液和第二标准清洗液先后对III-V族激光器表面进行清洗；第一标准清洗液包括HCL和H₂O；第二标准清洗液包括H₂SO₄、H₂O₂和去离子水。

上述实施例中，步骤23中，标准清洗液包括第一标准清洗液和第二标准清洗液，用第一标准清洗液和第二标准清洗液先后对III-V族激光器表面进行清洗，能够使得III-V族激光器表面得到更加清洁，更有利于后续键合反应的进行。进一步限定第一标准清洗液包括HCL和H₂O，第二标准清洗液包括H₂SO₄、H₂O₂和去离子水，能够使得III-V族激光器表面的杂质得到更有效地去除。

根据本发明的一些具体实施例，步骤24中，第二键合温度为200℃-300℃；第二键合压力为150KPa-250Kpa；第二时间为0.5h-1.5h；第二次键合在N₂氛围下进行。

上述实施例中，通过对步骤24中，第一键合温度、第二键合压力、第二时间、第二次键合氛围的进一步合理限定，有利于提供第二次键合反应的效率，使得光源更高效耦合进入波导，解决LNOI平台光源发射问题，得到性能优异的铌酸锂-氮化硅混合波导。

根据本发明的一些具体实施例，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，其具体包括如下步骤：

步骤11、初次清洗：先采用NH₄OH（35%）-HF混合液湿法清洗铌酸锂波导晶圆片表面和氮化硅薄膜表面，再用去离子水再次清洗两个表面。

步骤12、O₂等离子体表面活化：初次清洗完后，在含O₂等离子体氛围下对铌酸锂波导晶圆片和氮化硅薄膜表面进行清洁和活化处理。

步骤13、RCA溶液清洗：用RCA溶液（NH₄OH+H₂O₂+去离子水）在80℃下对O₂等离子体处理后的铌酸锂波导晶圆片和氮化硅薄膜表面进行清洗和羟基钝化处理，15min后烘干。

步骤14、第一次键合：铌酸锂波导晶圆片的铌酸锂薄膜和氮化硅薄膜表面预先对准，再在第一键合温度250℃-300℃下施加第一键合压力1MPa键合30min-60min，然后在退火温度为400℃-800℃下退火8h，冷却至室温，在室温下放置48h后完成第一次键合。

步骤15、氮化硅衬底去除，形成铌酸锂-氮化硅混合波导。

步骤21、初次清洗：将第一次键合完成后形成的铌酸锂-氮化硅混合波导作为初始材料，采用RCA溶液（NH₄OH+H₂O₂+去离子水）在80℃下对铌酸锂-氮化硅混合波导表面进行清洗。

步骤22、BCB旋涂固化：将BCB胶均匀旋涂在铌酸锂-氮化硅混合波导的氮化硅层4的上表层，在160℃下烘烤15min，冷却至室温完成固化。

步骤23、激光器清洗：用标准清洗液对InP激光器表面进行清洗，15min后干燥。标准清洗液包括第一标准清洗液和第二标准清洗液，用第一标准清洗液和第二标准清洗液先后对InP激光器表面进行清洗；第一标准清洗液包括HCL和H₂O；第二标准清洗液包括H₂SO₄、H₂O₂和去离子水。

步骤24、第二次键合：将清洗后的铌酸锂-氮化硅混合波导的表面和InP激光器的表面在键合机台上预先对准，再在第二键合温度250℃下保持第二键合压力200KPa，同时键合腔室N₂氛围键合1h，然后冷却至室温完成第二次键合。

步骤25、InP激光器衬底去除：用HCL去除InP激光器衬底，形成铌酸锂-氮化硅波导与激光器异质集成结构。

本实施例采用在铌酸锂波导晶圆片上混合波导及激光器双重键合异质集成的方法，不但可以键合形成rib型铌酸锂-氮化硅混合波导，降低传输损耗，改善铌酸锂刻蚀难度问题，增加调制器等光器件的调制效率；同时，通过铌酸锂-氮化硅混合波导与III-V族激光器层5的第二次键合使得光源更高效耦合进入波导，解决LNOI平台光源发射问题。

将本发明的铌酸锂-氮化硅波导与激光器异质集成结构带入Lumerical中进行光场模式仿真，可模拟出铌酸锂波导层3在宽度900nm，600nm厚度条件下，键合氮化硅后光模场的变化情况，仿真结果如下图4和图5所示，表明氮化硅层4厚度在<100nm条件下，光在铌酸锂波导层3内的传输基本不受影响，散射损耗依然大，氮化硅层4厚度在700nm条件下，光主要在氮化硅平板层，能显著降低侧壁散射损耗，所以，铌酸锂-氮化硅波导与激光器异质集成结构中氮化硅层4的厚度为200nm-800nm比较适宜，同时，通过铌酸锂-氮化硅混合波导与III-V族激光器层5的第二次键合使得光源更高效耦合进入波导。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种铌酸锂-氮化硅波导与激光器异质集成结构的制备方法，其特征在于，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。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述III-V族激光器为In-P激光器。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，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。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，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：

步骤11、初次清洗：以铌酸锂波导晶圆片为初始材料，先采用NH₄OH-HF混合液湿法清洗所述铌酸锂波导晶圆片表面和氮化硅薄膜表面，再用水再次清洗两个表面；

步骤12、O₂等离子体表面活化：初次清洗完后，在含O₂等离子体氛围下对所述铌酸锂波导晶圆片和所述氮化硅薄膜表面进行清洁和活化处理；

步骤13、湿法溶液表面清洗：用RCA溶液对所述铌酸锂波导晶圆片和所述氮化硅薄膜表面进行清洗和羟基钝化处理；

步骤14、第一次键合：所述铌酸锂波导晶圆片的铌酸锂薄膜和所述氮化硅薄膜表面预先对准，再在第一键合温度和第一键合压力下键合第一时间，然后退火后冷却至室温，在室温下放置24h-72h后完成第一次键合；

步骤15、氮化硅衬底去除。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述氮化硅薄膜为LPCVD氮化硅薄膜、PECVD氮化硅薄膜或PVD氮化硅薄膜；

和/或，所述铌酸锂-氮化硅混合波导中所述氮化硅层的折射率等于所述铌酸锂波导层的折射率。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤14中，所述第一键合温度为250℃-300℃；所述第一键合压力为0.5Mpa-1.5Mpa；所述第一时间为30min-60min；退火温度为400℃-800℃；退火时间为5h-10h。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第二次键合方式为超真空室温键合方式、表面活化键合方式、等离子活化键合方式或BCB类聚合物键合方式中的一种。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述第二次键合方式为BCB类聚合物键合方式；

所述步骤2具体包括如下步骤：

步骤21、初次清洗：将第一次键合完成后形成的所述铌酸锂-氮化硅混合波导作为初始材料，采用RCA溶液对所述铌酸锂-氮化硅混合波导表面进行清洗；

步骤22、BCB旋涂固化：将BCB胶均匀旋涂在所述铌酸锂-氮化硅混合波导的氮化硅层的上表层，烘烤，冷却至室温完成固化；

步骤23、III-V族激光器清洗：用标准清洗液对III-V族激光器表面进行清洗，干燥；

步骤24、第二次键合：将清洗后的所述铌酸锂-氮化硅混合波导的表面和所述III-V族激光器的表面预先对准，再在第二键合温度和第二键合压力下键合第二时间，然后冷却至室温完成第二次键合；

步骤25、激光器衬底去除。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤23中，所述标准清洗液包括第一标准清洗液和第二标准清洗液，用所述第一标准清洗液和第二标准清洗液先后对所述III-V族激光器表面进行清洗；所述第一标准清洗液包括HCL和H₂O；所述第二标准清洗液包括H₂SO₄、H₂O₂和去离子水；

和/或，所述步骤24中，所述第二键合温度为200℃-300℃；所述第二键合压力为150KPa-250Kpa；所述第二时间为0.5h-1.5h；所述第二次键合在N₂氛围下进行。

10.一种铌酸锂-氮化硅波导与激光器异质集成结构，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的制备方法制备而成。

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