CN117492138B - 相变光器件与光波导平台的异质集成方法及结构 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种相变光器件与光波导平台的异质集成方法、及相变材料与光波导平台的异质集成结构,所述方法的主要步骤包括在光波导上形成一层停止层和一层较厚的氧化层后,再通过开窗工艺将所述停止层和氧化层进行区域性的刻蚀,直至将该区域下的波导露出,然后通过溅射工艺将相变材料溅射至该窗口内的波导上,最后用溅射工艺将一层氧化层溅射至相变材料的上层实现覆盖进行保护。该方法能够实现相变材料与光波导平台的异质集成,让相变材料在该结构下能够进行稳定调制,同时能够保证相变材料在被调制过程中的完整性与稳定性,减少相变材料不可逆的损伤,延长相变材料的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及硅光工艺技术领域,具体而言,尤其涉及一种相变光器件与光波导平台的异质集成方法,及采用该方法所形成的相变材料与光波导平台的异质集成结构。
背景技术
微电子技术和集成电路的发展依赖特征尺寸的不断缩小和集成密度的不断增加。随着硅基器件的沟道尺寸不断接近物理极限,串扰、发热和功耗成为微电子技术难以解决的瓶颈。硅基光电子技术利用光子在速度、带宽和抗干扰方面的独特优势,同时具有与CMOS工艺兼容的集成工艺,可以突破集成电路的发展困境,进一步提升芯片的运算能力。有别于0和1组成的二进制电子计算体系,光子具有更多可控的调制和复用维度,例如相位、波长、偏振和传输模式等,在模拟计算和多比特计算上具有独特的优势,同时非常适用于大量的并行计算,是后摩尔时代集成电路发展的重要方向之一。
基于相变材料的新兴光子器件近年来得到广泛研究。相变材料具有读写速度快(纳秒量级)、循环次数高(>10^12次)、功耗低(零维持功耗)等特点,可与现有的 CMOS 工艺兼容,技术实现难度和产业成本较低。相变材料在晶态和非晶态时折射率或对光的吸收系数差别巨大,可以通过热、光、电等多种方式诱导进行相变,且具有稳定的特性。相变材料对于光场的静态非易失性的影响不需要静态偏置电压的保持,在室温下可以保持某一个状态不改变。因此基于相变材料的光学器件的理论静态控制能耗为零,大大降低了系统的能耗,也提高了系统的耐久性,强稳定性和对环境的适应性。
如何在成熟可用的商用氮化硅或SOI衬底上制备集成基于相变材料的光学器件是一大难题,目前主要的方法是通过先进磁控溅射或热蒸发工艺将多种相变材料沉积在波导表面,相变材料的溅射可以用单一靶材或者多靶材共溅射(可以调节组分和掺杂)来实现。磁控溅射技术为在真空中利用荷能粒子轰击靶表面,使被轰击出的粒子沉积在基片上的技术。利用磁控溅射技术在表面溅射一层相变材料薄膜之后,再溅射一层氧化层用于保护。虽然该方法能够实现相变材料与光波导的异质集成,但还存在以下问题:
1、在相变材料之后溅射的氧化层很薄(10 nm ~30nm),且氧化层紧接着相变材料进行溅射,没有重新进行光刻胶套刻,无法完全将相变材料包裹住,保护作用较低。
2、相变材料在调制(熔化/重结晶)后,由于材料在熔化后具有流动性会出现一定距离的移动,表面一层较薄的氧化层无法控制相变材料在调制之后的变化区域,可能会存在材料分离,甚至挥发的问题。
3、结构不稳定,较难实现商业化落地,只能用于科研。因为实际芯片中一般还包含位于光波导表面的氧化层以及嵌于该氧化层中的金属互连层。受现有的前后段工艺限制,相变材料并不能直接加入到芯片的制造流程中。现有的芯片制造流程工艺主要分为前段工艺和后段工艺,前段工艺包括晶圆加工、氧化工艺、光刻、刻蚀、沉积和掺杂/离子注入等工艺,而后段工艺主要是形成片上的金属互连层。由于前段工艺技术难点多,操作复杂,为了避免造成污染,相变材料不允许在前段工艺中集成在波导上。后段工艺中的介质层和金属化需要较高的工作温度,在该高温环境下对会影响相变材料集成的稳定性,因此相变材料也不被允许放在金属化之前。唯一可行的方式为在后段工艺完成后,通过刻蚀开窗口来进行相变材料和氧化层的沉积。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足,提供一种相变光器件与光波导平台的异质集成方法,及采用该异质集成方法所形成的光器件结构。
本发明的目的通过以下技术方案来实现:
一种相变光器件与光波导平台的异质集成方法,包括如下步骤:
S1、在衬底上集成光波导,形成光波导平台;
S2、在外露于所述衬底之上的光波导的外表面通过物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)方法形成停止层和氧化层;
S3、通过区域性刻蚀方法进行所述停止层和氧化层的开窗工艺,露出所述光波导;
S4、采用第一薄膜沉积工艺将相变材料通过物理气相沉积方法沉积至该窗口内露出的所述光波导的表面,形成相变材料薄膜;
S5、采用第二薄膜沉积工艺将与步骤S2中同样材质的氧化层通过物理气相沉积或化学气相沉积方法沉积至所述相变材料的上层实现覆盖,实现相变材料与光波导平台的异质集成。
优选的,所述步骤S4中,所述第一薄膜沉积工艺为磁控溅射工艺,其具体流程为:将经过步骤S3的光芯片放入真空腔后,开始将真空腔抽真空,达到1×10-6Torr的真空度后,通入氩气,并继续抽真空,保持工艺真空度低于3.5×10-3Torr;开启磁控溅射RF电源,功率控制在10-100W,控制形成的相变材料薄膜在1nm~1μm之间。
优选的,所述步骤S5中,所述第二薄膜沉积工艺为物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)工艺,其物理气相沉积(PVD)的具体流程为:将经过步骤S4的光芯片放入真空腔后,开始将真空腔抽真空,达到1×10-6Torr的真空度后,通入氩气,并继续抽真空,保持工艺真空度低于3.5×10-3Torr,开启磁控溅射RF电源,功率控制在10-200W,控制形成的氧化层薄膜的厚度在0.1~3μm之间;其化学气相沉积(CVD)的具体流程为:将经过步骤S4的光芯片放入真空腔后,开始将真空腔抽真空,达到1×10-6Torr的真空度后,加热衬底到150-350℃,通入N2、SiH4、N2O气体,保持沉积压力在0.2-2.0Torr,开启RF电源,功率控制在20-150W,控制形成的氧化层薄膜的厚度在0.1~3μm之间。
优选的,所述衬底为氮化硅衬底或SOI衬底。
优选的,所述光波导为条形波导或脊形波导。
优选的,所述光波导具有至少1eV的光带隙,所述光波导的材质选自:硅、氮化硅、氮化镓、砷化镓、氮化铝、氧化镁和多晶或单晶的金刚石。
优选的,所述氧化层的材质为氧化硅(SiO2),氧化铝(Al2O3)或ITO的其中一种。
优选的,所述停止层的材质为氮化硅(Si3N4)、氮化钛(TiN)的其中一种或多种。
优选的,所述相变材料可以为包含锑或硒的硫族化合物形成或包含所述硫族化合物,如硒化锑(Sb2Se3或 SbSe)、硫化锑 (Sb2S3或 SbS)、Ge2Sb2Se4Te(GSST);所述相变材料可以包括或由选自GeSbTe、VOx的元素组合的化合物或合金组成;NbOx、GeTe、GeSb、GaSb、AgInSbTe、 InSb、InSbTe、InSe、SbTe、TeGeSbS、AgSbSe、SbSe、GeSbMnSn、AgSbTe、AuSbTe和AlSb,所述相变材料可以包括上述化合物的混合物;所述相变材料可以是超晶格材料。
另外一种形式中,在步骤S3中,通过区域性刻蚀方法进行停止层和氧化层的开窗工艺,在所述光波导的上表面残留一层1nm~100nm厚的停止层,以至于所述步骤S4中采用溅射工艺将相变材料溅射至该窗口内的残留的停止层的上表面。
本发明还揭示了一种相变光器件与光波导平台的异质集成方法,包括如下步骤:
S1、提供光芯片预制件,所述光芯片预制件包括衬底,集成在所述衬底上的光波导,所述光波导的外表面通过物理气相沉积或化学气相沉积方法形成有停止层和氧化层,所述停止层和氧化层通过区域性刻蚀方法进行开窗工艺露出部分所述光波导;
S2、采用第一薄膜沉积工艺将相变材料通过物理气相沉积方法沉积至该窗口内露出的所述光波导的表面,形成相变材料薄膜;
S3、采用第二薄膜沉积工艺将与光芯片预制件中同样材质的氧化层通过物理气相沉积或化学气相沉积方法沉积所述相变材料的上层实现覆盖,实现相变材料与光波导平台的异质集成。
优选的,所述步骤S2中,所述第一薄膜沉积工艺为磁控溅射工艺,其具体流程为:将经过步骤S3的光芯片放入真空腔后,开始将真空腔抽真空,达到1×10-6Torr的真空度后,通入氩气,并继续抽真空,保持工艺真空度低于3.5×10-3Torr;开启磁控溅射RF电源,功率控制在10-100W,控制形成的相变材料薄膜在1nm~1μm之间。
优选的,所述步骤S3中,所述第二薄膜沉积工艺为物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)工艺,其物理气相沉积(PVD)的具体流程为:将经过步骤S4的光芯片放入真空腔后,开始将真空腔抽真空,达到1×10-6Torr的真空度后,通入氩气,并继续抽真空,保持工艺真空度低于3.5×10-3Torr,开启磁控溅射RF电源,功率控制在10-200W,控制形成的氧化层薄膜的厚度在0.1~3μm之间;其化学气相沉积(CVD)的具体流程为:将经过步骤S4的光芯片放入真空腔后,开始将真空腔抽真空,达到1×10-6Torr的真空度后,加热衬底到150-350℃,通入N2、SiH4、N2O气体,保持沉积压力在0.2-2.0Torr,开启RF电源,功率控制在20-150W,控制形成的氧化层薄膜的厚度在0.1~3μm之间。
本发明还揭示了一种相变材料与光波导平台的异质集成结构,由上述异质集成方法制成,所述异质集成结构包括衬底以及集成在所述衬底上的光波导,所述光波导的外表面通过物理气相沉积或化学气相沉积方法形成有停止层和氧化层,所述停止层和氧化层通过区域性刻蚀方法进行开窗工艺露出部分所述光波导,所述窗口内从内到外依次沉积有相变材料和氧化层,所述氧化层将所述相变材料的裸露外表面均实现覆盖。
优选的,所述光波导包括条形波导或脊形波导。
优选的,所述相变材料可以为包含锑或硒的硫族化合物形成或包含所述硫族化合物,如硒化锑(Sb2Se3或 SbSe)、硫化锑 (Sb2S3或 SbS)、Ge2Sb2Se4Te(GSST);所述相变材料可以包括或由选自GeSbTe、VOx的元素组合的化合物或合金组成;NbOx、GeTe、GeSb、GaSb、AgInSbTe、 InSb、InSbTe、InSe、SbTe、TeGeSbS、AgSbSe、SbSe、GeSbMnSn、AgSbTe、AuSbTe和AlSb,所述相变材料可以包括上述化合物的混合物;所述相变材料可以是超晶格材料。
优选的,所述氧化层的材质均相同,为氧化硅(SiO2),氧化铝(Al2O3)或ITO的其中一种。
优选的,所述停止层的材质为氮化硅(Si3N4)、氮化钛(TiN)的其中一种或多种。
本发明的有益效果主要体现在:
(1)解决了在商业化落地过程中相变材料如何稳定地与光波导集成的问题,使相变材料能够精准地对光波导上的光信号进行调制,同时能够保证相变材料在被调制过程中的完整性与稳定性,减少相变材料不可逆的损伤,延长相变材料的使用寿命。
(2)由本发明制成的相变材料与光波导平台的异质集成结构在熔化-结晶的循环调制过程中,其重新熔化或重新结晶后光功率保持在相同的水平,并且在循环调制过程中其光功率波动很小,相变材料在循环调制过程中表现稳定,在现有结构下能够对相变材料的状态进行稳定的调制。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明:
图1为本发明的流程示意图;
图2a、图2b、图2c、图2d、图2e分别为本发明以条形波导为例的相应各个步骤的示意性透视图;
图3为现有集成相变材料方法的循环调制光功率图;
图4为本发明所提出异质集成相变材料方法的循环调制光功率图;
图5a、图5b、图5c、图5d、图5e为本发明以脊形波导为例的相应各个步骤的示意性透视图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限于本发明,本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
如图1所示,本发明揭示了一种相变光器件与光波导平台的异质集成方法,包括如下步骤:
S1、在衬底1上集成光波导2,形成光波导平台;
S2、在外露于所述衬底1之上的光波导2的外表面通过物理气相沉积或化学气相沉积形成停止层和氧化层3;
S3、通过区域性刻蚀方法进行所述停止层和氧化层3的开窗工艺,露出原本被覆盖在所述氧化层3内的光波导2;
S4、采用第一薄膜沉积工艺将相变材料通过物理气相沉积方法沉积至该窗口内露出的所述光波导的表面,形成相变材料薄膜4;
S5、采用第二薄膜沉积工艺将与步骤S2中同样材质的氧化层3’沉积至所述相变材料的上层实现覆盖,实现相变材料与光波导平台的异质集成。
结合图2a-图2e具体解释如下。
如图2a所示,在衬底1上集成光波导2,形成具有光波导平台的光芯片。本发明中,所述衬底为氮化硅衬底或SOI衬底。所述光波导具有至少1eV的光带隙,所述光波导的材质选自:硅、氮化硅、氮化镓、砷化镓、氮化铝、氧化镁和金刚石(多晶或单晶)。本实施例以条形波导为例。该步骤采用通常的脉冲激光沉积技术(PLD)完成,例如中国专利 CN1487636A所揭示的工艺方法,在此不再赘述。
如图2b所示,在外露于所述衬底1之上的光波导2的外表面依次覆盖形成停止层和较厚的氧化层3。本发明中,所述停止层的作用是在波导上方设置一层用于隔离氧化层干法刻蚀工艺的隔离层,在进行氧化层干法刻蚀时,刻蚀到停止层后干法刻蚀会停止反应,从而实现对氧化层刻蚀而不影响波导本身的效果。所述较厚的氧化层的作用是保护波导以及金属互连层,同时起到使硅与金属互连层以及金属互连层之间相互绝缘的作用。本发明中,所述氧化层的材质为氧化硅(SiO2),氧化铝(Al2O3)或ITO的其中一种。所述停止层的材质为氮化硅(Si3N4)、氮化钛(TiN)的其中一种或多种。在本优选实施例中,所述氧化层的材质为氧化硅(SiO2),所述停止层的材质为氮化硅(Si3N4)。
所述停止层和氧化层都采用基本的覆膜工艺,其包括有很多种,包括真空蒸发、离子束溅射、磁控溅射、化学气相沉积CVD等。这种覆膜工艺的具体工艺参数的在不同的硅光流片厂都有一定的差异,是较为常见的现有技术,在此不再赘述。需要说明的是,在氧化层3进行沉积时,会采用常规的物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)工艺同时将金属互联层5沉积嵌于其中,且金属互连层与波导之间以通孔连接。
如图2c所示,通过区域性刻蚀方法进行所述停止层和氧化层3的开窗工艺,露出被覆盖在所述停止层和氧化层3内部的光波导2。露出光波导2的面积由需要镀附的相变材料的面积而定。目前常规的区域性刻蚀开窗工艺为干法刻蚀+湿法刻蚀结合或干法刻蚀+干法刻蚀的方式,通过干法刻蚀刻蚀需要开窗部分的氧化层,刻蚀到停止层截至,通过干法刻蚀或湿法刻蚀需要开窗部分的停止层至波导上方,具体参数不同硅光流片厂都有一定的差异,但主要视氧化层工艺、停止层工艺、干法刻蚀工艺、湿法刻蚀工艺而定,也是较为常见的现有技术,在此不再赘述。
在此工艺步骤中,唯一需要注意的是,区域性刻蚀开窗工艺必须避让所述金属互连层5和通孔,即不可将金属互连层5和通孔裸露在窗口中且金属互连层和通孔需要与开窗工艺所刻蚀区域有一定距离,具体距离大小依据不同硅光流片厂自身工艺水平确定。
本发明的重点在于:如图2d所示,采用第一溅射工艺将相变材料溅射至该窗口内露出的光波导的表面,形成相变材料薄膜4。
所述相变材料可以为包含锑或硒的硫族化合物形成或包含所述硫族化合物,如硒化锑(Sb2Se3或 SbSe)、硫化锑 (Sb2S3或 SbS)、Ge2Sb2Se4Te(GSST);所述相变材料可以包括或由选自GeSbTe、VOx的元素组合的化合物或合金组成;NbOx、GeTe、GeSb、GaSb、AgInSbTe、InSb、InSbTe、InSe、SbTe、TeGeSbS、AgSbSe、SbSe、GeSbMnSn、AgSbTe、AuSbTe和AlSb,所述相变材料可以包括上述化合物的混合物;所述相变材料可以是超晶格材料。
本发明中,所述第一薄膜沉积工艺为磁控溅射工艺,其具体流程为:将经过步骤S3的光芯片放入真空腔后,开始将真空腔抽真空,达到1×10-6Torr的真空度后,通入氩气,并继续抽真空,保持工艺真空度低于3.5×10-3Torr;开启磁控溅射RF电源,功率控制在10-100W,控制形成的相变材料薄膜在1nm~1μm之间。
如图2e所示,采用第二薄膜沉积工艺将与步骤S2中同样材质的氧化层3’沉积至所述相变材料的上层实现覆盖,实现相变材料与光波导平台的异质集成。第二薄膜沉积工艺为物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)工艺。
物理气相沉积(PVD)具体流程为:将经过步骤S4的光芯片放入真空腔后,开始将真空腔抽真空,达到1×10-6Torr的真空度后,通入氩气,并继续抽真空,保持工艺真空度低于3.5×10-3Torr,开启磁控溅射RF电源,功率控制在10-200W,控制形成的氧化层薄膜的厚度在0.1~3μm之间。
化学气相沉积(CVD)具体流程为:将经过步骤S4的光芯片放入真空腔后,开始将真空腔抽真空,达到1×10-6Torr的真空度后,加热衬底到150-350℃,通入N2、SiH4、N2O气体,保持沉积压力在0.2-2.0Torr,开启RF电源,功率控制在20-150W,控制形成的氧化层薄膜的厚度在0.1~3μm之间。
利用电压脉冲使波导上的相变材料在晶态与非晶态之间发生可逆相变,在晶态时通过波导的光功率较低,非晶态时通过波导的光功率较高。实验过程中,熔化(从晶态变化到非晶态)脉冲电压9V,持续时间200ns,结晶(从非晶态变化到晶态)脉冲电压3V,持续时间1μs。对相变材料做熔化和结晶的循环调制,并利用透过含相变材料光波导的光功率来表示相变材料的状态,得到如下循环调制光功率图,图3为现有常规的集成相变材料方法循环调制光功率图,图4为本发明所提出异质集成相变材料方法循环调制光功率图。
以下来对比图3和图4的实验结果。
在实验过程中均采用相同相变材料厚度(30nm), 相同调制器调制参数。从图3中可以看出,在现有集成相变材料方法下,对集成在光波导上的相变材料进行熔化-结晶的循环调制,在相变材料重新熔化或重新结晶后光功率并不能保持在相同的水平,并且在循环调制过程中其光功率波动较大,说明在调制过程中相变材料自身发生了性质上的改变,从而导致不能对相变材料的状态进行稳定的调制。而从图4中可以看出,在本专利所提出的异质集成相变材料方法下,在熔化-结晶的循环调制过程中,其重新熔化或重新结晶后光功率保持在相同的水平,并且在循环调制过程中其光功率波动很小,说明相变材料在循环调制过程中表现稳定,在现有结构下能够对相变材料的状态进行稳定的调制。
在实际工艺中,步骤S3的开窗工艺很难直接完美地开在光波导上方,即:没有多余的停止层和氧化层,也没有对光波导造成任何损伤。鉴于此,本发明的第二实施例中提出另一种相变材料与光波导的异质集成方法。
与优选实施例相比,区别在于:在步骤S3中,通过区域性刻蚀方法进行停止层和氧化层的开窗工艺,并不完全刻蚀掉光波导上方的停止层和氧化层,而是在所述光波导的上表面残留一层1nm~100nm厚的停止层。选择该停止层的厚度的原因:沉积在波导上的相变材料对波导中光的渐逝场产生影响,停止层越厚,相同状态相同厚度的相变材料能够影响到的渐逝场范围越小,从而能够调制的光信号光功率范围越小。因此在实际操作中,具体厚度需根据实际需求进行仿真来决定,同时其厚度也会受到后段开窗工艺极限的限制。
在此基础上,所述步骤S4中采用薄膜沉积工艺将相变材料溅射至该窗口内的停止层的上表面。
图5a-图5e的实施例以脊形波导为例。具体步骤与条形波导相同,在此不再赘述。
本发明还揭示了一种相变材料与光波导平台的异质集成结构,由上述异质集成方法制成,所述光器件包括衬底以及集成在所述衬底上的光波导,所述光波导的外表面通过物理气相沉积或化学气相沉积方法形成有停止层和氧化层,所述停止层和氧化层通过区域性刻蚀方法进行开窗工艺露出部分所述光波导,所述窗口内从内到外依次沉积有相变材料和氧化层,所述氧化层将所述相变材料的裸露外表面均实现覆盖。优选的,所述光波导包括条形波导或脊形波导。所述相变材料、氧化层、停止层的材料如前文所述,故不再赘述。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明,它们并非用以限制本发明的保护范围,凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (17)
1.相变光器件与光波导平台的异质集成方法,其特征在于:包括如下步骤,
S1、在衬底上集成光波导,形成光波导平台;
S2、在外露于所述衬底之上的光波导的外表面通过物理气相沉积或化学气相沉积方法依次形成停止层和氧化层;
S3、通过区域性刻蚀方法进行所述停止层和氧化层的开窗工艺,露出所述光波导,具体为,在所述光波导的上表面残留一层1nm~100nm厚的停止层;
S4、采用第一薄膜沉积工艺将相变材料通过物理气相沉积方法沉积至该开窗工艺的窗口内的残留的停止层的上表面,形成相变材料薄膜;
S5、采用第二薄膜沉积工艺将与步骤S2中同样材质的氧化层通过物理气相沉积或化学气相沉积方法沉积至所述相变材料的上层实现覆盖,实现相变材料与光波导平台的异质集成。
2.如权利要求1所述的相变光器件与光波导平台的异质集成方法,其特征在于:所述步骤S4中,所述第一薄膜沉积工艺为磁控溅射工艺,其具体流程为:将经过步骤S3的光芯片放入真空腔后,开始将真空腔抽真空,达到1×10-6Torr的真空度后,通入氩气,并继续抽真空,保持工艺真空度低于3.5×10-3Torr;开启磁控溅射RF电源,功率控制在10-100W,控制形成的相变材料薄膜在1nm~1μm之间。
3.如权利要求1所述的相变光器件与光波导平台的异质集成方法,其特征在于:所述步骤S5中,所述第二薄膜沉积工艺为物理气相沉积或化学气相沉积工艺,其物理气相沉积的具体流程为:将经过步骤S4的光芯片放入真空腔后,开始将真空腔抽真空,达到1×10-6Torr的真空度后,通入氩气,并继续抽真空,保持工艺真空度低于3.5×10-3Torr,开启磁控溅射RF电源,功率控制在10-200W,控制形成的氧化层薄膜的厚度在0.1~3μm之间;其化学气相沉积的具体流程为:将经过步骤S4的光芯片放入真空腔后,开始将真空腔抽真空,达到1×10-6Torr的真空度后,加热衬底到150-350℃,通入N2、SiH4、N2O气体,保持沉积压力在0.2-2.0Torr,开启RF电源,功率控制在20-150W,控制形成的氧化层薄膜的厚度在0.1~3μm之间。
4.如权利要求1所述的相变光器件与光波导平台的异质集成方法,其特征在于:所述衬底为氮化硅衬底或SOI衬底。
5.如权利要求1所述的相变光器件与光波导平台的异质集成方法,其特征在于:所述光波导为条形波导或脊形波导。
6.如权利要求5所述的相变光器件与光波导平台的异质集成方法,其特征在于:所述光波导具有至少1eV的光带隙,所述光波导的材质选自:硅、氮化硅、氮化镓、砷化镓、氮化铝、氧化镁和多晶或单晶的金刚石。
7.如权利要求1所述的相变光器件与光波导平台的异质集成方法,其特征在于:所述氧化层的材质为氧化硅,氧化铝或ITO的其中一种。
8.如权利要求1所述的相变光器件与光波导平台的异质集成方法,其特征在于:所述停止层的材质为氮化硅、氮化钛的其中一种或多种。
9.如权利要求1所述的相变光器件与光波导平台的异质集成方法,其特征在于:所述相变材料或为硒化锑、硫化锑、Ge2Sb2Se4Te;所述相变材料或由选自GeSbTe、VOx的元素组合的化合物或合金组成;NbOx、GeTe、GeSb、GaSb、AgInSbTe、 InSb、InSbTe、InSe、SbTe、TeGeSbS、AgSbSe、SbSe、GeSbMnSn、AgSbTe、AuSbTe和AlSb,所述相变材料或包括上述化合物的混合物;所述相变材料是超晶格材料。
10.相变光器件与光波导平台的异质集成方法,其特征在于:包括如下步骤,
S1、提供光芯片预制件,所述光芯片预制件包括衬底,集成在所述衬底上的光波导,所述光波导的外表面通过物理气相沉积或化学气相沉积方法形成有停止层和氧化层,所述停止层和氧化层通过区域性刻蚀方法进行开窗工艺露出部分所述光波导,具体为,在所述光波导的上表面残留一层1nm~100nm厚的停止层;
S2、采用第一薄膜沉积工艺将相变材料通过物理气相沉积方法沉积至该开窗工艺的窗口内的残留的停止层的上表面,形成相变材料薄膜;
S3、采用第二薄膜沉积工艺将与光芯片预制件中同样材质的氧化层通过物理气相沉积或化学气相沉积方法沉积所述相变材料的上层实现覆盖,实现相变材料与光波导平台的异质集成。
11.如权利要求10所述的相变光器件与光波导平台的异质集成方法,其特征在于:所述步骤S2中,所述第一薄膜沉积工艺为磁控溅射工艺,其具体流程为:将经过步骤S3的光芯片放入真空腔后,开始将真空腔抽真空,达到1×10-6Torr的真空度后,通入氩气,并继续抽真空,保持工艺真空度低于3.5×10-3Torr;开启磁控溅射RF电源,功率控制在10-100W,控制形成的相变材料薄膜在1nm~1μm之间。
12.如权利要求10所述的相变光器件与光波导平台的异质集成方法,其特征在于:所述步骤S3中,所述第二薄膜沉积工艺为物理气相沉积或化学气相沉积工艺,其物理气相沉积的具体流程为:将经过步骤S4的光芯片放入真空腔后,开始将真空腔抽真空,达到1×10-6Torr的真空度后,通入氩气,并继续抽真空,保持工艺真空度低于3.5×10-3Torr,开启磁控溅射RF电源,功率控制在10-200W,控制形成的氧化层薄膜的厚度在0.1~3μm之间;其化学气相沉积的具体流程为:将经过步骤S4的光芯片放入真空腔后,开始将真空腔抽真空,达到1×10-6Torr的真空度后,加热衬底到150-350℃,通入N2、SiH4、N2O气体,保持沉积压力在0.2-2.0Torr,开启RF电源,功率控制在20-150W,控制形成的氧化层薄膜的厚度在0.1~3μm之间。
13.一种相变光器件与光波导平台的异质集成结构,其特征在于:由权利要求1或10所述的异质集成方法制成,所述异质集成结构包括衬底以及集成在所述衬底上的光波导,所述光波导的外表面通过物理气相沉积或化学气相沉积方法形成有停止层和氧化层,所述停止层和氧化层通过区域性刻蚀方法进行开窗工艺露出部分所述光波导,所述开窗工艺的窗口内从内到外依次沉积有相变材料和氧化层,所述氧化层将所述相变材料的裸露外表面均实现覆盖。
14.如权利要求13所述的相变光器件与光波导平台的异质集成结构,其特征在于:所述光波导包括条形波导或脊形波导。
15.如权利要求13所述的相变光器件与光波导平台的异质集成结构,其特征在于:所述相变材料或为硒化锑、硫化锑、Ge2Sb2Se4Te;所述相变材料或由选自GeSbTe、VOx的元素组合的化合物或合金组成;NbOx、GeTe、GeSb、GaSb、AgInSbTe、 InSb、InSbTe、InSe、SbTe、TeGeSbS、AgSbSe、SbSe、GeSbMnSn、AgSbTe、AuSbTe和AlSb,所述相变材料或包括上述化合物的混合物;所述相变材料是超晶格材料。
16.如权利要求13所述的相变光器件与光波导平台的异质集成结构,其特征在于:所述氧化层的材质均相同,为氧化硅,氧化铝或ITO的其中一种。
17.如权利要求13所述的相变光器件与光波导平台的异质集成结构,其特征在于:所述停止层的材质为氮化硅、氮化钛的其中一种。
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