CN117706810A - 一种混合型非刻蚀掺钪氮化铝电光调制器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种混合型非刻蚀掺钪氮化铝电光调制器及制备方法，涉及电光调制器技术领域。所述调制器包括：首先，公开一种使用氮化硅做脊波导的氮化硅‑氮化铝薄膜电光调制器，仅刻蚀氮化硅，对限制在氮化硅脊波导与氮化铝薄膜内的准TE模式的光模场进行调制。此外，还公开一种混合型非晶硅‑掺钪氮化铝薄膜‑单晶硅槽波导电光调制器，通过简单地蚀刻非晶硅层来实现对准TM模式的光模场的约束与调制。本发明能够通过掺杂钪提升电光系数，并利用不刻蚀掺钪氮化铝的波导结构，规避了刻蚀导致的掺钪氮化铝波导传播损耗过大，调制器性能衰减的问题，提高调制效率。
Description
技术领域
本发明涉及电光调制器技术领域，特别是涉及一种混合型非刻蚀掺钪氮化铝电光调制器及制备方法。
背景技术
电光调制器是构成集成硅光子系统的关键组件之一。近年来，2μm至20μm之间的中红外波段由于其在成像，传感，光谱学，光通信和数据互联中广泛的应用而受到越来越多的关注。例如，一个电光调制器可以取代斩波器，它与锁相放大器的结合可以提高传感电路的信噪比。此外，电光调制器可以在片上光束转向系统中充当移相器，用于激光雷达和热成像。波导是光电集成系统中最基本的元件之一，开发具有低损耗、高约束和可调谐特性的新型中红外波导具有广阔的应用前景。
根据不同的光学导波介质和相应的调制机理，已报道的中红外电光调制器主要可分为以下几类。
1)基于硅，锗材料的等离子体色散效应的电光调制器。硅电折射调制器作为2μm通信波段的功能部件已被国内外广泛研究。然而随着波长的增加，由载流子吸收引起的光学损耗变得严重，必须在调制速度、效率、掺杂结构和载流子吸收之间进行权衡。
2)基于二维材料石墨烯和黑磷的泡利阻塞效应和量子限制斯塔克效应的电光调制器。由于复杂的二维材料转移技术，缺少器件的制备与表征。此外这种器件不能实现晶圆级的制造，导致了非常高的成本。
3)基于铌酸锂和钛酸钡的泡克尔斯效应的电光调制器。与等离子体色散效应相比，铁电氧化物能在宽光谱上提供超快和纯粹的折射率实部调制，而没有额外的吸收损失。到目前为止，已报道的中红外铌酸锂调制器的调制效率远小于硅调制器的普遍调制效率。此外，尽管在钛酸钡调制器中测得的有效电光系数比铌酸锂大四倍左右，但由于钛酸钡薄膜中的电光重叠和光学约束不足，其驱动电压远高于COMS电路兼容电压。此外，铌酸锂和钛酸钡材料与CMOS半导体技术不兼容，衬底和导波材料选择有限，限制了其在中红外波段的广泛使用。
在这种背景下，寻找一种具有在硅衬底上进行大规模集成潜力的合适的电光材料仍然是一个悬而未决的问题。氮化铝具有相对较大的电光系数，溅射生成的氮化铝波导型电光调制器已被证实有1pm/V的电光系数和4.5Gb/s的调制速度。此外，氮化铝具有大带隙和二阶非线性效应，且可以与硅和二氧化硅等多种衬底兼容，使其成为量子器件和其他高性能光学应用的很有前途的平台。
当前已公开的技术中，目前从未有关于掺钪氮化铝电光调制器的报道，遇到的主要技术难题是掺钪氮化铝刻蚀技术不成熟导致的单模波导高损耗。在1550nm波段工作的掺钪氮化铝波导损耗约为9±2dB/cm，这将严重限制微环型和马赫曾德尔型电光调制器的工作性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种混合型非刻蚀掺钪氮化铝电光调制器及制备方法，能够通过掺杂钪提升电光系数，并利用不刻蚀掺钪氮化铝的波导结构，规避了刻蚀导致的掺钪氮化铝波导传播损耗过大，调制器性能衰减的问题，提高调制效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种混合型非刻蚀掺钪氮化铝电光调制器及制备方法，包括：从下到上依次设置的硅衬底、埋氧层和掺钪氮化铝槽薄膜层；所述掺钪氮化铝槽薄膜层上还设置有氮化硅脊波导层；在所述掺钪氮化铝槽薄膜层上，且在所述氮化硅脊波导层的两侧设置有金属接地电极；所述掺钪氮化铝槽薄膜层上还设置有包覆层；所述包覆层上还设置有连接下方的各所述金属接地电极的过孔，以及设置于所述氮化硅脊波导层上方的信号电极；所述氮化硅脊波导层和所述掺钪氮化铝槽薄膜层的混合波导层形成微环谐振器结构。
可选地，所述埋氧层的材料采用二氧化硅。
可选地，所述掺钪氮化铝槽薄膜层的晶轴取向为高度c轴取向。
可选地，所述包覆层的材料采用对电光调制器件的工作波段透明的介电材料。
本发明还提供了一种混合型非刻蚀掺钪氮化铝电光调制器的制备方法，应用于上述的混合型非刻蚀掺钪氮化铝电光调制器，包括：
步骤1、清洗、干燥晶圆后，得到硅衬底和埋氧层；
步骤2、在埋氧层上通过磁控溅射形成掺钪氮化铝薄膜层；
步骤3、在掺钪氮化铝薄膜层上通过等离子体增强化学气相沉积法沉积氮化硅波导层，并通过光刻、刻蚀工艺形成氮化硅脊波导；
步骤4、在氮化硅波导两侧，掺钪氮化铝薄膜上方通过光刻、电子束蒸发或磁控溅射、剥离工艺形成金属接地电极；
步骤5、在氮化硅脊波导上通过沉积形成包覆层；
步骤6、在包覆层上通过光刻、刻蚀的方法形成过孔，与金属接地电极形成互连；所述光刻采用的方法包括步进式光刻机、电子束直写和激光束直写；所述刻蚀的方法包括干法刻蚀和湿法刻蚀；
步骤7、在包覆层上通过电子束蒸发或磁控溅射、光刻、刻蚀填充过孔并形成信号电极；所述磁控溅射的方法包括直流磁控溅射和射频磁控溅射。
本发明还提供了一种混合型非刻蚀掺钪氮化铝电光调制器，包括：从下到上依次设置的硅衬底、埋氧层、单晶硅薄膜层和掺钪氮化铝槽薄膜层；所述掺钪氮化铝槽薄膜层上还设置有非晶硅波导层；在所述掺钪氮化铝槽薄膜层上，且在所述非晶硅波导层的两侧设置有金属接地电极；所述掺钪氮化铝槽薄膜层上还设置有包覆层；所述包覆层上还设置有连接下方的各所述金属接地电极的过孔，以及设置于所述非晶硅波导层上方的信号电极；所述非晶硅波导层、所述掺钪氮化铝槽薄膜层和所述单晶硅薄膜层形成微环谐振器结构。
可选地，所述单晶硅薄膜层、所述掺钪氮化铝槽薄膜层和所述非晶硅波导层构成了掺钪氮化铝槽波导结构。
可选地，所述包覆层的材料采用二氧化硅、氧化铝或氧化镁。
可选地，所述金属接地电极的厚度在0.2μm到0.6μm之间，宽度在5μm到20μm之间，与所述掺钪氮化铝槽薄膜层之间的间距在1μm到3μm之间；所述信号电极的厚度在0.2μm到0.6μm之间，宽度在5μm到20μm之间。
本发明还提供了一种混合型非刻蚀掺钪氮化铝电光调制器的制备方法，应用于上述的混合型非刻蚀掺钪氮化铝电光调制器，包括：
步骤1、清洗、干燥晶圆后，得到硅衬底、埋氧层和单晶硅薄膜层；
步骤2、在单晶硅薄膜层上通过磁控溅射形成掺钪氮化铝薄膜层；
步骤3、在掺钪氮化铝薄膜层上通过磁控溅射形成非晶硅波导层，接着通过光刻、刻蚀工艺形成所述非晶硅波导，整体构成了非晶硅-掺钪氮化铝薄膜-单晶硅槽波导结构，位于埋氧层上方，环形波导和直波导形成了所述微环谐振器结构；
步骤4、在非晶硅波导两侧，掺钪氮化铝薄膜上方通过光刻、电子束蒸发或磁控溅射、剥离工艺形成金属接地电极；
步骤5、在槽波导上通过沉积形成包覆层；
步骤6、在包覆层上通过光刻、刻蚀的方法形成过孔，与金属接地电极形成互连；所述光刻采用的方法包括步进式光刻机、电子束直写和激光束直写；所述刻蚀的方法包括干法刻蚀和湿法刻蚀；
步骤7、在包覆层上通过电子束蒸发或磁控溅射、光刻、刻蚀填充过孔并形成信号电极；所述磁控溅射的方法包括直流磁控溅射和射频磁控溅射。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开了一种混合型非刻蚀掺钪氮化铝电光调制器及制备方法，所述方法包括首先，公开一种使用氮化硅做脊波导的氮化硅-氮化铝薄膜电光调制器，仅刻蚀氮化硅，对限制在氮化硅脊波导与氮化铝薄膜内的准TE模式的光模场进行调制。此外，还公开一种混合型非晶硅-掺钪氮化铝薄膜-单晶硅槽波导电光调制器，通过简单地蚀刻非晶硅层来实现对准TM模式的光模场的约束与调制。本发明能够通过掺杂钪提升电光系数，并利用不刻蚀掺钪氮化铝的波导结构，规避了刻蚀导致的掺钪氮化铝波导传播损耗过大，调制器性能衰减的问题，提高调制效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明混合型非刻蚀掺钪氮化铝电光调制器的一种结构图；
图2为本发明混合型非刻蚀掺钪氮化铝电光调制器的另一种结构图；
图3为实施例1中硅衬底和埋氧层的制备结果示意图；
图4为实施例1中掺钪氮化铝薄膜层的制备结果示意图；
图5为实施例1中氮化硅脊波导的制备结果示意图；
图6为实施例1中金属接地电极的制备结果示意图；
图7为实施例1中包覆层的制备结果示意图；
图8为实施例1中过孔的制备结果示意图；
图9为实施例2中硅衬底、埋氧层和单晶硅薄膜层的制备结果示意图；
图10为实施例2中掺钪氮化铝薄膜层的制备结果示意图；
图11为实施例2中非晶硅波导层的制备结果示意图；
图12为实施例2中金属接地电极的制备结果示意图；
图13为实施例2中包覆层的制备结果示意图；
图14为实施例2中过孔的制备结果示意图。
附图标记：
1、硅衬底；2、埋氧层；3、掺钪氮化铝槽薄膜层；4、氮化硅脊波导层；5、金属接地电极；6、包覆层；7、过孔；8、信号电极；9、单晶硅薄膜层；10、非晶硅波导层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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做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。
本发明的目的是提供一种混合型非刻蚀掺钪氮化铝电光调制器及制备方法，能够通过掺杂钪提升电光系数，并利用不刻蚀掺钪氮化铝的波导结构，规避了刻蚀导致的掺钪氮化铝波导传播损耗过大，调制器性能衰减的问题，提高调制效率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种混合型非刻蚀掺钪氮化铝电光调制器，包括：从下到上依次布置的硅衬底1、埋氧层2、掺钪氮化铝槽薄膜层3、氮化硅脊波导层4、金属接地电极5、包覆层6、连接包覆层6下方的金属接地电极5的过孔7、氮化硅脊波导层4上方的信号电极8，由氮化硅-氮化铝薄膜的混合波导层布置形成微环谐振器的结构。
所述硅衬底1的厚度为700μm，但不限于该尺寸。
所述埋氧层2为二氧化硅，厚度在2μm到4μm之间，但不限于该尺寸。材料为二氧化硅，在制备行波电极时可以通过优化埋氧层2的厚度实现波导中光波群折射率与行波电极里微波群折射率的匹配，增大调制带宽。
所述掺钪氮化铝槽薄膜的厚度在200nm到800nm之间，但不限于该尺寸。该掺钪氮化铝薄膜的晶轴取向为高度c轴取向，掺钪浓度范围在0％～40％之间，其电光系数随掺杂钪浓度的增大而增加，在中红外波段的折射率为2.074～2.2。
所述氮化硅脊波导层4的厚度在200nm到800nm之间，脊波导的宽度在0.7μm到1.4μm之间，但不限于该尺寸。
所述包覆层6的厚度为1μm到3μm之间。包覆层6采用对电光调制器件的工作波段透明的介电材料制成，以减小光损耗。常用二氧化硅材料做包覆层6，也可以使用拥有高介电常数的材料，如氧化铝和氧化镁，以减小外加电场在包覆层6的压降，进一步提升电光重叠系数，增大调制效率。
包含一个金属信号电极8与两个金属接地电极5，金属信号电极8位于氮化硅波导以及包覆层6的上方，两个金属接地电极5分别为位于掺钪氮化铝薄膜上方的氮化硅波导两侧。
所述金属接地电极5的厚度在0.2μm到0.6μm之间，宽度在5μm到20μm之间，与氮化硅波导之间的间距在1μm到3μm之间。
所述信号电极8的厚度在0.2μm到0.6μm之间，宽度在5μm到20μm之间，位于氮化硅波导的正上方。
所述过孔7的深度在1μm到3μm之间，顶层孔的尺寸为3μm×3μm，但不限于该尺寸。
在一些实施方式中，金属接地电极5和信号电极8采用高电导率的金属材料，可以是铝、金、铜等。信号电极8的宽度与厚度将影响行波电极的特征阻抗，在制备马赫曾德尔电光调制器的行波电极时，需要对信号电极8的宽度与厚度进行设计，以便与端口阻抗为50Ω的外界设备实现阻抗匹配。金属接地电极5沉积在氮化硅波导的两侧，并通过过孔7结构实现接地。信号电极8覆盖了整个微环调制器环形波导的80％。环形波导在施加偏置直流电压的作用下，其有效折射率发生变化，导致微环谐振器的谐振峰发生偏移。
所述微环谐振器的直波导和环形波导的间距在0.2μm到1.6μm之间。
本实施例使用氮化硅做脊波导设计的氮化硅-氮化铝薄膜电光调制器，仅刻蚀氮化硅，对限制在氮化硅脊波导与氮化铝薄膜内的准TE模式的光模场进行调制。
基于上述的电光调制器，提供如图3-图9所示的制备方法，通过该制备方法能够得到氮化硅-氮化铝薄膜电光调制器的基本结构，包括以下步骤：
步骤1、如图3所示，清洗、干燥晶圆后，即可得硅衬底1和埋氧层2；
步骤2、如图4所示，在埋氧层2上通过磁控溅射形成掺钪氮化铝薄膜层；
步骤3、如图5所示，在掺钪氮化铝薄膜层上通过等离子体增强化学气相沉积法沉积氮化硅波导层，并通过光刻、刻蚀工艺形成氮化硅脊波导；
步骤4、如图6所示，在氮化硅波导两侧，掺钪氮化铝薄膜上方通过光刻、电子束蒸发或磁控溅射、剥离工艺形成金属接地电极5；
步骤5、如图7所示，在氮化硅脊波导上通过沉积形成包覆层6；
步骤6、如图8所示，在包覆层6上通过光刻、刻蚀工艺形成过孔7，与金属接地电极5形成互连；
步骤7、在包覆层6上通过电子束蒸发或磁控溅射、光刻、刻蚀填充过孔7并形成信号电极8，得到如图1所示的电光调制器。
在本实施例中，所述光刻采用的方法包括步进式光刻机，电子束直写，激光束直写。所述的刻蚀方法包括干法刻蚀和湿法刻蚀。所述的溅射方法包括直流磁控溅射和射频磁控溅射。
作为一种具体的实施方式：
埋氧层2材料为二氧化硅，厚度为3μm，掺钪氮化铝薄膜层的厚度为0.5μm，掺杂钪浓度为36％，具有高度c轴取向，其电光系数r13＝10pm/V。氮化硅波导层的厚度为0.4μm，波导宽度为1.2μm，构成的氮化硅-氮化铝薄膜脊波导结构对2μm的中红外波段光模场有良好的约束作用。包覆层6材料为二氧化硅，厚度为1.8μm。接地电极使用铝材料，宽度为5μm，厚度为0.3μm。接地电极与槽波导的间距为1.8μm。信号电极8使用铝材料，宽度为5μm，厚度为1μm。在信号电极8上施加10V的直流电压时，掺钪氮化铝槽波导的有效折射率变化为4.3497×10-5，半波电压长度积为VπL＝0.345V·cm。
实施例2
如图2所示，本发明还提供了另一种混合型非刻蚀掺钪氮化铝电光调制器，包括：从下到上依次布置的硅衬底1、埋氧层2、第一层单晶硅薄膜层9、掺钪氮化铝槽薄膜层3、第二层非晶硅波导层10、金属接地电极5、包覆层6、连接包覆层6下方的金属接地电极5的过孔7、槽波导上方的信号电极8，由非晶硅-掺钪氮化铝薄膜-单晶硅槽波导层布置形成微环谐振器的结构。
所述硅衬底1的厚度为700μm，但不限于该尺寸。
所述埋氧层2为二氧化硅，厚度在2μm到4μm之间，但不限于该尺寸。材料为二氧化硅，在制备行波电极时可以通过优化埋氧层2的厚度实现波导中光波群折射率与行波电极里微波群折射率的匹配，增大调制带宽。
所述第一层单晶硅薄膜层9、掺钪氮化铝槽薄膜层3、第二层非晶硅波导层10构成了掺钪氮化铝槽波导结构。
所述第一层单晶硅薄膜层9的厚度在100nm到400nm之间，但不限于该尺寸。
所述掺钪氮化铝槽薄膜层3的厚度在70nm到200nm之间，但不限于该尺寸。该掺钪氮化铝薄膜的晶轴取向为高度c轴取向，掺钪浓度范围在0％～40％之间，其电光系数随掺杂钪浓度的增大而增加，在中红外波段的折射率为2.074～2.2。
所述第二层非晶硅波导层10的厚度在100nm到400nm之间，刻蚀后的非晶硅波导宽度在0.7μm到1.4μm之间，但不限于该尺寸。
所述包覆层6的厚度为1μm到3μm之间。包覆层6采用对电光调制器件的工作波段透明的介电材料制成，以减小光损耗。常用二氧化硅材料做包覆层6，也可以使用拥有高介电常数的材料，如氧化铝和氧化镁，以减小外加电场在包覆层6的压降，进一步提升电光重叠系数，增大调制效率。
包含一个金属信号电极8与两个金属接地电极5，金属信号电极8位于槽波导以及包覆层6的上方，两个金属接地电极5分别为位于掺钪氮化铝薄膜上方的非晶硅波导两侧。
所述金属接地电极5的厚度在0.2μm到0.6μm之间，宽度在5μm到20μm之间，与掺钪氮化铝槽波导之间的间距在1μm到3μm之间。
所述信号电极8的厚度在0.2μm到0.6μm之间，宽度在5μm到20μm之间，位于槽波导的正上方。
所述过孔7的深度在1μm到3μm之间，顶层孔的尺寸为3μm×3μm，但不限于该尺寸。
在一些实施方式中，金属接地电极5和信号电极8采用高电导率的金属材料，可以是铝、金、铜等。信号电极8的宽度与厚度将影响行波电极的特征阻抗，在制备马赫曾德尔电光调制器的行波电极时，需要对信号电极8的宽度与厚度进行设计，以便与端口阻抗为50Ω的外界设备实现阻抗匹配。金属接地电极5沉积在非晶硅波导的两侧，并通过过孔7结构实现接地。信号电极8覆盖了整个微环调制器环形波导的80％。环形波导在施加偏置直流电压的作用下，其有效折射率发生变化，导致微环谐振器的谐振峰发生偏移。
所述微环谐振器的直波导和环形波导的间距在0.3μm到1.6μm之间。
本实施例设计了另一种混合型非晶硅-掺钪氮化铝薄膜-单晶硅槽波导电光调制器，通过简单地蚀刻非晶硅层来实现对准TM模式的光模场的约束与调制。
基于上述的电光调制器，提供如图9-图14所示的制备方法，通过该制备方法能够得到非晶硅-掺钪氮化铝薄膜-单晶硅槽波导电光调制器的基本结构，包括以下步骤：
步骤1、如图9所示，清洗、干燥晶圆后，即可得硅衬底1、埋氧层2和单晶硅薄膜层9；
步骤2、如图10所示，在单晶硅薄膜层9上通过磁控溅射形成掺钪氮化铝薄膜层；
步骤3、如图11所示，在掺钪氮化铝薄膜层上通过磁控溅射形成非晶硅波导层10，接着通过光刻、刻蚀工艺形成所述非晶硅波导，整体构成了非晶硅-掺钪氮化铝薄膜-单晶硅槽波导结构，位于埋氧层2上方，环形波导和直波导形成了所述微环谐振器结构；
步骤4、如图12所示，在非晶硅波导两侧，掺钪氮化铝薄膜上方通过光刻、电子束蒸发或磁控溅射、剥离工艺形成金属接地电极5；
步骤5、如图13所示，在槽波导上通过沉积形成包覆层6；
步骤6、如图14所示，在包覆层6上通过光刻、刻蚀工艺形成过孔7，与金属接地电极5形成互连；
步骤7、在包覆层6上通过电子束蒸发或磁控溅射、光刻、刻蚀填充过孔7并形成信号电极8，得到如图2所示的电光调制器。
在本实施例中，所述光刻采用的方法包括步进式光刻机，电子束直写，激光束直写。所述的刻蚀方法包括干法刻蚀和湿法刻蚀。所述的溅射方法包括直流磁控溅射和射频磁控溅射。
作为一种具体的实施方式：
埋氧层2材料为二氧化硅，厚度为3μm，掺钪氮化铝薄膜层的厚度为0.1μm，掺杂钪浓度为36％，具有高度c轴取向，其电光系数r13＝10pm/V。晶体硅薄膜层的厚度为0.45μm。非晶硅波导层10的厚度为0.5μm，非晶硅波导宽度为0.9μm。构成的非晶硅-掺钪氮化铝薄膜-单晶硅槽波导结构对2μm的中红外波段光模场有良好的约束。包覆层6材料为二氧化硅，厚度为1.8μm。接地电极使用铝材料，宽度为5μm，厚度为0.3μm。接地电极与槽波导的间距为1.8μm。信号电极8使用铝材料，宽度为5μm，厚度为1μm。在信号电极8上施加10V的直流电压时，掺钪氮化铝槽波导的有效折射率变化为6.1984×10-5，半波电压长度积为VπL＝4.048V·cm。
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出两种不用刻蚀掺钪氮化铝的混合型电光调制器。首先，设计了一种使用氮化硅做脊波导的氮化硅-氮化铝薄膜电光调制器，仅刻蚀氮化硅，对限制在氮化硅脊波导与氮化铝薄膜内的准TE模式的光模场进行调制。此外，还设计了另一种混合型非晶硅-掺钪氮化铝薄膜-单晶硅槽波导电光调制器，通过简单地蚀刻非晶硅层来实现对准TM模式的光模场的约束与调制。本发明为实现高性能、低成本、集成化的电光调制提供一种新的方案。
综上，两个实施例均首先通过掺杂钪提升氮化铝的电光系数，提高电光系数；其次设计了两种不刻蚀掺钪氮化铝的波导结构，分别实现对准TE和准TM模式的光场的限制；接着本申请还解决了c轴取向的氮化铝调制器电光重叠因子较小的问题，通过将接地电极放置在包覆层6下，在波导内创建了一个更好的垂直电场，使c轴与电场平行，增大了电光重叠因子和调制效率。也即，通过本实施例制备的电光调制器，能够解决常规的氮化铝电光调制器电光系数较小的问题，通过掺杂钪提升电光系数，提高调制效率。并且，设计了不刻蚀掺钪氮化铝的波导结构，规避了刻蚀导致的掺钪氮化铝波导传播损耗过大，调制器性能衰减的难题。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种混合型非刻蚀掺钪氮化铝电光调制器，其特征在于，包括：从下到上依次设置的硅衬底、埋氧层和掺钪氮化铝槽薄膜层；所述掺钪氮化铝槽薄膜层上还设置有氮化硅脊波导层；在所述掺钪氮化铝槽薄膜层上，且在所述氮化硅脊波导层的两侧设置有金属接地电极；所述掺钪氮化铝槽薄膜层上还设置有包覆层；所述包覆层上还设置有连接下方的各所述金属接地电极的过孔，以及设置于所述氮化硅脊波导层上方的信号电极；所述氮化硅脊波导层和所述掺钪氮化铝槽薄膜层的混合波导层形成微环谐振器结构。
2.根据权利要求1所述的混合型非刻蚀掺钪氮化铝电光调制器，其特征在于，所述埋氧层的材料采用二氧化硅。
3.根据权利要求1所述的混合型非刻蚀掺钪氮化铝电光调制器，其特征在于，所述掺钪氮化铝槽薄膜层的晶轴取向为高度c轴取向。
4.根据权利要求1所述的混合型非刻蚀掺钪氮化铝电光调制器，其特征在于，所述包覆层的材料采用对电光调制器件的工作波段透明的介电材料。
5.一种混合型非刻蚀掺钪氮化铝电光调制器的制备方法，应用于权利要求1-4任一项所述的混合型非刻蚀掺钪氮化铝电光调制器，其特征在于，包括：
步骤1、清洗、干燥晶圆后，得到硅衬底和埋氧层；
步骤2、在埋氧层上通过磁控溅射形成掺钪氮化铝薄膜层；
步骤3、在掺钪氮化铝薄膜层上通过等离子体增强化学气相沉积法沉积氮化硅波导层，并通过光刻、刻蚀工艺形成氮化硅脊波导；
步骤4、在氮化硅波导两侧，掺钪氮化铝薄膜上方通过光刻、电子束蒸发或磁控溅射、剥离工艺形成金属接地电极；
步骤5、在氮化硅脊波导上通过沉积形成包覆层；
步骤6、在包覆层上通过光刻、刻蚀的方法形成过孔，与金属接地电极形成互连；所述光刻采用的方法包括步进式光刻机、电子束直写和激光束直写；所述刻蚀的方法包括干法刻蚀和湿法刻蚀；
步骤7、在包覆层上通过电子束蒸发或磁控溅射、光刻、刻蚀填充过孔并形成信号电极；所述磁控溅射的方法包括直流磁控溅射和射频磁控溅射。
6.一种混合型非刻蚀掺钪氮化铝电光调制器，其特征在于，包括：从下到上依次设置的硅衬底、埋氧层、单晶硅薄膜层和掺钪氮化铝槽薄膜层；所述掺钪氮化铝槽薄膜层上还设置有非晶硅波导层；在所述掺钪氮化铝槽薄膜层上，且在所述非晶硅波导层的两侧设置有金属接地电极；所述掺钪氮化铝槽薄膜层上还设置有包覆层；所述包覆层上还设置有连接下方的各所述金属接地电极的过孔，以及设置于所述非晶硅波导层上方的信号电极；所述非晶硅波导层、所述掺钪氮化铝槽薄膜层和所述单晶硅薄膜层形成微环谐振器结构。
7.根据权利要求6所述的混合型非刻蚀掺钪氮化铝电光调制器，其特征在于，所述单晶硅薄膜层、所述掺钪氮化铝槽薄膜层和所述非晶硅波导层构成了掺钪氮化铝槽波导结构。
8.根据权利要求6所述的混合型非刻蚀掺钪氮化铝电光调制器，其特征在于，所述包覆层的材料采用二氧化硅、氧化铝或氧化镁。
9.根据权利要求6所述的混合型非刻蚀掺钪氮化铝电光调制器，其特征在于，所述金属接地电极的厚度在0.2μm到0.6μm之间，宽度在5μm到20μm之间，与所述掺钪氮化铝槽薄膜层之间的间距在1μm到3μm之间；所述信号电极的厚度在0.2μm到0.6μm之间，宽度在5μm到20μm之间。
10.一种混合型非刻蚀掺钪氮化铝电光调制器的制备方法，应用于权利要求6-9任一项所述的混合型非刻蚀掺钪氮化铝电光调制器，其特征在于，包括：
步骤1、清洗、干燥晶圆后，得到硅衬底、埋氧层和单晶硅薄膜层；
步骤2、在单晶硅薄膜层上通过磁控溅射形成掺钪氮化铝薄膜层；
步骤3、在掺钪氮化铝薄膜层上通过磁控溅射形成非晶硅波导层，接着通过光刻、刻蚀工艺形成所述非晶硅波导，整体构成了非晶硅-掺钪氮化铝薄膜-单晶硅槽波导结构，位于埋氧层上方，环形波导和直波导形成了所述微环谐振器结构；
步骤4、在非晶硅波导两侧，掺钪氮化铝薄膜上方通过光刻、电子束蒸发或磁控溅射、剥离工艺形成金属接地电极；
步骤5、在槽波导上通过沉积形成包覆层；
步骤6、在包覆层上通过光刻、刻蚀的方法形成过孔，与金属接地电极形成互连；所述光刻采用的方法包括步进式光刻机、电子束直写和激光束直写；所述刻蚀的方法包括干法刻蚀和湿法刻蚀；
步骤7、在包覆层上通过电子束蒸发或磁控溅射、光刻、刻蚀填充过孔并形成信号电极；所述磁控溅射的方法包括直流磁控溅射和射频磁控溅射。
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