CN1529451A - 一种微型二氧化钒光开关及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型二氧化钒光开关，包括衬底、VO₂层和电极，衬底和VO₂层之间设有Si₃N₄材料制成的过渡层，在VO₂层上设有金属加热线。制备方法包括：(1)清洗衬底表面；(2)镀制薄膜：采用溅射淀积设备先镀过渡层Si₃N₄，再开始长VO₂膜；(3)退火处理；(4)利用悬浮工艺制作金属加热线和电极：先作出光刻胶光开关微图形，再在基片上镀金属薄膜，最后去除光刻胶上的薄膜层。本发明无移动部件，膜系本身就是加热器，不必另装加热设备，结构简单、工作可靠，便于大规模集成，低成本、低功耗，同时，由于该光开关可以采用标准半导体制造工艺制作，而且具有开关时间短，对偏振不灵敏，消光比高，插入损耗小的特点，是一种全新的开关器件，可以在光通讯和光传感领域中得到很大的发展。

Description

一种微型二氧化钒光开关及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种光开关，具体涉及一种微型二氧化钒光开关及其制备方法。

背景技术

随着密集波分复用(DWDM)系统日益成熟及其被大量投入使用，DWDM光网络正在成为通信网络的主要发展方向。而作为网络核心的开关元件，其性能的好坏成为决定网络性能的关键。不论是网络的构造，还是网络障碍的恢复，都需要光开光的控制。而且，随着各种业务的数量和质量的高速发展，将需要越来越大的网络带宽，这样网络接点如光交叉连接(OXC)或光上下复用(OADM)都必须有大量的端口，同时也必须能容纳大量的波长通道，这些都要求必须存在大规模的集成开光矩阵。光开关是光交换的核心器件，也是影响光网络性能的主要因素之一。光开光作为新一代全光网络的关键器件，主要实现光层面上的路由选择、波长选择、光交叉连接和自愈保护等功能。因此光开光一方面必须具有良好的性能，另一方面必须能够集成大规模开光矩阵，以适应现代网络需要。

光开光是目前开发最活跃的无源光电子器件，种类繁多，就光开光现状而言，按照开关机理来分类，主要有机械光开光、热光开光、电光开光、喷墨气泡光开光、液晶光开光、全息光栅开关、液晶光栅开关等。按照光束在开关中传输的媒质来分类，可分为自由空间型和波导型光开光。自由空间型光开光主要是利用各种透射镜、反射镜和折射镜的移动或旋转来进行开关动作；波导型光开光主要是利用波导的热光、电光或磁光效应来改变波导的性质，从而实现开关动作。光开光不仅要有良好的性能，而且还必须能够进行大规模集成。光开光的性能主要表现在开关的插损、隔离度、消光比、偏振敏感性、开关时间、开关规模和开关尺寸等方面。机械开关在插损、隔离度、消光比、偏振敏感性等方面都具有很好的性能，但它的开关尺寸较大，开关动作时间较长，一般为几十毫秒到毫秒量级，而且不易集成为大规模的矩阵开关阵列。对波导开关而言。它的开关速度在毫秒到亚毫秒量级，体积非常小，而且易于集成为大规模的矩阵开关阵列，但其插损、隔离度、消光比、偏振敏感性等指标都比较差。对光开关而言，近来在其研究上取得了重大的成果，同时也产生了一种用微电子机械(MEMS)技术制成的光开光，它利用机械开关原理，又能像波导开关那样集成在单片硅基底上，因此兼有机械光开光和波导光开光的优点，同时克服了它们所固有的缺点，其中基于镜面的MEMS光开光是一种受静电控制的二维或三维器件，它装在机械底座上，MEMS器件的结构很像IC的结构。它的基本原理就是通过静电的作用使可以活动的微镜面发生转动，从而改变输入光的传播方向。日本电报电话公司八金属镀膜和腐蚀工艺用于光纤，制作出了光纤微光开光。但是MEMS光开光一般开关时间比较长，可以由于光纤重新组网，但是在DWDM光交换系统中也难以得到广泛的应用，因此开发出一种新型光开光就显得比较重要。然而新型光开光可在具有大的非线性和超快的响应的非线性材料的基础上进行研究。以前的相变材料就是一种很有希望的新的光开关材料。它们的相变时间一般都比较长，可以达到ms量级，对于光通讯系统来说相对较长，所以必须寻找相变时间较短的相变材料。在热致变色的材料中，某些氧化物和硫化物具有温度相变的特性，而且这种相变过程是可逆的。这些材料当温度升高到相变温度时，或者是晶体结果发生突变，或者是从非金属态转变为金属态，光学透过特性发生显著的变化，如果能够合理利用这种变化，就可以设计出新颖的相变型微光开关。本发明就是利用二氧化钒(VO₂)的相变特性制作了一种新型的微型光开关，可以用于光通信领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的微型二氧化钒光开关，该光开关的开关时间短，结构简单，可以广泛应用于DWDM光交换系统；本发明还提供了该光开关的制备方法。

本发明提供的一种微型二氧化钒光开关，包括衬底、VO₂层和电极，其特征在于：衬底和VO₂层之间设有Si₃N₄材料制成的过渡层，在VO₂层上设有金属加热线。

制备上述光开关的方法，它依次包括以下步骤：

(1)清洗衬底表面；

(2)镀制薄膜：采用溅射淀积设备先镀过渡层Si₃N₄，淀积完Si₃N₄后，开始长VO₂膜，溅射时间由膜层厚度确定；

(3)退火处理：薄膜淀积完毕后，使样品在保护性气氛中高温退火，退火过程中保持温度和气流的稳定性；

(4)利用悬浮工艺制作金属加热线和电极：首先在二氧化钒薄膜上面利用光刻技术制作出光刻胶光开关微图形，然后在基片上镀金属薄膜，最后去除光刻胶上的薄膜层。

上述步骤(3)的处理温度为390-450℃，退火时间为1-2小时。

VO₂薄膜在温度低于相变温度时是半导体，对光通信用所用的光波长是透明的，对应于“通”状态，而在温度高于相变温度时，膜系转变为金属态，对光是不透明的，具有全反射特性，对应于“关”状态。上述“透明”和“不透明”特性是可逆的。利用这一原理，在光路中放置此膜系组成的微光开关，通电加热或冷却膜系，就可控制“通”和“断”状态，起到光开关的作用。其优点是：无移动部件，膜系本身就是加热器，不必另装加热设备，结构简单、工作可靠，便于大规模集成，低成本、低功耗，同时，由于该光开关可以采用标准半导体制造工艺制作，而且具有开关时间短，对偏振不灵敏，消光比高，插入损耗小的特点，是一种全新的开关器件，可以在光通讯和光传感领域中得到很大的发展。

相对于常规光开关，本发明利用VO₂的相变特性，避免了机械开关的移动部件，并且整个制作过程是采用半导体制作工艺来实现的，因而适合制作开关时间更短的微型光开关阵列。

附图说明

图1为微型二氧化钒光开关的结构示意图，其中1-1为俯视图，1-2为主视图；

图2为光开关阵列的显微照片；

图3为电阻温度特性曲线；

图4为电压-透过率曲线。

具体实施方式

如图1所示，微型二氧化钒光开关为四层结构，衬底1可以是Si、SiO₂等材料，第二层为过渡层2，本发明选用Si₃N₄作为过渡层材料，第三层为VO₂层3，第二、三层通过溅射工艺沉积淀积而成，第四层为金属加热线4和电极6，通常采用Au、Ti和Pt等导电金属制作，它起加热和导电作用，本发明称之为“微加热器”。

基于VO₂薄膜制作微光开关的具体工艺实施过程如下所述。

(1)衬底表面清洗：衬底表面的氧化物和杂质对制备出的二氧化钒薄膜的附着力和薄膜的均匀性等性能都有很大影响，所以溅射镀膜前首先要严格清洗衬底表面清洗工艺针对不同的衬底而有所不同。如使用硅衬底，采用浓硫酸和双氧水的溶液清洗后，去离子水漂洗，然后用氮气枪吹干，备用。

(2)薄膜镀制，采用的溅射淀积设备是国产LD-3双Kaufman反应离子溅射镀膜设备。首先镀过渡层Si₃N₄，淀积完Si₃N₄后，开始长VO₂膜，时间为5到15分钟，视膜层厚度而定。

(3)退火处理：薄膜淀积完毕后，使样品在Ar、N₂等保护性气氛中390-450℃条件下退火1-2小时。退火的作用主要是使VO₂晶格结构有所改变，性能更加优化，对于不同厚度的薄膜，退火时间略有不同，此外在退火过程中一定要保持温度和气流的稳定性，否则会对二氧化钒薄膜的性能造成不良影响。

(4)利用悬浮工艺(lift-off)在制备好的样品上制作光开关阵列和金属加热线。首先在二氧化钒薄膜上面利用光刻技术制作出光刻胶光开关微图形，然后在基片上镀金属薄膜，最后去除光刻胶上的薄膜层，直接镀在二氧化钒薄膜上金属膜则保留下来，形成微加热器加热电路结构和电极。

利用上述的工艺在硅衬底上制作了VO₂相变微型光开关。镀膜实验参数如表1所示。

        表1镀膜实验参数表

	溅射Si3N4	溅射VO2
			气体	Ar，	O2，Ar

工作气压(Pa)	2.3×10-2	3.4×10-2(O2，Ar分压比为1比10)
			屏栅电压(V)	800	700
离子束束流(mA)	70	50
			淀积速率(nm/min)	10	5
淀积时间(min)	20~30	5~15

图2为所制作的光开关阵列显微照片，阵列大小为50×50，单元面积为200×200μm²。图中，5为光开关单元，6为电极。图3为VO₂电阻-温度特性曲线。由图中可以看出当VO₂薄膜温度升高到相变温度(68℃)附近时，薄膜电阻率降低，降低的幅度超过两个数量级，VO₂薄膜显示出优良的温度相变特性。在相变温度附近，VO₂薄膜的微观结构由单斜晶系半导体相转变为四方晶系金属相，所以电阻率发生突变。

氧化钒薄膜通过金属微加热器加热，当微加热器中通入加热电流时，微加热器产生焦耳热，氧化钒薄膜吸收热量后温度升高，当氧化钒薄膜的温度升高到相变温度时，发生相变，薄膜由半导体相转变为金属相，对红外光由开状态变为关状态，实现开关控制。当加热电压减小时，氧化钒薄膜降温，由金属态转变为半导体态，光开关由关状态转变为开状态，从而实现了开关控制。图4为测试得出的电压-透射率曲线。从图中可以看出，当电压增加时，透过率下降，电压下降时透过率上升，并呈现热滞回线，相变电压约为2.45V时。从图中还可以看出最大透过率与最小透过率之比为25倍，由公式

$K=10\log \left(\frac{T_1}{T_2}\right)\left(\mathrm{dB}\right)---\left(1\right)$

式中T₁为冷态时氧化钒薄膜的透过率，而T₂为热态时氧化钒薄膜的透过率，K为消光比，可以得出K为14dB。通过测试光开关在室温下对红外光波的透过率可以达到60％，加入抗反射膜后会更高。将没有制作开关的裸片与光开关芯片的透过率对比，可以得出插入损耗小于1dB。对于光通信光开关来说，另一个重要的指标是开关时间。VO₂的相变时间理论上为fs(10^-15s)级，由于测试系统的反应时间不够快，因此实验上测不出极限的开关时间，但能得出一个时间范围。将上述测试装置中的加热电源换成脉冲电源，高精度数字电压表换成高速示波器，就可以测量开关时间的范围。测试结果表明目前可以达到ms量级。

Claims (3)

1、一种微型二氧化钒光开关，包括衬底、VO₂层和电极，其特征在于：衬底和VO₂层之间设有Si₃N₄材料制成的过渡层，在VO₂层上设有金属加热线4。

2、一种制备权利要求1所述光开关的方法，它依次包括以下步骤：

(1)清洗衬底表面；

(2)镀制薄膜：采用溅射淀积设备先镀过渡层Si₃N₄，淀积完Si₃N₄后，开始长VO₂膜，溅射时间由膜层厚度确定；

(3)退火处理：薄膜淀积完毕后，使样品在保护性气氛中高温退火，退火过程中保持温度和气流的稳定性；

(4)利用悬浮工艺制作金属加热线和电极：首先在二氧化钒薄膜上面利用光刻技术制作出光刻胶光开关微图形，然后在基片上镀金属薄膜，最后去除光刻胶上的薄膜层。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤(3)的处理温度为390-450℃，退火时间为1-2小时。

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