波导及其形成方法技术

技术编号:15799722 阅读:411 留言:0更新日期:2017-07-11 13:43
本发明专利技术提供了一种波导及其形成方法,所述波导的形成方法包括:提供基底;在所述基底上形成黑磷层以及位于所述黑磷层上的石墨烯层;在所述石墨烯层上形成图形化的掩膜层;刻蚀所述石墨烯层和所述黑磷层,直至暴露出所述基底;去除所述图形化的掩膜层。本发明专利技术的所形成波导的吸收和散射损耗小。

Waveguide and method of forming the same

The invention provides a waveguide and its forming method, method of forming the waveguide includes: providing a substrate; black phosphorus layer and the graphene layer of the black phosphorus layer formed on the substrate; forming a patterned mask layer on the graphene layer; etching the graphene layer and the black phosphorus layer until exposing the substrate; removing the patterned mask layer. The absorption and scattering losses of the formed waveguides are small.

【技术实现步骤摘要】
波导及其形成方法
本专利技术涉及导波光学
,尤其涉及一种波导及所述波导的形成方法。
技术介绍
波导(waveguide)是一种用来定向引导电磁波的结构。光波导是集成光学中的一个重要元素,是平面光波回路里的一个基本单元结构,在许多领域的应用获得了成功,如:信号处理、光通信和光传感等。集成光学中常用的材料有二氧化硅、III-V族化合物半导体、铌酸锂、聚合物、绝缘体上硅(SOI)等。在这些材料中,绝缘体上硅材料因为同时适合有源和无源器件而逐渐成为一种应用潜力巨大的材料。SOI材料上的光波导已经被成功实现和应用,但是SOI材料由于二氧化硅埋层的厚度受限,且不能够进行二氧化硅埋层与顶层硅界面上的处理,对器件的设计和性能都有很大的影响。现有技术所形成的波导的性能有待提高。
技术实现思路
本专利技术解决的问题是现有技术形成的波导的性能不佳。为解决上述问题,本专利技术实施例提供了一种波导的形成方法,所述方法包括:提供基底;在所述基底上形成黑磷层以及位于所述黑磷层上的石墨烯层;在所述石墨烯层上形成图形化的掩膜层;刻蚀所述石墨烯层和所述黑磷层,直至暴露出所述基底;去除所述图形化的掩膜层。可选地,在所述基底上形成黑磷层以及位于所述黑磷层上的石墨烯层包括:在所述基底上形成红磷层;对所述红磷层进行热处理形成黑磷层;在所述黑磷层上形成碳化硅层;对所述碳化硅层进行热处理,形成石墨烯层。可选地,对所述红磷层进行热处理包括:在高压下将所述红磷加热至1000摄氏度;以每小时100摄氏度的速率将所述红磷冷却至600摄氏度。可选地,所述波导的形成方法还包括:在形成所述黑磷层后,对所述黑磷层进行减薄处理,使其达到预设厚度。可选地,对所述黑磷层进行减薄处理采用氩气等离子体。可选地,对所述碳化硅层进行热处理的温度大于1000摄氏度,使所述碳化硅层发生热分解。可选地,在所述基底上形成黑磷层以及位于所述黑磷层上的石墨烯层包括:在所述基底上形成红磷层;在所述红磷层上形成硅包覆层,以及位于所述硅包覆层上的含碳材料层;对所述红磷层、硅包覆层和含碳材料层进行热处理,使所述红磷层形成黑磷层,所述硅包覆层和所述含碳材料层形成石墨烯层。可选地,所述波导的形成方法还包括:在形成所述红磷层后,对所述红磷层进行减薄处理,使其达到预设厚度。可选地,对所述红磷层进行减薄处理采用氩气等离子体。可选地,所述红磷层采用化学气相沉积工艺或者分子束外延工艺形成。对应地,本专利技术实施例还提供了采用上述方法形成的一种波导。所述波导包括:基底;位于所述基底上的黑磷层;位于所述黑磷层上的石墨烯层,所述石墨烯层与所述黑磷层沿所述基底表面方向的尺寸相同。与现有技术相比,本专利技术实施例的技术方案具有以下优点:本专利技术实施例的波导的形成方法中,在基底上形成黑磷层和位于所述黑磷层上的石墨烯层后,再在所述石墨烯层上形成图形化的掩膜层,以所述图形化的掩膜层为掩膜,刻蚀所述石墨烯层和所述黑磷层,直至暴露出所述基底,形成石墨烯-黑磷复合结构的波导。由于所述波导中的石墨烯层和黑磷层基于相同的掩膜层经刻蚀工艺形成,形状一致,有利于减少吸收和散射损耗。进一步地,本专利技术实施例中采用了新型的光电材料黑磷,由于黑磷材料为直接带隙材料且具有可调的带隙宽度(bandgap),可以通过调节黑磷材料的厚度对其带隙宽度进行调节,使得本专利技术实施例的波导应用范围广。对应地,本专利技术实施例的波导也具有上述优点。附图说明图1至图9示出了本专利技术实施例的波导的形成方法中所形成的中间结构的剖面示意图。具体实施方式由
技术介绍
可知,现有技术形成波导的性能不佳。本专利技术的专利技术人研究了现有技术SOI衬底上硅波导的形成方法后发现:为了提高SOI衬底上硅波导的性能,现有技术在形成硅波导后,还会沉积氧化硅介质层;平坦化所述介质层后,再在所述硅波导上形成石墨烯(graphene)层。希望通过所述石墨烯层来调节和改善所述硅波导的性能,但是,却容易造成额外的吸收和散射损耗(absorptionandscatteringlosses),从而造成波导性能下降。本专利技术的专利技术人进一步对在硅波导上形成石墨烯(graphene)层的工艺进行了研究,发现所述石墨烯层通常在硅波导形成之后通过机械转移的方法转移到所述硅波导上,由于机械转移的方法难以精确定位和覆盖所述硅波导器件,难以形成边缘同形(edge-conformed)的石墨烯-硅复合结构,从而造成了硅波导的吸收和散射损耗增加。基于以上研究,本专利技术实施例提供了一种波导的形成方法,在基底上形成黑磷层和位于所述黑磷层上的石墨烯层后,再在所述石墨烯层上形成图形化的掩膜层,以所述图形化的掩膜层为掩膜,刻蚀所述石墨烯层和所述黑磷层,直至暴露出所述基底,形成石墨烯-黑磷复合结构的波导。由于所述波导中的石墨烯层和黑磷层通过相同的掩膜层经刻蚀工艺形成,形状一致,有利于减少传输损耗。进一步地,本专利技术实施例中采用了新型的光电材料黑磷,由于黑磷材料为直接带隙材料具有可调的带隙宽度(bandgap),可以通过调节黑磷材料的厚度对其带隙宽度进行调节,可用于多种波段的光路中,增大了本专利技术实施例的波导的应用范围。为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂,下面结合附图对本专利技术的具体实施例做详细的说明。需要说明的是,提供这些附图的目的是有助于理解本专利技术的实施例,而不应解释为对本专利技术的不当的限制。为了更清楚起见,图中所示尺寸并未按比例绘制,可能会做放大、缩小或其他改变。首先参考图1,提供基底100,在所述基底100上形成黑磷层110以及位于所述黑磷层110上的石墨烯层120。本实施例中,所述基底100为硅晶圆。所述基底100内可以形成有多种电学单元或者光学单元。在其他一些实施例中,所述基底100还可以为其他半导体材料或绝缘材料。例如,所述基底100还可以为锗硅、锗或III-V族半导体材料等,或者为Si-SiGe、Si-SiC、绝缘体上硅(SOI)或者绝缘体上锗(GOI)等多层结构材料;或者为玻璃等绝缘材料。在一些实施例中,同时参考图2至图4,在所述基底100上形成黑磷层110以及位于所述黑磷层110上的石墨烯层120的方法包括:在所述基底100上形成红磷层111;对所述红磷层111进行热处理形成黑磷层110;在所述黑磷层110上形成碳化硅层121;对所述碳化硅层121进行热处理,形成石墨烯层120。具体地,如图2所示,在所述基底100上形成红磷层111。在所述基底100上形成红磷层111的工艺可以为化学气相沉积工艺或者分子束外延工艺。接着,如图3所示,对所述红磷层111进行热处理形成黑磷层110。由于红磷与黑磷为同素异形体,经过热处理后,所述红磷层111可以转化为黑磷层110。在一具体实施例中,对所述红磷层111进行热处理形成黑磷层110的工艺包括:在恒定高压10千巴(kbar)的条件下,将所述红磷层111加热至1000摄氏度;接着,以100摄氏度每小时的冷却速率将所述红磷层111降温至600摄氏度,从而将所述红磷层111转化为黑磷层110。为了获得较高的黑磷质量,上述的升温和降温过程可以多次循环执行。在一些实施例中,在形成所述黑磷层110后,还对所述黑磷层110进行了减薄处理,使得所述黑磷层110的厚度达到预设厚度。如前所述,二维黑磷本文档来自技高网
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波导及其形成方法

【技术保护点】
一种波导的形成方法,其特征在于,包括:提供基底;在所述基底上形成黑磷层以及位于所述黑磷层上的石墨烯层;在所述石墨烯层上形成图形化的掩膜层;刻蚀所述石墨烯层和所述黑磷层,直至暴露出所述基底;去除所述图形化的掩膜层。

【技术特征摘要】
1.一种波导的形成方法,其特征在于,包括:提供基底;在所述基底上形成黑磷层以及位于所述黑磷层上的石墨烯层;在所述石墨烯层上形成图形化的掩膜层;刻蚀所述石墨烯层和所述黑磷层,直至暴露出所述基底;去除所述图形化的掩膜层。2.如权利要求1所述的波导的形成方法,其特征在于,在所述基底上形成黑磷层以及位于所述黑磷层上的石墨烯层包括:在所述基底上形成红磷层;对所述红磷层进行热处理形成黑磷层;在所述黑磷层上形成碳化硅层;对所述碳化硅层进行热处理,形成石墨烯层。3.如权利要求2所述的波导的形成方法,其特征在于,对所述红磷层进行热处理包括:在高压下将所述红磷加热至1000摄氏度;以每小时100摄氏度的速率将所述红磷冷却至600摄氏度。4.如权利要求2所述的波导的形成方法,其特征在于,还包括:在形成所述黑磷层后,对所述黑磷层进行减薄处理,使其达到预设厚度。5.如权利要求4所述的波导的形成方法,其特征在于,对所述黑磷层进行减薄处理采用氩气等离子体。6.如权利要求2所述的波导的形成...

【专利技术属性】
技术研发人员:张海洋
申请(专利权)人:中芯国际集成电路制造上海有限公司中芯国际集成电路制造北京有限公司
类型:发明
国别省市:上海,31

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