硅基氮化铝混合波导及其实现方法技术

一种硅基氮化铝混合波导及其实现方法，包括：从上到下依次设置的第一硅层、用于传播TM模的氮化铝层和第二硅层，即用于传播TE模和/或TM模的硅

Silicon based aluminum nitride hybrid waveguide and its implementation

A silicon-based aluminum nitride hybrid waveguide and its implementation method include: a first silicon layer, an aluminum nitride layer for propagating TM mode and a second silicon layer arranged from top to bottom, that is, silicon for propagating TE mode and / or TM mode

【技术实现步骤摘要】
硅基氮化铝混合波导及其实现方法


[0001]本专利技术涉及的是一种集成光电子领域的技术，具体涉及一种硅基氮化铝混合波导及其实现方法。

技术介绍

[0002]随着信息产业技术的高速发展，光电子集成技术正发挥巨大作用。在集成光路中，为了减小芯片的尺寸，提高芯片上器件的性能，需要设计强模场限制、低传输损耗，符合设计目的的集成光波导，集成光波导是引导光场通过搞材料折射率差产生全反射从而在其中传播的介质装置。基于绝缘衬底上硅(SOI)平台的硅波导具有强模场束缚的特性，且能够与互补金属氧化物半导体CMOS工艺相兼容的优点，是未来大规模集成光路的理想选择。

技术实现思路

[0003]本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出一种硅基氮化铝混合波导及其实现方法，在SOI基底上通过沉积和刻蚀技术实现硅与氮化铝异质集成的混合狭缝波导结构，利用氮化铝材料的优良特性，实现光模场局域在氮化铝中传播的硅
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氮化铝
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硅异质集成的混合狭缝波导结构及制备方法。
[0004]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0005]本专利技术涉及一种基于硅
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氮化铝
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硅异质集成平台的混合狭缝波导，包括：从上到下依次设置的第一硅层、用于传播TM模的氮化铝层和第二硅层，即用于传播TE模和/或TM模的硅
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氮化铝
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硅结构。
[0006]所述的混合狭缝波导的折射率分布为硅材料折射率n1≈3.42，氮化铝材料折射率n2≈2.12。
[0007]所述的第一和第二硅层的厚度均为100nm。
[0008]所述的传播TM模是指：氮化铝层厚度改变导致光模场局域在氮化铝层的比例值改变，即：光模场局域在氮化铝层的比例与氮化铝厚度正相关；优选在氮化铝层为100nm时，光模场局域在氮化铝层的比例为0.51。
[0009]本专利技术涉及上述混合狭缝波导的实现方法，通过在SOI晶圆上以CMOS兼容工艺沉积得到的氮化铝层和硅层，具体步骤包括：
[0010]步骤1、在SOI晶圆上利用原子层沉积技术(ALD)沉积出100nm厚的氮化铝结构；
[0011]步骤2、通过等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)沉积100nm厚的非晶硅层；
[0012]步骤3、使用EBL电子束曝光光刻技术，将波导结构定义在光刻胶上；
[0013]步骤4、通过等离子体刻蚀(ICP
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RIE)全刻蚀100nm以形成100nm厚的非晶硅波导结构。
[0014]步骤5、使用等离子体增强化学气相沉积法沉积1μm厚的SiO2包层，最终制得硅
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氮化铝
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硅结构混合狭缝波导。技术效果
[0015]本专利技术在传统硅波导的基础上引入氮化铝材料，形成厚度仅为100nm的Si
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AlN
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Si两种材料三层结构的波导器件，氮化铝材料的优良特性可以克服传统硅的部分限制，并且与微电子CMOS工艺相兼容，两种异质集成的波导既能有效传播光，又能引入氮化铝的优良光电特性与材料特性，并可以更改氮化铝的具体厚度来达到不同的光局域比，可以通过更改氮化铝层厚度而应用于不同场景。
附图说明
[0016]图1为本专利技术流程图；
[0017]图2为实施例制备得到的硅基氮化铝混合波导中的部分截面展示图(Si
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AlN
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Si)；
[0018]图3为实施例仿真光谱图；
[0019]图4为实施例中光局域在氮化铝层百分比值随其厚度变化函数图。
具体实施方式
[0020]如图1所示，为本实施例涉及的一种硅基氮化铝混合波导及其实现方法，包括以下步骤：
[0021]步骤1)通过原子层沉积(ALD)在SOI晶圆上沉积出一层氮化铝，厚度为100nm。
[0022]步骤2)在制备的氮化铝层上通过等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)沉积出100nm厚的非晶硅。
[0023]步骤3)通过EBL电子束曝光光刻技术，将波导定义在光刻胶上，而后通过等离子体刻蚀(ICP
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RIE)全刻蚀100nm以形成100nm厚的非晶硅波导结构，所述混合狭缝波导的硅
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氮化铝
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硅结构得以实现。
[0024]在刻蚀步骤完成后，使用等离子体增强化学气相沉积法沉积1μm厚的SiO2包层，最终制得硅
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氮化铝
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硅结构混合狭缝波导。
[0025]如图2所示，为本实施例上述方法制备得到的硅
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氮化铝
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硅结构混合狭缝波导，包括：第一硅层、氮化铝层和第二硅层，其中：上下硅层的厚度均为100nm，其中氮化铝的厚度可根据实际使用情况调整数值，优选为100nm。
[0026]通过对混合狭缝波导进行模拟计算器氮化铝局域光的百分比，证明其模场能够有效的局域在所述波导内，其中TM基模以51％的比例局域在上述混合狭缝的氮化铝层中。通过不停更改氮化铝的模拟厚度，光局域比计算结果也随之改变，具体改变情况为随着氮化铝厚度的增加而增加，如图4所示。
[0027]与现有技术相比，本专利技术将氮化铝材料应用于光波导器件中，通过光局域在氮化铝中的传播从而可以有效利用氮化铝材料所具有的光电特性和材料特性，并可以通过改变氮化铝层的厚度来调整光局域比，因此可以灵活运用于不同场景。
[0028]上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本专利技术原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本专利技术的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本专利技术之约束。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于硅
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氮化铝
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硅异质集成平台的混合狭缝波导，其特征在于，包括：从上到下依次设置的第一硅层、用于传播TM模的氮化铝层和第二硅层，即用于传播TE模和/或TM模的硅
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氮化铝
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硅结构；所述的第一和第二硅层的厚度均为100nm。2.根据权利要求1所述的基于硅
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氮化铝
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硅异质集成平台的混合狭缝波导，其特征是，所述的混合狭缝波导的折射率分布为硅材料折射率n1≈3.42，氮化铝材料折射率n2≈2.12。3.根据权利要求1所述的基于硅
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氮化铝
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硅异质集成平台的混合狭缝波导，其特征是，所述的传播TM模是指：氮化铝层厚度改变导致光模场局域在氮化铝层的比例值改变，即：光模场局域在氮化铝层的比例与氮...

【专利技术属性】
技术研发人员：张永，冯成龙，徐子涵，沈健，苏翼凯，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：