铌酸锂-氮化硅波导与激光器异质集成结构及其制备方法技术

本发明专利技术涉及集成光电子学技术领域，尤其涉及一种铌酸锂

【技术实现步骤摘要】
铌酸锂
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氮化硅波导与激光器异质集成结构及其制备方法


[0001]本专利技术涉及集成光电子学
，尤其涉及一种铌酸锂
‑
氮化硅波导与激光器异质集成结构及其制备方法。

技术介绍

[0002]近些年，随着光子电路的集成度提高，信息传输的速度显著增快。相比电互连无法满足更高带宽、更低功耗的需求等技术的局限性，光互连则具有高带宽、高速度、低功耗等优点，有希望可以在短距离上，甚至是芯片之间和芯片内部实现。目前的光互连中最重要的基础器件中除了光源以外，其它的器件在现阶段都可以实现，这也使得高效的光源成为现有的几种光材料（Si、SiN、LiNbO3）体系下光互连中最具挑战的目标。
[0003]为了实现混合激光器，人们在光材料上采用直接外延发光性能优异的三五族材料，但是三五族材料的器件制作工艺与互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）不兼容是一直存在的难点。于此同时，LNOI等平台对低损、低功耗、高效率的、工艺兼容性的需求也越来越高。基于此，异质集成III
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V/Si激光器、异质集成混合波导等技术发展迅速，异质集成也具有重要的研究价值。
[0004]2006年，Intel公司采用等离子表面活化键合方式在SOI衬底上异质集成了III
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V InP倏逝激光器；2011年，Intel联合IMEC公司开发了DVS
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BVB粘接键合方式实现了激光器在光芯片上的异质集成。除此之外，异质集成波导也取得了突破，公开号为CN107843957A的中国专利公布了一种氮化硅
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铌酸锂异质集成波导器件结构及制备方法，提出的一种氮化硅和铌酸锂的异质集成波导器件旨在用来实现高调制效率和低功耗的调制器，但其集成只考虑两种不同材料波导的薄膜生长堆叠和调制器部分，没有采用键合工艺解决LiNbO3刻蚀工艺难点，也没有涉及异质集成波导对激光光源的高效耦合和耦合后光的低损耗传输。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种铌酸锂
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氮化硅波导与激光器异质集成结构及其制备方法，用以解决现有技术存在的上述问题，既能解决LNOI激光光源集成的问题，同时也能通过SiN薄膜和LiNbO3波导的键合实现激光光源最大效率的耦合和光的低损耗传输。
[0006]根据本专利技术的第一方面，本专利技术提供一种铌酸锂
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氮化硅波导与激光器异质集成结构的制备方法，包括如下步骤：步骤1：先在刻蚀后的条形铌酸锂波导上第一次键合氮化硅，形成铌酸锂
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氮化硅混合波导；其中，所述铌酸锂
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氮化硅混合波导中铌酸锂波导层的厚度为100nm
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600nm，氮化硅层的厚度为200nm
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800nm；所述铌酸锂波导层的宽度为200nm
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1000nm，以使分布在所述铌酸锂波导层中的光场能量低于分布在所述铌酸锂
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氮化硅混合波导中的总光场能量的5%；步骤2：再在所述铌酸锂
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氮化硅混合波导的氮化硅层上第二次键合III
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V族激光器，形成铌酸锂
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氮化硅波导与激光器异质集成结构。
[0007]进一步地，所述III
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V族激光器为In
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P激光器。
[0008]进一步地，所述第一次键合方式为超真空室温键合方式、表面活化键合方式或等离子活化键合方式中的一种。
[0009]进一步地，所述第一次键合方式为等离子活化键合方式；所述步骤1具体包括如下步骤：步骤11、初次清洗：先采用NH4OH
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HF混合液湿法清洗所述铌酸锂波导晶圆片表面和氮化硅薄膜表面，再用水再次清洗两个表面；步骤12、O2等离子体表面活化处理：初次清洗完后，在含O2等离子体氛围下对所述铌酸锂波导晶圆片和所述氮化硅薄膜表面进行清洁和活化处理；步骤13、湿法溶液表面清洗：用RCA溶液对所述铌酸锂波导晶圆片和所述氮化硅薄膜表面进行清洗和羟基钝化处理；步骤14、第一次键合：所述铌酸锂波导晶圆片的铌酸锂薄膜和所述氮化硅薄膜表面预先对准，再在第一键合温度和第一键合压力下键合第一时间，然后退火后冷却至室温，在室温下放置24h
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72h后完成第一次键合；步骤15、氮化硅衬底去除。
[0010]进一步地，所述氮化硅薄膜为LPCVD氮化硅薄膜、PECVD氮化硅薄膜或PVD氮化硅薄膜。
[0011]进一步地，所述铌酸锂
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氮化硅混合波导中所述氮化硅层的折射率等于所述铌酸锂波导层的折射率。
[0012]进一步地，所述步骤14中，所述第一键合温度为250℃
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300℃；所述第一键合压力为0.5Mpa
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1.5Mpa；所述第一时间为30min
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60min；退火温度为400℃
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800℃；退火时间为5h
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10h。
[0013]进一步地，所述第二次键合方式为超真空室温键合方式、表面活化键合方式、等离子活化键合方式或BCB类聚合物键合方式中的一种。
[0014]进一步地，所述第二次键合方式为BCB类聚合物键合方式；所述步骤2具体包括如下步骤：步骤21、初次清洗：将第一次键合完成后形成的所述铌酸锂
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氮化硅混合波导作为初始材料，采用RCA溶液对所述铌酸锂
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氮化硅混合波导表面进行清洗；步骤22、BCB旋涂固化：将BCB胶均匀旋涂在所述铌酸锂
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氮化硅混合波导的氮化硅层的上表层，烘烤，冷却至室温完成固化；步骤23、III
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V族激光器清洗：用标准清洗液对III
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V族激光器表面进行清洗，干燥；步骤24、第二次键合：将清洗后的所述铌酸锂
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氮化硅混合波导的表面和所述III
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V族激光器的表面预先对准，再在第二键合温度和第二键合压力下键合第二时间，然后冷却至室温完成第二次键合；步骤25、激光器衬底去除。
[0015]进一步地，所述步骤23中，所述标准清洗液包括第一标准清洗液和第二标准清洗液，用所述第一标准清洗液和第二标准清洗液先后对所述III
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V族激光器表面进行清洗；所述第一标准清洗液包括HCL和H2O；所述第二标准清洗液包括H2SO4、H2O2和去离子水；和/或，所述步骤24中，所述第二键合温度为200℃
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300℃；所述第二键合压力为
150 KPa
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250Kpa；所述第二时间为0.5h
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1.5h；所述第二次键合在N2氛围下进行。
[0016]根据本专利技术的第二方面，本专利技术还提供一种铌酸锂
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氮化硅波导与激光器异质集成结构，采用上述的制备方法制备而成本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铌酸锂
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氮化硅波导与激光器异质集成结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：先在刻蚀后的条形铌酸锂波导上第一次键合氮化硅，形成铌酸锂
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氮化硅混合波导；其中，所述铌酸锂
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氮化硅混合波导中铌酸锂波导层的厚度为100nm
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600nm，氮化硅层的厚度为200nm
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800nm；所述铌酸锂波导层的宽度为200nm
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1000nm，以使分布在所述铌酸锂波导层中的光场能量低于分布在所述铌酸锂
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氮化硅混合波导中的总光场能量的5%；步骤2：再在所述铌酸锂
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氮化硅混合波导的氮化硅层上第二次键合III
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V族激光器，形成铌酸锂
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氮化硅波导与激光器异质集成结构。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述III
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V族激光器为In
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P激光器。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一次键合方式为超真空室温键合方式、表面活化键合方式或等离子活化键合方式中的一种。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述第一次键合方式为等离子活化键合方式；所述步骤1具体包括如下步骤：步骤11、初次清洗：以铌酸锂波导晶圆片为初始材料，先采用NH4OH
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HF混合液湿法清洗所述铌酸锂波导晶圆片表面和氮化硅薄膜表面，再用水再次清洗两个表面；步骤12、O2等离子体表面活化：初次清洗完后，在含O2等离子体氛围下对所述铌酸锂波导晶圆片和所述氮化硅薄膜表面进行清洁和活化处理；步骤13、湿法溶液表面清洗：用RCA溶液对所述铌酸锂波导晶圆片和所述氮化硅薄膜表面进行清洗和羟基钝化处理；步骤14、第一次键合：所述铌酸锂波导晶圆片的铌酸锂薄膜和所述氮化硅薄膜表面预先对准，再在第一键合温度和第一键合压力下键合第一时间，然后退火后冷却至室温，在室温下放置24h
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72h后完成第一次键合；步骤15、氮化硅衬底去除。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述氮化硅薄膜为LPCVD氮化硅薄膜、PECVD氮化硅薄膜或PVD氮化硅薄膜；和/或，所述铌酸锂
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氮化硅混合波导中所述氮化硅层的折射率等于所述铌酸锂波导层的折射率。6.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：王广庆，张磊，常林，隋军，
申请(专利权)人：中科鑫通微电子技术北京有限公司，
类型：发明
国别省市：