【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于氮化硅波导集成光学，具体涉及一种应用于通信波段的片上波导集成有源器件、制备方法及其应用。
技术介绍
1、伴随光子集成电路(photonic integrated circuits，pics)的快速发展，相较于传统的电子集成电路的基本元件：晶体管、电容器、电阻器等，光子集成电路基本元件主要包括：光调制器、光放大器、光探测器、光路复用器、光开关等。其中微环谐振器的一大优势是体积小、功耗低，可应用在滤波、波分复用/解复用、调制和传感多个领域，在大规模集成光路中扮演着十分重要的角色。
2、传统的光耦合采取端面耦合，这要求自由空间光经过透镜光纤准直，从芯片一端耦合进入，从芯片的另一端耦合出去，这种端对端的耦合形式，使得晶圆的尺寸往往在几毫米乃至厘米量级，波导器件长度增加的同时，传输损耗也会相继增加。而采用垂直光栅耦合的形式，可以极大程度缩小器件尺寸，可以摆脱耦合位置的限制，在芯片的任意位置寻找待测器件，对于晶圆级测试提供了极大便利。与传统半导体材料硅不同的是，氮化硅属于绝缘体材料，因此为了兼容cmos工艺，在有源器件制备时，无需在二维材料与波导之间引入介质层，降低工艺难度。然而，与硅波导相比，氮化硅与二氧化硅衬底的折射率差值较小，这也表明对光场束缚能力的下降。因此对于如何设计低传输损耗的氮化硅波导，以及高耦合效率的光栅耦合器是该领域面对的难点。
3、目前，过渡金属硫族化合物tmdcs作为二维材料中的一类，因其独特的光电特性，已被证明可用于光电探测领域，与硅光芯片高度集成，制备各类有源器件。然而绝大部分
4、可见，在通信波段如何实现高效的光与物质相互作用和片上混合集成、优化此类低折射率的波导的结构尺寸，是本领域技术人员亟待解决的问题。
技术实现思路
1、本专利技术的第一个目的在于，针对现有垂直结构光电探测器中对光吸收率低的问题，提供了一种片上波导集成有源器件。
2、为此，本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：
3、一种片上波导集成有源器件，其特征在于：自下而上依次为高掺杂硅衬底、二氧化硅埋氧层、氮化硅微环谐振器、源漏金属电极和范德华异质结硒化钯-碲化钼层；
4、所述硅衬底作为器件的基底，选用p型掺杂，掺杂浓度为1×1020，电阻率为0.001-0.005ω·cm，以用作所述有源器件的背栅，其中，所述硅衬底厚度不小于525μm；
5、所述二氧化硅埋氧层为器件的下包层，用于隔离硅衬底和氮化硅微环谐振器以减少光损耗，厚度为1μm，器件的上包层选择空气或者二氧化硅；
6、氮化硅微环谐振器包括光栅耦合器、直波导、环波导，光栅耦合器、直波导、环波导，光栅耦合器具有偏振选择性，与直波导两端相连，利用三环偏振控制器调节光纤中的偏振态为te模式，将光纤中的te偏振光耦合进入直波导；直波导与环波导的耦合间距为200nm-400nm，直波导与环波导之间通过倏逝场耦合，耦入环波导中的光在谐振波长处发生谐振增强。氮化硅微环谐振器通过电子束光刻技术定义在氮化硅层上构建微环谐振器的环形或类环形结构图案。
7、在采用上述技术方案的同时，本专利技术还可以采用或者组合采用如下技术方案：
8、作为本专利技术的优选技术方案：氮化硅微环谐振器高度为220nm，以电子束胶为掩膜，向下刻蚀深度为200nm，形成脊型波导结构，用于降低微环谐振器的传输损耗和底部光反射。根据二氧化硅埋氧层和氮化硅层的光学常数n和k，确定波导的截面尺寸宽度为1.2μm-2μm，高度为220nm，以保证光以te0单模在波导中低损耗传输。
9、作为本专利技术的优选技术方案：光栅耦合器的光栅周期为1.1μm-1.2μm，占空比为0.4-0.6，经过粒子群算法优化，光栅周期为1.146μm和0.456时，耦合效率最高为22.5％。
10、作为本专利技术的优选技术方案：源漏金属电极为复合型结构，下层金属为铬，作为粘附层，厚度为5-10nm，上层金属为金，厚度为50-100nm；源漏金属电极位于环波导两侧，与环波导间距3μm-6μm，以减少金属对光的吸收。
11、作为本专利技术的优选技术方案：范德华异质结硒化钯-碲化钼层中，源漏金属电极包括上电极和下电极，二维材料碲化钼覆盖在上电极，不与环波导接触；二维材料硒化钯覆盖在碲化钼和环波导上方，两端分别与碲化钼和下电极相连形成导电沟道；当耦入环波导中的光满足微环共振条件时，环波导中的光共振增强，增加了光与二维材料的相互作用。
12、本专利技术的第二个目的在于，针对现有技术中的问题，提供了一种片上波导集成有源器件的制备方法。
13、为此，本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：
14、片上波导集成有源器件的制备方法，包括以下步骤：
15、s1，在硅衬底上生长1μm的二氧化硅埋氧层；
16、s2，在外延氧化硅片上形成氮化硅微环谐振器；
17、s3，测量二氧化硅薄膜和氮化硅薄膜的光学常数n和k；
18、s4，在氮化硅微环谐振器上转移微环谐振器图案；
19、s5，利用感应耦合等离子体刻蚀icp进行干法刻蚀；
20、s6，旋涂利用电子束光刻ebl的方式，转移源漏金属电极图案；
21、s7，利用热阻蒸发的方式沉积铬金薄膜；使用去胶剂进行金属剥离工艺；
22、s8，依次将二维材料硒化钯和碲化钼薄片干法转移至源漏电极处，其中，
23、步骤s1中，在标准4英寸硅片上，通过热氧化法制备1μm的二氧化硅薄膜，作为氮化硅微环谐振器的下包层；
24、步骤s2中，氮化硅微环谐振器的制备采用低压化学气相沉积法lpcvd，生长220nm的氮化硅薄膜，作为核心器件层，用于后续图案化处理制备氮化硅微环谐振器。
25、在采用上述技术方案的同时，本专利技术还可以采用或者组合采用如下技术方案：
26、作为本专利技术的优选技术方案：步骤s3中，对于上述步骤生长的二氧化硅薄膜和氮化硅薄膜，使用椭偏仪测量上述氮化硅薄膜的光学常数n和k；经测量，在1.3μm-1.6μm通信波段，氮化硅薄膜的折射率n的范围从2.1079到2.1006，消光系数k近似为0，将上述薄膜的光学常数代入有限元仿真软件，计算光栅耦合器、环波导和直波导的结构参数。
27、作为本专利技术的优选技术方案：步骤s4-s5中，对4英寸的氮化硅晶圆进行切片，切割为1.5cm×1.5cm的小晶圆，将小晶本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种片上波导集成有源器件，其特征在于：自下而上依次为高掺杂硅衬底、二氧化硅埋氧层、氮化硅微环谐振器、源漏金属电极和范德华异质结硒化钯-碲化钼层；
2.如权利要求1所述的片上波导集成有源器件，其特征在于：氮化硅微环谐振器高度为220nm，直波导与环波导为在氮化硅层刻蚀出深度为200nm的脊型波导结构，用于降低波导底部的反射和散射，所述直波导与环波导之间耦合间距为200nm-400nm，直波导与环波导的脊棱宽度为1.2μm-2μm，以利于TE0模式的光在波导中以单模形式低损耗传输，保持通信波段内的光信号完整性。
3.如权利要求2所述的片上波导集成有源器件，其特征在于：光栅耦合器的光栅周期为1.1μm-1.2μm，占空比为0.4-0.6，刻蚀深度为200nm-220nm，以实现高耦合效率。
4.如权利要求1所述的片上波导集成有源器件，其特征在于：源漏金属电极为复合金属电极，下电极为铬，作为粘附层，厚度为5-10nm，上电极为金，厚度为50-100nm；源漏金属电极位于环波导两侧，与环波导间距为3μm-6μm，以减少金属对光的吸收。
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6.如权利要求1所述的片上波导集成有源器件，其特征在于：所述高掺杂硅衬底，选用p型掺杂，掺杂浓度为1×1020，电阻率为0.001-0.005Ω·cm，其中，所述高掺杂硅衬底101厚度不小于525μm。
7.权利要求1-6任一权利要求所述的片上波导集成制备方法，包括以下步骤：
8.选用权利要求1-6任一权利要求所述的片上波导集成有源器件的应用，其特征在于：应用在通信波段，将二维材料硒化钯的窄带隙特性与氮化硅微环谐振器的谐振增强特性相结合，实现1550nm波段的光电转换，在偏置电压Vds为2V下，获得光电流为5.45μA；且谐振波长下的光电流比非谐振波长下的光电流大0.92μA，提高范德华异质结器件光吸收和光电转换能力。
...【技术特征摘要】
1.一种片上波导集成有源器件，其特征在于：自下而上依次为高掺杂硅衬底、二氧化硅埋氧层、氮化硅微环谐振器、源漏金属电极和范德华异质结硒化钯-碲化钼层；
2.如权利要求1所述的片上波导集成有源器件，其特征在于：氮化硅微环谐振器高度为220nm，直波导与环波导为在氮化硅层刻蚀出深度为200nm的脊型波导结构，用于降低波导底部的反射和散射，所述直波导与环波导之间耦合间距为200nm-400nm，直波导与环波导的脊棱宽度为1.2μm-2μm，以利于te0模式的光在波导中以单模形式低损耗传输，保持通信波段内的光信号完整性。
3.如权利要求2所述的片上波导集成有源器件，其特征在于：光栅耦合器的光栅周期为1.1μm-1.2μm，占空比为0.4-0.6，刻蚀深度为200nm-220nm，以实现高耦合效率。
4.如权利要求1所述的片上波导集成有源器件，其特征在于：源漏金属电极为复合金属电极，下电极为铬，作为粘附层，厚度为5-10nm，上电极为金，厚度为50-100nm；源漏金属电极位于环波导两侧，与环波导间距为3μm-6μm，以减少金属对光的吸收。
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【专利技术属性】
技术研发人员：俞一鸣，唐伟伟，何家乐，徐雷君，洪洁，朱曙光，郑泽兴，李冠海，陈效双，
申请(专利权)人：国科大杭州高等研究院，
类型：发明
国别省市：
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