[发明专利]基于硅衬底氮化物的悬空光波导器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于硅衬底氮化物的悬空光波导器件及其制备方法，属于信息材料与器件技术领域。

背景技术

随着硅衬底氮化物缓冲层生长技术的突破，由于硅衬底和氮化物晶格失配和热膨胀不一致造成的残余应力得以弥补，高质量的硅衬底氮化物晶片逐步商业化。氮化物材料，特别是氮化镓（GaN）材料，具有较高的折射率(~2.5)，在可见光、近红外波段透明，是一种优异的光学材料。利用其材料特性集成量子阱结构，可以实现光源和光子回路的单片集成。

硅和氮化物加工技术，实现硅衬底剥离，制备悬空的氮化物光波导器件。利用氮化物和空气折射率的差异，获得氮化物波导对光场的约束限制，支撑部分是实现悬空氮化物波导器件的必需结构。本发明提出一种椭圆形光波导支撑结构，降低支撑部分的插入损耗，为发展面向可见光通信和光传感的氮化物光子器件奠定基础。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够降低器件插入损耗的基于硅衬底氮化物的悬空光波导器件及其制备方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种基于硅衬底氮化物的悬空光波导器件，实现载体为硅衬底氮化物晶片，所述硅衬底氮化物晶片包括顶层氮化物器件层和位于顶层氮化物器件层下部硅衬底层，其中：

所述硅衬底层的上表面具有一个凹槽；

所述顶层氮化物器件层的上表面具有光波导器件结构。

作为本发明的一种优化结构：所述凹槽的横截面为矩形。

作为本发明的一种优化结构：所述光波导器件结构的中部支撑结构为椭圆形支撑结构。

本发明还设计了一种基于硅衬底氮化物的悬空光波导器件的制备方法，包括如下具体步骤：

步骤（1）：在所述顶层氮化物器件层沉积一层二氧化硅或一层氧化铪层作为刻蚀掩膜层；

步骤（2）：在所述刻蚀掩模层上表面旋涂一层电子束刻胶层；

步骤（3）：采用电子束曝光技术在所述电子束刻胶层定义光波导器件结构；

步骤（4）：采用离子束轰击技术将步骤（3）中的光波导器件结构转移到所述刻蚀掩膜层；

步骤（5）：采用反应离子束刻蚀技术将步骤（4）中的光波导器件结构转移至氮化物器件层；

步骤（6）：采用各向同性硅刻蚀技术在所述硅衬底层上表面剥离出一个凹槽；

步骤（7）：采用氧气等离子灰化方法去除顶层氮化物器件层的残余电子束刻胶；

步骤（8）：采用BHF工艺或Vapor HF工艺，去除顶层氮化物器件层残余的二氧化硅或氧化铪薄膜层，形成基于硅衬底氮化物的悬空光波导器件。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明所设计的基于硅衬底氮化物的悬空光波导器件利用氮化物和空气的大折射率差异，实现对光场的强约束限制；

2.本发明所设计的基于硅衬底氮化物的悬空光波导器件利用椭圆形支撑结构，降低支撑部分引列入的插入损耗，实现低传输损耗的氮化物光波导器件；

3.本发明所设计的基于硅衬底氮化物的悬空光波导器件改变器件环境介质的折射率，可以发展为光传感器件；

4.本发明所设计的基于硅衬底氮化物的悬空光波导器件利用其空间自由度，结构微机电驱动器，可以发展微机电驱动的氮化物光波导器件。

附图说明

图1为基于硅衬底氮化物的悬空光波导器件的结构示意图；

图2为基于硅衬底氮化物的悬空光波导器件的制备工艺流程图；

图3a为基于硅衬底氮化物的悬空光波导器件在可见光波段的效率示意图；

图3b为基于硅衬底氮化物的悬空光波导器件在红外波段的效率示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明设计了一种基于硅衬底氮化物的悬空光波导器件，实现载体为硅衬底氮化物晶片，所述硅衬底氮化物晶片包括顶层氮化物器件层和位于顶层氮化物器件层下部硅衬底层，其中：

所述硅衬底层的上表面具有一个凹槽；

所述顶层氮化物器件层的上表面具有光波导器件结构。

在具体实施例中，利用氮化物和空气介质的大折射率差异，实现对光场的强限制作用，获得可见光、近红外波段的氮化物光波导器件。

作为本发明的一种优化结构：所述光波导器件结构的中部支撑结构为椭圆形支撑结构。

作为本发明的一种优化结构：所述凹槽的横截面为矩形。