[发明专利]锗基光波导及其制备方法

说明书

本发明提供了一种锗基光波导及其制备方法。该制备方法包括以下步骤：S1，在第一衬底上顺序形成第一氮化硅层、锗籽晶层和第二氮化硅层，第一氮化硅层、锗籽晶层和第二氮化硅层沿远离衬底的方向顺序层叠；S2，在第二氮化硅层中形成与锗籽晶层连通的第一凹槽，并在第一凹槽中填充锗材料以形成脊形波导芯层；S3，形成覆盖第二氮化硅层和脊形波导芯层的第三氮化硅层，第二氮化硅层与第三氮化硅层构成锗基光波导的上包层，第一氮化硅层为锗基光波导的下包层，脊形波导芯层位于上包层和下包层之间。上述结构能够实现锗基波导的透光波段延伸到红外波的7.5μm左右，使具有该锗基光波导的光子集成芯片的工作波长能够扩展至中红外波段。

技术领域

本发明涉及光电子技术和光纤通信技术领域，具体而言，涉及一种锗基光波导及其制备方法。

背景技术

硅基光子集成由于其与CMOS工艺的兼容性，近年来受到了人们的广泛关注、发展迅速。然而，对于现有技术中硅基光子集成的器件，由于SiO₂对于波长大于3.7μm光波吸收系数会明显增大，导致其工作波长仅在近红外波段。

随着技术的发展研究者们希望将光子集成芯片的工作波长扩展至中红外波段，传统的SOI结构已经不能适应这种需求。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种锗基光波导及其制备方法，以解决现有技术中光子集成芯片的工作波长仅限制在近红外波段的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种锗基光波导的制备方法，包括以下步骤：S1，在第一衬底上顺序形成第一氮化硅层、锗籽晶层和第二氮化硅层，第一氮化硅层、锗籽晶层和第二氮化硅层沿远离衬底的方向顺序层叠；S2，在第二氮化硅层中形成与锗籽晶层连通的第一凹槽，并在第一凹槽中填充锗材料，以利用锗籽晶层和锗材料形成脊形波导芯层；S3，形成覆盖第二氮化硅层和脊形波导芯层的第三氮化硅层，第二氮化硅层与第三氮化硅层构成锗基光波导的上包层，第一氮化硅层为锗基光波导的下包层，脊形波导芯层位于上包层和下包层之间。

进一步地，形成锗籽晶层的步骤包括：在第二衬底上形成单晶锗层，并将单晶锗层与第一氮化硅层键合；去除第二衬底，并刻蚀单晶锗层以形成锗籽晶层。

进一步地，第二衬底为硅衬底。

进一步地，第一氮化硅层的厚度为500nm～1.5μm。

进一步地，锗籽晶层的厚度为40～50nm。

进一步地，形成脊形波导芯层的步骤包括：在与第一凹槽对应的锗籽晶层表面外延生长锗材料；对锗材料进行平坦化处理，以得到由平坦化的锗材料和锗籽晶层构成的脊形波导芯层。

进一步地，第一衬底为硅衬底。

根据本发明的另一个方面，提供了一种锗基光波导，包括第一衬底，锗基光波导还包括：第一氮化硅层，设置于第一衬底上，且第一氮化硅层为锗基光波导的下包层；脊形波导芯层，设置于第一氮化硅层远离第一衬底的一侧表面，脊形波导芯层具有多个第二凹槽，且脊形波导芯层由锗制备而成；第二氮化硅层，设置于第二凹槽中；第三氮化硅层，设置于脊形波导芯层和第二氮化硅层远离第一衬底的一侧，且第三氮化硅层与第二氮化硅层连接构成锗基光波导的上包层。

进一步地，脊形波导芯层包括锗籽晶层和多个脊形凸起部，相邻各脊形凸起部之间具有第二凹槽。

进一步地，下包层的厚度为500nm～1.5μm。

应用本发明的技术方案，提供了一种锗基光波导的制备方法，通过该制备方法能够得到锗-氮化硅波导器，其中，形成下包层、芯层和上包层分别选择SiNx/Ge/SiNx材料。通过理论推导或实验证明，该结构能够实现锗基波导的透光波段延伸到红外波的7.5μm左右，使具有该锗基光波导的光子集成芯片的工作波长能够扩展至中红外波段，从而拓展了光子集成芯片的应用领域。

附图说明