專利名稱：降低硅或絕緣體上的硅材料光波導(dǎo)損耗的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種降低硅光波導(dǎo)，包括基于絕緣體上的硅材料的SOI(Silicon-on-insulator)光波導(dǎo)損耗的方法，屬于集成光學(xué)器件領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
硅是微電子學(xué)領(lǐng)域最重要的半導(dǎo)體材料，其成本低，加工工藝技術(shù)和集成電路技術(shù)非常成熟。而且在1.3-1.6μm的光通信波長(zhǎng)范圍內(nèi)，硅的光吸收損耗非常低。隨著光纖通信的迅猛發(fā)展，將硅從微電子學(xué)領(lǐng)域拓展到光電子學(xué)領(lǐng)域，開(kāi)展全硅(包括絕緣體上的硅材料，SOI)光集成有源和無(wú)源器件的研究已經(jīng)成為一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)。而硅光波導(dǎo)，包括基于絕緣體上的硅材料的SOI光波導(dǎo)是全硅光集成技術(shù)中最重要的器件結(jié)構(gòu)，是其它有源和無(wú)源波導(dǎo)器件的基礎(chǔ)。硅光波導(dǎo)或SOI光波導(dǎo)的損耗值將直接影響光波導(dǎo)器件的性能指標(biāo)與應(yīng)用范圍。
光波導(dǎo)的損耗有傳輸損耗和耦合損耗兩部分。波導(dǎo)傳輸損耗是由于光子在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)傳播過(guò)程中被吸收及散射，其中散射損耗是主要部分。而波導(dǎo)表面不平整引起的波導(dǎo)界面畸變散射是光波導(dǎo)重要的光散射機(jī)理，因此波導(dǎo)表面的粗糙程度是硅光波導(dǎo)或SOI光波導(dǎo)傳輸損耗的主要決定因素(Rickman，A.G.，Reed，G.T.，and Namavar，F(xiàn).，Silicon-on-insulator optical ribwaveguide loss and mode characteristics，Journal of LightwaveTechnology，vol.12，no.10，p.1771-1776，1994；Marcuse，D.，Lighttransmission optics，Van Nostrand Reinhold，1982)。顯然，改善波導(dǎo)表面狀況，減小表面粗糙度以獲得平滑的波導(dǎo)表面是降低硅光波導(dǎo)或SOI光波導(dǎo)傳輸損耗的有效途徑。光波導(dǎo)的耦合損耗是指光場(chǎng)耦合出入光波導(dǎo)時(shí)輸入光場(chǎng)與波導(dǎo)內(nèi)傳輸光場(chǎng)之間的模式失配損耗以及菲涅耳反射損耗。光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)決定了輸入光場(chǎng)與波導(dǎo)內(nèi)傳輸光場(chǎng)之間的模式失配損耗大小；而菲涅耳反射損耗，根據(jù)光學(xué)薄膜理論可以通過(guò)在光波導(dǎo)的輸入和輸出端面鍍一層折射率和厚度均滿足一定條件的均勻的增透膜，達(dá)到近似完全增透的效果，從而將其降低至極小值。對(duì)于硅光波導(dǎo)或SOI光波導(dǎo)而言，如果光直接從空氣耦合出入波導(dǎo)，則菲涅耳反射損耗為3.22dB；需要在硅光波導(dǎo)或SOI光波導(dǎo)的輸入和輸出端面鍍一層折射率約為1.87，厚度約為200nm的均勻的的增透膜(對(duì)于1550nm光波波長(zhǎng))，可以將菲涅耳反射損耗大幅度降低至0.1dB(石順祥，張海興，劉勁松，物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)，西安電子科技大學(xué)出版社，p.72～75，2000；Fischer，U.，Zinke，T.，and Kropp，J.-R.，et al.，0.1dB/cm waveguide losses in single-mode SOI ribwaveguides，IEEE Photonics Technology Letters，vol.8，no.5，p.647-648，1996；)。
因此，如果通過(guò)有效途徑改善硅光波導(dǎo)或SOI光波導(dǎo)的波導(dǎo)表面狀況，并且在光波導(dǎo)的輸入和輸出端面獲得折射率與厚度合適且均勻的增透膜，則可以使硅光波導(dǎo)或SOI光波導(dǎo)的損耗顯著降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出了一種降低硅光波導(dǎo)，包括基于絕緣體上的硅材料的SOI光波導(dǎo)損耗的方法，其特征在于首先通過(guò)氫氣氣氛中的高溫烘烤，改善硅光波導(dǎo)或SOI光波導(dǎo)的波導(dǎo)表面狀況，顯著抑止光在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中傳輸時(shí)的散射損耗，實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)傳輸損耗的降低；然后利用離子束輔助沉積技術(shù)，在波導(dǎo)的輸入、輸出端面沉積氧化鉿增透膜，降低光耦合出入硅光波導(dǎo)或SOI光波導(dǎo)的菲涅耳反射損耗；從而能夠大幅度降低硅光波導(dǎo)或SOI光波導(dǎo)的損耗。
本發(fā)明的目的是通過(guò)兩個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)途徑實(shí)現(xiàn)的(1)在氫氣氣氛中高溫烘烤硅光波導(dǎo)或SOI光波導(dǎo)；(2)利用離子束輔助沉積技術(shù)，在波導(dǎo)的輸入、輸出端面沉積折射率與厚度合適且均勻的氧化鉿增透膜。
第一個(gè)技術(shù)途徑的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下1、在硅光波導(dǎo)或SOI光波導(dǎo)放入高溫反應(yīng)爐前，采用半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝對(duì)波導(dǎo)進(jìn)行清洗；2、用HCl氣體在1150～1250℃刻蝕硅光波導(dǎo)或SOI光波導(dǎo)表面0.5～2分鐘，以去除波導(dǎo)表面氧化層，從而將硅材料充分暴露在氣氛中；3、在氫氣氣氛中，在800～1300℃的溫度范圍內(nèi)烘烤硅光波導(dǎo)或SOI光波導(dǎo)10分鐘～20小時(shí)，以改善波導(dǎo)表面狀況。
硅光波導(dǎo)或SOI光波導(dǎo)經(jīng)過(guò)氫氣的高溫烘烤后，表面狀況可以得到明顯的改善，波導(dǎo)表面變得很平滑，波導(dǎo)表面不平整引起的波導(dǎo)界面畸變散射損耗因此得到顯著抑止，從而降低了硅光波導(dǎo)或SOI光波導(dǎo)的傳輸損耗。
第二個(gè)技術(shù)途徑的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下1、利用硅拋光工藝將硅光波導(dǎo)或SOI光波導(dǎo)的輸入、輸出端面拋光至經(jīng)鏡檢光亮并無(wú)破缺的狀況；
2、采用半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝對(duì)硅光波導(dǎo)或SOI光波導(dǎo)進(jìn)行清洗；3、利用離子束輔助沉積技術(shù)，在硅光波導(dǎo)或SOI光波導(dǎo)的輸入和輸出端面均勻沉積一層厚度為150～210nm的氧化鉿增透膜，沉積速率0.1～0.8nm/s，材料折射率控制在1.82～1.95。
硅光波導(dǎo)或SOI光波導(dǎo)的輸入、輸出端面鍍上了均勻的氧化鉿增透膜后，光耦合出入光波導(dǎo)時(shí)的透過(guò)率明顯增大，實(shí)現(xiàn)將約為3.22dB的菲涅耳反射損耗大幅度降低至小于0.1dB。
本發(fā)明提出的一種降低硅光波導(dǎo)，包括基于絕緣體上的硅材料的SOI光波導(dǎo)損耗的方法，是通過(guò)簡(jiǎn)單易行的上述成熟的技術(shù)途徑實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)顯著降低了硅光波導(dǎo)或SOI光波導(dǎo)的傳輸損耗與耦合損耗。本發(fā)明可以應(yīng)用于降低硅(或SOI)平面光波導(dǎo)、硅(或SOI)脊型光波導(dǎo)以及硅(或SOI)全內(nèi)反射光波導(dǎo)等各種類型光波導(dǎo)的損耗，還可以應(yīng)用于降低多模波導(dǎo)干涉型耦合器、星型耦合器、分路器、扇形波導(dǎo)等多種基于硅光波導(dǎo)或SOI光波導(dǎo)的無(wú)源器件損耗。


圖1是采用降低硅光波導(dǎo)損耗的方法處理前后的n/n+型硅外延平面硅光波導(dǎo)的示意圖。
(a)是處理前的n/n+型硅外延平面硅光波導(dǎo)的示意圖。
(b)是經(jīng)過(guò)氫氣氣氛中的高溫烘烤且輸入、輸出端面沉積了均勻的氧化鉿增透膜的n/n+型硅外延平面硅光波導(dǎo)的示意圖。
圖2是采用降低SOI光波導(dǎo)損耗的方法處理前后的SOI脊型光波導(dǎo)的示意圖。
(a)是處理前的SOI脊型光波導(dǎo)的示意圖。
(b)是經(jīng)過(guò)氫氣氣氛中的高溫烘烤且輸入、輸出端面沉積了均勻的氧化鉿增透膜的SOI脊型光波導(dǎo)的示意圖。
圖3是經(jīng)過(guò)氫氣氣氛中的高溫烘烤且輸入、輸出端面沉積了均勻的氧化鉿增透膜的硅全內(nèi)反射光波導(dǎo)的俯視圖。
圖4是經(jīng)過(guò)氫氣氣氛中的高溫烘烤且輸入、輸出端面沉積了均勻的氧化鉿增透膜的2×2型硅多模波導(dǎo)干涉型耦合器的俯視圖。
圖中，1為n型硅，2為n+型硅，3為輸入/輸出端面，4為氧化鉿增透膜，5為二氧化硅埋層，6為全內(nèi)反射鏡凹槽，7為全反射鏡，8為多模波導(dǎo)。
具體實(shí)施例方式
下面的實(shí)施例結(jié)合附圖將有助于理解本發(fā)明，但本發(fā)明并不局限于此。
實(shí)施例1降低n/n+型硅外延平面光波導(dǎo)的損耗采用半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝對(duì)n/n+型硅外延平面光波導(dǎo)進(jìn)行清洗，將光波導(dǎo)放入高溫反應(yīng)爐內(nèi)。用HCl氣體在1150℃刻蝕光波導(dǎo)表面1分鐘，以去除波導(dǎo)表面氧化層，從而將硅材料充分暴露在氣氛中。在氫氣氣氛中，1150℃恒溫烘烤光波導(dǎo)15分鐘，以改善波導(dǎo)表面狀況。利用化學(xué)機(jī)械拋光工藝將n/n+型硅外延平面光波導(dǎo)的輸入、輸出端面拋光，且經(jīng)鏡檢光亮并無(wú)破缺后，采用半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝對(duì)光波導(dǎo)進(jìn)行清洗。利用離子束輔助沉積技術(shù)，在波導(dǎo)的輸入和輸出端面均勻沉積一層厚度為175nm的氧化鉿增透膜，沉積速率為0.3nm/s，鍍膜材料的折射率為1.89。
實(shí)施例2降低SOI脊型光波導(dǎo)的損耗利用化學(xué)機(jī)械拋光工藝將SOI脊型光波導(dǎo)的輸入、輸出端面拋光，且經(jīng)鏡檢光亮并無(wú)破缺后，采用半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝對(duì)光波導(dǎo)進(jìn)行清洗。將光波導(dǎo)放入高溫反應(yīng)爐內(nèi)，用HCl氣體在1220℃刻蝕光波導(dǎo)表面2分鐘，以去除波導(dǎo)表面氧化層，從而將硅材料充分暴露在氣氛中。在氫氣氣氛中，1200℃恒溫烘烤光波導(dǎo)30分鐘，以改善波導(dǎo)表面狀況。采用半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝對(duì)SOI脊型光波導(dǎo)進(jìn)行清洗后，利用離子束輔助沉積技術(shù)，在光波導(dǎo)的輸入和輸出端面均勻沉積一層厚度為207nm的氧化鉿增透膜，沉積速率為0.5nm/s，鍍膜材料的折射率為1.87。
實(shí)施例3降低硅全內(nèi)反射光波導(dǎo)的損耗采用半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝對(duì)硅全內(nèi)反射光波導(dǎo)進(jìn)行清洗，將光波導(dǎo)放入高溫反應(yīng)爐內(nèi)。用HCl氣體在1200℃刻蝕光波導(dǎo)表面1分鐘，以去除波導(dǎo)表面氧化層，從而將硅材料充分暴露在氣氛中。在氫氣氣氛中，1200℃恒溫烘烤光波導(dǎo)1小時(shí)，以改善波導(dǎo)表面狀況。利用機(jī)械拋光工藝將硅全內(nèi)反射光波導(dǎo)的輸入、輸出端面拋光，且經(jīng)鏡檢光亮并無(wú)破缺后，采用半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝對(duì)光波導(dǎo)進(jìn)行清洗。利用離子束輔助沉積技術(shù)，在波導(dǎo)的輸入和輸出端面均勻沉積一層厚度為200nm的氧化鉿增透膜，沉積速率為0.5nm/s，鍍膜材料的折射率為1.92。
實(shí)施例4降低2×2型硅多模波導(dǎo)干涉型耦合器的損耗利用化學(xué)機(jī)械拋光工藝將降低2×2型硅多模波導(dǎo)干涉型耦合器的各個(gè)輸入、輸出端面拋光，且經(jīng)鏡檢光亮并無(wú)破缺后，采用半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝對(duì)光波導(dǎo)器件進(jìn)行清洗。將光波導(dǎo)無(wú)源器件放入高溫反應(yīng)爐內(nèi)，用HCl氣體在1180℃刻蝕波導(dǎo)器件表面1分鐘，以去除器件表面氧化層，從而將硅材料充分暴露在氣氛中。在氫氣氣氛中，1000℃恒溫烘烤光波導(dǎo)器件10小時(shí)，以改善表面狀況。采用半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝對(duì)2×2型硅多模波導(dǎo)干涉型耦合器進(jìn)行清洗后，利用離子束輔助沉積技術(shù)，在光波導(dǎo)器件的各個(gè)輸入和輸出端面均勻沉積一層厚度為187nm的氧化鉿增透膜，沉積速率為0.7nm/s，鍍膜材料的折射率為1.93。
權(quán)利要求
1.一種降低硅光波導(dǎo)損耗的方法，其特征在于首先通過(guò)氫氣氣氛中的高溫烘烤，改善硅光波導(dǎo)的波導(dǎo)表面狀況，實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)傳輸損耗的降低；然后利用離子束輔助沉積技術(shù)，在波導(dǎo)的輸入、輸出端面沉積氧化鉿增透膜，降低光耦合出入硅光波導(dǎo)的菲涅耳反射損耗；從而大幅度降低硅光波導(dǎo)的損耗。
2.按權(quán)利要求1所述的一種降低硅光波導(dǎo)損耗的方法，其特征在于所述的氫氣氣氛中的高溫烘烤的工藝步驟是(1)在硅光波導(dǎo)放入高溫反應(yīng)爐前，采用半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝對(duì)波導(dǎo)進(jìn)行清洗；(2)HCl氣體在1150～1250℃刻蝕硅光波導(dǎo)表面0.5～2分鐘，以去除波導(dǎo)表面氧化層，從而將硅材料充分暴露在氣氛中；(3)在氫氣氣氛中，在800～1300℃的溫度范圍內(nèi)烘烤硅光波導(dǎo)10分鐘～20小時(shí)，以改善波導(dǎo)表面狀況。
3.按權(quán)利要求1所述一種降低硅光波導(dǎo)損耗的方法，其特征在于所述的在硅光波導(dǎo)的輸入、輸出端面沉積氧化鉿增透膜的具體工藝步驟是(1)用硅拋光工藝將硅光波導(dǎo)的輸入、輸出端面拋光至經(jīng)鏡檢光亮并無(wú)破缺的狀況；(2)采用半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝對(duì)硅光波導(dǎo)進(jìn)行清洗；(3)利用離子束輔助沉積技術(shù)，在硅光波導(dǎo)的輸入和輸出端面均勻沉積一層厚度為150～210nm的氧化鉿增透膜，材料折射率控制在1.82～1.95。
4.按權(quán)利要求1所述的一種降低硅光波導(dǎo)損耗的方法，其特征在于氧化鉿增透膜的沉積速率0.1～0.8nm/s。
5.按權(quán)利要求1或2或3所述的降低硅光波導(dǎo)損耗的方法應(yīng)用于降低硅平面光波導(dǎo)、硅脊型光波導(dǎo)以及硅全內(nèi)反射光波導(dǎo)各種類型硅光波導(dǎo)的損耗，或應(yīng)用于降低多模波導(dǎo)干涉型耦合器、星型耦合器、分路器、扇形波導(dǎo)多種硅光波導(dǎo)無(wú)源器件的損耗。
6.一種降低基于絕緣體上的硅材料的光波導(dǎo)損耗的方法，其特征在于首先通過(guò)氫氣氣氛中的高溫烘烤，改善SOI光波導(dǎo)的波導(dǎo)表面狀況，實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)傳輸損耗的降低；然后利用離子束輔助沉積技術(shù)，在波導(dǎo)的輸入、輸出端面沉積氧化鉿增透膜，降低光耦合出入SOI光波導(dǎo)的菲涅耳反射損耗；從而大幅度降低SOI光波導(dǎo)的損耗。
7.按權(quán)利要求6所述的一種降低基于絕緣體上的硅材料的SOI光波導(dǎo)損耗的方法，其特征在于所述的氫氣氣氛中的高溫烘烤的工藝步驟是(1)在SOI光波導(dǎo)放入高溫反應(yīng)爐前，采用半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝對(duì)波導(dǎo)進(jìn)行清洗；(2)HCl氣體在1150～1250℃刻蝕SOI光波導(dǎo)表面0.5～2分鐘，以去除波導(dǎo)表面氧化層，從而將硅材料充分暴露在氣氛中；(3)在氫氣氣氛中，在800～1300℃的溫度范圍內(nèi)烘烤SOI光波導(dǎo)10分鐘～20小時(shí)，以改善波導(dǎo)表面狀況。
8.按權(quán)利要求6所述一種降低基于絕緣體上的硅材料的SOI光波導(dǎo)損耗的方法，其特征在于所述的在SOI光波導(dǎo)的輸入、輸出端面沉積氧化鉿增透膜的具體工藝步驟是(1)用硅拋光工藝將SOI光波導(dǎo)的輸入、輸出端面拋光至經(jīng)鏡檢光亮并無(wú)破缺的狀況；(2)采用半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝對(duì)SOI光波導(dǎo)進(jìn)行清洗；(3)利用離子束輔助沉積技術(shù)，在SOI光波導(dǎo)的輸入和輸出端面均勻沉積一層厚度為150～210nm的氧化鉿增透膜，材料折射率控制在1.82～1.95。
9.按權(quán)利要求6所述的一種降低基于絕緣體上的硅材料的SOI光波導(dǎo)損耗的方法，其特征在于氧化鉿增透膜的沉積速率0.1～0.8nm/s。
10.按權(quán)利要求6或7或8所述的降低基于絕緣體上的硅材料的SOI光波導(dǎo)損耗的方法應(yīng)用于降低SOI平面光波導(dǎo)、SOI脊型光波導(dǎo)以及SOI全內(nèi)反射光波導(dǎo)各種類型SOI光波導(dǎo)的損耗，或應(yīng)用于降低多模波導(dǎo)干涉型耦合器、星型耦合器、分路器、扇形波導(dǎo)多種SOI基光波導(dǎo)無(wú)源器件的損耗。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種降低硅光波導(dǎo)，或基于絕緣體上的硅材料光波導(dǎo)損耗的方法，其特征在于首先通過(guò)氫氣氣氛中的高溫烘烤，改善硅光波導(dǎo)或SOI光波導(dǎo)的波導(dǎo)表面狀況，顯著抑止光在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中傳輸時(shí)的散射損耗，實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)傳輸損耗的降低；然后再利用離子束輔助沉積技術(shù)，在波導(dǎo)的輸入、輸出端面沉積氧化鉿增透膜，降低光耦合出入光波導(dǎo)的菲涅耳反射損耗；關(guān)鍵的技術(shù)途徑為(1)將制備的硅光波導(dǎo)或SOI光波導(dǎo)置于氫氣氣氛中，在800～1300℃的溫度范圍內(nèi)烘烤10分鐘～20小時(shí)；(2)利用離子束輔助沉積技術(shù)，在硅光波導(dǎo)或SOI光波導(dǎo)的輸入和輸出端面均勻沉積一層厚度為150～210nm的氧化鉿增透膜，沉積速率0.1～0.8nm/s，材料折射率控制在1.82～1.95。
文檔編號(hào)G02B6/10GK1560655SQ200410016630
公開(kāi)日2005年1月5日 申請(qǐng)日期2004年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月27日
發(fā)明者張峰, 林志浪, 王永進(jìn), 程新利, 曹共柏, 張 峰 申請(qǐng)人:上海新傲科技有限公司