專(zhuān)利名稱(chēng)：基于硅襯底氮化物的懸空光波導(dǎo)器件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于娃襯底氮化物的懸空光波導(dǎo)器件及其制備方法，屬于信息材料與器件技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著硅襯底氮化物緩沖層生長(zhǎng)技術(shù)的突破，由于硅襯底和氮化物晶格失配和熱膨脹不一致造成的殘余應(yīng)力得以彌補(bǔ)，高質(zhì)量的硅襯底氮化物晶片逐步商業(yè)化。氮化物材料，特別是氮化鎵(GaN)材料，具有較高的折射率Γ2. 5)，在可見(jiàn)光、近紅外波段透明，是一種優(yōu)異的光學(xué)材料。利用其材料特性集成量子阱結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)光源和光子回路的單片集成。硅和氮化物加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)硅襯底剝離，制備懸空的氮化物光波導(dǎo)器件。利用氮化 物和空氣折射率的差異，獲得氮化物波導(dǎo)對(duì)光場(chǎng)的約束限制，支撐部分是實(shí)現(xiàn)懸空氮化物波導(dǎo)器件的必需結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提出一種橢圓形光波導(dǎo)支撐結(jié)構(gòu)，降低支撐部分的插入損耗，為發(fā)展面向可見(jiàn)光通信和光傳感的氮化物光子器件奠定基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種能夠降低器件插入損耗的基于硅襯底氮化物的懸空光波導(dǎo)器件及其制備方法。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于硅襯底氮化物的懸空光波導(dǎo)器件，實(shí)現(xiàn)載體為硅襯底氮化物晶片，所述硅襯底氮化物晶片包括頂層氮化物器件層和位于頂層氮化物器件層下部硅襯底層，其中
所述娃襯底層的上表面具有一個(gè)凹槽；
所述頂層氮化物器件層的上表面具有光波導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)。作為本發(fā)明的一種優(yōu)化結(jié)構(gòu)所述凹槽的橫截面為矩形。作為本發(fā)明的一種優(yōu)化結(jié)構(gòu)所述光波導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)的中部支撐結(jié)構(gòu)為橢圓形支撐結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還設(shè)計(jì)了一種基于硅襯底氮化物的懸空光波導(dǎo)器件的制備方法，包括如下具體步驟
步驟(I):在所述頂層氮化物器件層沉積一層二氧化硅或一層氧化鉿層作為刻蝕掩膜
層；
步驟(2):在所述刻蝕掩模層上表面旋涂一層電子束刻膠層；
步驟(3):采用電子束曝光技術(shù)在所述電子束刻膠層定義光波導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)；
步驟(4):采用離子束轟擊技術(shù)將步驟(3)中的光波導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到所述刻蝕掩膜
層；
步驟(5 ):采用反應(yīng)離子束刻蝕技術(shù)將步驟(4 )中的光波導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至氮化物器件
層；
步驟(6):采用各向同性硅刻蝕技術(shù)在所述硅襯底層上表面剝離出一個(gè)凹槽；步驟(7):采用氧氣等離子灰化方法去除頂層氮化物器件層的殘余電子束刻膠；
步驟(8):采用BHF工藝或Vapor HF工藝，去除頂層氮化物器件層殘余的二氧化硅或氧化鉿薄膜層，形成基于硅襯底氮化物的懸空光波導(dǎo)器件。本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果
1.本發(fā)明所設(shè)計(jì)的基于硅襯底氮化物的懸空光波導(dǎo)器件利用氮化物和空氣的大折射率差異，實(shí)現(xiàn)對(duì)光場(chǎng)的強(qiáng)約束限制；
2.本發(fā)明所設(shè)計(jì)的基于硅襯底氮化物的懸空光波導(dǎo)器件利用橢圓形支撐結(jié)構(gòu)，降低支撐部分引列入的插入損耗，實(shí)現(xiàn)低傳輸損耗的氮化物光波導(dǎo)器件；
3.本發(fā)明所設(shè)計(jì)的基于硅襯底氮化物的懸空光波導(dǎo)器件改變器件環(huán)境介質(zhì)的折射率，可以發(fā)展為光傳感器件；
4.本發(fā)明所設(shè)計(jì)的基于硅襯底氮化物的懸空光波導(dǎo)器件利用其空間自由度，結(jié)構(gòu)微機(jī)電驅(qū)動(dòng)器，可以發(fā)展微機(jī)電驅(qū)動(dòng)的氮化物光波導(dǎo)器件。


圖I為基于硅襯底氮化物的懸空光波導(dǎo)器件的結(jié)構(gòu)示意 圖2為基于硅襯底氮化物的懸空光波導(dǎo)器件的制備工藝流程 圖3a為基于硅襯底氮化物的懸空光波導(dǎo)器件在可見(jiàn)光波段的效率示意 圖3b為基于硅襯底氮化物的懸空光波導(dǎo)器件在紅外波段的效率示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明
如圖I所示，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于硅襯底氮化物的懸空光波導(dǎo)器件，實(shí)現(xiàn)載體為硅襯底氮化物晶片，所述硅襯底氮化物晶片包括頂層氮化物器件層和位于頂層氮化物器件層下部硅襯底層，其中
所述娃襯底層的上表面具有一個(gè)凹槽；
所述頂層氮化物器件層的上表面具有光波導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)。在具體實(shí)施例中，利用氮化物和空氣介質(zhì)的大折射率差異，實(shí)現(xiàn)對(duì)光場(chǎng)的強(qiáng)限制作用，獲得可見(jiàn)光、近紅外波段的氮化物光波導(dǎo)器件。作為本發(fā)明的一種優(yōu)化結(jié)構(gòu)所述光波導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)的中部支撐結(jié)構(gòu)為橢圓形支撐結(jié)構(gòu)。作為本發(fā)明的一種優(yōu)化結(jié)構(gòu)所述凹槽的橫截面為矩形。在具體實(shí)施例中，要求利用橢圓形支撐結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)懸空光波導(dǎo)器件的支撐，降低器件的插入損耗，獲得低損耗懸空氮化物光波導(dǎo)器件。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的基于硅襯底氮化物的懸空光波導(dǎo)器件具有廣泛的應(yīng)用范圍，例如
利用器件對(duì)環(huán)境折射率的敏感，可以用于實(shí)現(xiàn)基于懸空氮化物光波導(dǎo)的光傳感器件； 如圖3a所示，為基于硅襯底氮化物的懸空光波導(dǎo)器件在可見(jiàn)光波段的效率示意圖； 如圖3b所示，為基于硅襯底氮化物的懸空光波導(dǎo)器件在紅外波段的效率示意圖。利用器件的空間自由度，可以集成氮化物微機(jī)電驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)微機(jī)電可調(diào)的氮化物光波導(dǎo)器件；
利用器件的材料特性，可以集成氮化物量子阱，實(shí)現(xiàn)光源和光波導(dǎo)的單片集成器件。本發(fā)明還設(shè)計(jì)了一種基于硅襯底氮化物的懸空光波導(dǎo)器件的制備方法，包括如下具體步驟
步驟(I):在所述頂層氮化物器件層沉積一層二氧化硅或一層氧化鉿層作為刻蝕掩膜
層；
步驟(2):在所述刻蝕掩模層上表面旋涂一層電子束刻膠層；
步驟(3):采用電子束曝光技術(shù)在所述電子束刻膠層定義光波導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)； 步驟(4):采用離子束轟擊技術(shù)將步驟(3)中的光波導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到所述刻蝕掩膜
層；
步驟(5 ):采用反應(yīng)離子束刻蝕技術(shù)將步驟(4 )中的光波導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至氮化物器件
層；
步驟(6):采用各向同性硅刻蝕技術(shù)在所述硅襯底層上表面剝離出一個(gè)凹槽；
步驟(7):采用氧氣等離子灰化方法去除頂層氮化物器件層的殘余電子束刻膠；
步驟(8):采用BHF工藝或Vapor HF工藝，去除頂層氮化物器件層殘余的二氧化硅或氧化鉿薄膜層，形成基于硅襯底氮化物的懸空光波導(dǎo)器件。
權(quán)利要求
1.ー種基于硅襯底氮化物的懸空光波導(dǎo)器件，實(shí)現(xiàn)載體為硅襯底氮化物晶片，所述硅襯底氮化物晶片包括頂層氮化物器件層和位于頂層氮化物器件層下部硅襯底層，其特征在于: 所述娃襯底層的上表面具有一個(gè)凹槽； 所述頂層氮化物器件層的上表面具有光波導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于硅襯底氮化物的懸空光波導(dǎo)器件，其特征在于所述光波導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)的中部支撐結(jié)構(gòu)為橢圓形支撐結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于硅襯底氮化物的懸空光波導(dǎo)器件，其特征在于所述凹槽的橫截面為矩形。
4.ー種基于硅襯底氮化物的懸空光波導(dǎo)器件的制備方法，其特征在于，包括如下具體步驟 步驟(I):在所述頂層氮化物器件層沉積一層ニ氧化硅或ー層氧化鉿層作為刻蝕掩膜層； 步驟(2):在所述刻蝕掩模層上表面旋涂ー層電子束刻膠層； 步驟(3):采用電子束曝光技術(shù)在所述電子束刻膠層定義光波導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)； 步驟(4):采用離子束轟擊技術(shù)將步驟(3)中的光波導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到所述刻蝕掩膜層； 步驟(5 ):采用反應(yīng)離子束刻蝕技術(shù)將步驟(4 )中的光波導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至氮化物器件層； 步驟(6):采用各向同性硅刻蝕技術(shù)在所述硅襯底層上表面剝離出ー個(gè)凹槽； 步驟(7):采用氧氣等離子灰化方法去除頂層氮化物器件層的殘余電子束刻膠； 步驟(8):采用BHFエ藝或Vapor HFエ藝，去除頂層氮化物器件層殘余的ニ氧化硅或氧化鉿薄膜層，形成基于硅襯底氮化物的懸空光波導(dǎo)器件。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于硅襯底氮化物的懸空光波導(dǎo)器件，實(shí)現(xiàn)載體為硅襯底氮化物晶片，所述硅襯底氮化物晶片包括頂層氮化物器件層和位于頂層氮化物器件層下部硅襯底層；所述硅襯底層的上表面具有一個(gè)凹槽；所述頂層氮化物器件層的上表面具有光波導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)；所述光波導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)的中部支撐結(jié)構(gòu)為橢圓形支撐結(jié)構(gòu)；本發(fā)明還設(shè)計(jì)了一種基于硅襯底氮化物的懸空光波導(dǎo)器件的制備方法。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的基于硅襯底氮化物的懸空光波導(dǎo)器件及其制備方法能夠降低器件的插入損耗。
文檔編號(hào)G02B6/136GK102778724SQ20121027631
公開(kāi)日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月6日
發(fā)明者于慶龍, 朱洪波, 王永進(jìn), 胡芳仁 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)