一種內(nèi)嵌雙層膜的lnoi晶片及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種內(nèi)嵌雙層膜的LNOI晶片及其制備方法，該晶體的整體結(jié)構(gòu)自基底向上層依序包括：硅或鈮酸鋰基底(1)、二氧化硅緩沖層(2)、金電極層(3)、半導(dǎo)體有機(jī)高分子層(4)和鈮酸鋰薄膜層(5)，所述金電極層(3)和所述半導(dǎo)體有機(jī)高分子層(4)為內(nèi)嵌雙層膜。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明極大地降低了波導(dǎo)的損耗，波導(dǎo)性能優(yōu)良；使LNOI材料形成電流回路起到了很重要的便利作用，顯著提高了LNOI材料形成光學(xué)或微電子學(xué)器件的可行性；本發(fā)明將直接推動基于LNOI平臺的集成光路和器件向?qū)嵱没较蜻~進(jìn)，可為下一代光電混合集成芯片的研發(fā)提供支撐。
【專利說明】
一種內(nèi)嵌雙層膜的LNOI晶片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及集成光電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種內(nèi)嵌Au和半導(dǎo)體有機(jī)高分子雙層膜的LNOI晶片結(jié)構(gòu)及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鈮酸鋰(LiNb03)是目前已知的居里溫度最高(1210oC)和自發(fā)極化最大(0.70C/m)的鐵電體材料，由于具有優(yōu)良的壓電、電光、聲光、熱釋電及非線性光學(xué)等特性，是至今人們所發(fā)現(xiàn)的光子學(xué)性能最多、綜合指標(biāo)最好的鐵電體材料，被廣泛地應(yīng)用于聲學(xué)、光學(xué)、光通訊、光集成等領(lǐng)域。
[0003]以超大規(guī)模集成電路為代表的微電子技術(shù)已發(fā)展到了極高的水平，進(jìn)一步提高集成電路性能的方向之一，是將傳播速度更快、信息容量更大的光引進(jìn)集成電路，形成光電子集成，即進(jìn)入集成光電子學(xué)領(lǐng)域。在這一領(lǐng)域的杰出代表是絕緣襯底硅(SOI)光波導(dǎo)與器件。然而，傳統(tǒng)鈮酸鋰光波導(dǎo)制備采用質(zhì)子交換或鈦擴(kuò)散技術(shù)，其波導(dǎo)的芯層和包層折射率梯度小，對光場的限制較弱；與絕緣襯底硅(SOI)光波導(dǎo)相比，傳統(tǒng)鈮酸鋰光波導(dǎo)的橫截面大，彎曲損耗高，最終形成的器件尺寸大，很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模光子器件單片集成。
[0004]近年來隨著技術(shù)革新，出現(xiàn)了與SOI光波導(dǎo)一樣的絕緣襯底鈮酸鋰(LNOI)，LN0I光波導(dǎo)的芯層和包層折射率梯度大，橫截面小，彎曲損耗低，同時(shí)繼承了鈮酸鋰優(yōu)良的光子學(xué)性能，甚至還能以單晶硅為基底，因此，LNOI是用于開發(fā)大規(guī)模集成光電子器件的理想平臺。截止目前，已經(jīng)在LNOI材料上分別實(shí)現(xiàn)了Y分束器、電光調(diào)制器、微環(huán)共振器以及二次諧波發(fā)生器等。用于制作LNOI納米線、微環(huán)等結(jié)構(gòu)加工工藝也日趨成熟和完善。與PPLN光波導(dǎo)相對應(yīng)的周期極化(PP)LNOI光波導(dǎo)更加具有重要的應(yīng)用價(jià)值，是未來LNOI平臺上的大規(guī)模集成光電子芯片中的不可或缺的關(guān)鍵一環(huán)。然而，有關(guān)的PP-LNOI光波導(dǎo)的制作工藝和功能器件卻鮮有報(bào)道。其原因還在于PP-LNOI光波導(dǎo)制備較為困難，現(xiàn)有的工藝方案還不能滿足實(shí)際的應(yīng)用場景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中LNOI光波導(dǎo)制備過程中所面臨的技術(shù)難題，本發(fā)明提出了一種內(nèi)嵌雙層膜的LNOI晶片及其制備方法，該晶片結(jié)構(gòu)采用新的絕緣襯底材料和復(fù)合結(jié)構(gòu)，解決了制約LNOI材料周期極化過程中電流回路的構(gòu)成問題。
[0006]本發(fā)明提出了一種內(nèi)嵌雙層膜的LNOI晶片，該晶體的整體結(jié)構(gòu)自基底向上依序包括:硅或鈮酸鋰基底1、二氧化硅緩沖層2、金電極層3、半導(dǎo)體有機(jī)高分子層4和鈮酸鋰薄膜層5，所述金電極層3和所述半導(dǎo)體有機(jī)高分子層4為內(nèi)嵌雙層膜。
[0007]本發(fā)明還提出了一種內(nèi)嵌雙層膜的LNOI晶片的制作方法，該方法包括以下步驟:
[0008]步驟一、選用光學(xué)級Z切0.5mm厚同成份鈮酸鋰基底6為初始材料，采用He+離子注入的方式在鈮酸鋰體材料表面生成一層鈮酸鋰薄膜層5;
[0009]步驟二、采用熱氧化方式在鈮酸鋰晶體基底I上制備二氧化硅緩沖層2;
[0010]步驟三、基于二氧化硅緩沖層2，采用直流濺射的方式制備金電極層3;以及，基于金電極層3，制備半導(dǎo)體有機(jī)高分子層4 ；
[0011]步驟四、將步驟一中獲得的He+離子注入過的鈮酸鋰體材料倒置在制備好的半導(dǎo)體有機(jī)高分子層4之上，表面鍵合，在半導(dǎo)體有機(jī)高分子層4表面形成鈮酸鋰薄膜層5;
[0012]步驟五、將步驟四所獲得的樣品加熱到200°C，將鈮酸鋰體材料6與制備的LNOI晶片分離，再將分離后的鈮酸鋰薄膜層5上表面進(jìn)行機(jī)械拋光，最終得到內(nèi)嵌Au和半導(dǎo)體有機(jī)高分子雙層膜的LNOI晶片。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的一種內(nèi)嵌雙層膜的LNOI晶片極大地降低了波導(dǎo)的損耗，波導(dǎo)性能優(yōu)良；使LNOI材料形成電流回路起到了很重要的便利作用，顯著提高了 LNOI材料形成光學(xué)或微電子學(xué)器件的可行性;本發(fā)明將直接推動基于LNOI平臺的集成光路和器件向?qū)嵱没较蜻~進(jìn)，可為下一代光電混合集成芯片的研發(fā)提供支撐。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明的一種內(nèi)嵌雙層膜的LNOI晶片整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2為本發(fā)明的一種內(nèi)嵌雙層膜的LNOI晶片制備方法過程示意圖；附圖標(biāo)記:1、硅或鈮酸鋰基底，2、二氧化硅緩沖層，3、金電極層，4、半導(dǎo)體有機(jī)高分子層，5、鈮酸鋰薄膜層，
6、鈮酸鋰體材料。
【具體實(shí)施方式】
[0016]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0017]本發(fā)明所述的內(nèi)嵌Au(金)和半導(dǎo)體有機(jī)高分子層雙層膜的LNOI晶片的整體結(jié)構(gòu)自基底向上層，依序包括硅或鈮酸鋰基底1、二氧化硅緩沖層2、金電極層3、半導(dǎo)體有機(jī)高分子層4、鈮酸鋰薄膜層5和鈮酸鋰體材料6。半導(dǎo)體有機(jī)高分子層(4)的厚度與二氧化硅緩沖層(2)的厚度相近。
[0018]本發(fā)明的內(nèi)嵌Au和半導(dǎo)體有機(jī)高分子雙層膜的LNOI晶片制備方法包括以下步驟:
[0019]步驟一、選用光學(xué)級Z切0.5mm厚同成份鈮酸鋰晶片為初始材料，采用He+離子注入的方式在銀酸鋰體材料6表面生成一層500nm?5μηι的薄膜;在銀酸鋰體材料表面一層500nm?5μπι的薄膜與鈮酸鋰體材料可以分離開來；
[0020]步驟二、若選用硅作為基底材料，則采用熱氧化方式在硅基底上制備二氧化硅緩沖層，若選用鈮酸鋰作為基底材料，則采用PECVD化學(xué)氣相沉積法在鈮酸鋰表面制備二氧化硅緩沖層；;此步驟中需將純凈的硅片在1100 0C下干氧氧化1h(小時(shí))以上；
[0021]步驟三、基于二氧化硅緩沖層，采用直流濺射的方式制備金電極層，金電極層的厚度在100nm?200nnL￡S，直流濺射時(shí)沖入氬氣，使壓強(qiáng)維持在0.4Pa左右;基于金電極層，采用沉積、溶膠-凝膠制或者其他等效的技術(shù)方式備半導(dǎo)體有機(jī)高分子層;根據(jù)所采用鈮酸鋰薄膜層的厚度，半導(dǎo)體有機(jī)高分子層的厚度可以是500nm?5μηι之間；
[0022]步驟死四、將步驟一中獲得的He+離子注入過的鈮酸鋰體材料倒置在制備好的半導(dǎo)體有機(jī)高分子層之上，表面鍵合，在半導(dǎo)體有機(jī)高分子層表面形成鈮酸鋰薄膜層;鈮酸鋰薄膜層與鈮酸鋰體材料的結(jié)合力弱于鍵合后的界面；[0023 ]步驟五、將步驟四所獲得的樣品加熱到200 °C，將鈮酸鋰體材料與制備的LNOI晶片分離，最后再將分離后的鈮酸鋰薄膜層上表面進(jìn)行機(jī)械拋光，最終得到內(nèi)嵌Au和半導(dǎo)體有機(jī)高分子雙層膜的LNOI晶片。
[0024]在上述制備方法中，本發(fā)明制備二氧化硅緩沖層采用的方法，所制備的二氧化硅均勻、致密，與鈮酸鋰的折射率差很大，能夠在波導(dǎo)傳輸過程中起到良好的作用，極大地降低了波導(dǎo)的損耗;創(chuàng)新性地提出在原有LNOI晶片的結(jié)構(gòu)中添加一層金電極層和一層半導(dǎo)體有機(jī)高分子膜。電極層采用的金，其導(dǎo)電性能極佳，化學(xué)成分穩(wěn)定，對使LNOI材料形成電流回路起到了很重要的便利作用，顯著提高了LNOI材料形成光學(xué)或微電子學(xué)器件的可行性；應(yīng)用半導(dǎo)體有機(jī)高分子層，有助于減弱金電極層帶來的波導(dǎo)損耗，并使LNOI材料形成電流回路起到了輔助作用半導(dǎo)體有機(jī)高分子膜層在擊穿電壓以下的電場環(huán)境下保持絕緣特性，在擊穿電壓以上的電場作用下，變成良導(dǎo)體，可配合下層金電極現(xiàn)實(shí)鈮酸鋰材料的極化。在鈮酸鋰體材料表面采用He+離子注入方式制備鈮酸鋰薄膜，形成的薄膜晶體缺陷少，光學(xué)均勻性好，具有很好的電光和非線性效應(yīng)，波導(dǎo)性能優(yōu)良，且損耗較小，能廣泛用于用于無線電通訊、雷達(dá)、導(dǎo)航等無線電領(lǐng)域;采用鈮酸鋰薄膜替代傳統(tǒng)的鈮酸鋰光波導(dǎo)，能夠在很大程度上提高器件的集成度，減小器件的體積，使器件中光機(jī)電的結(jié)合更加方便，使相關(guān)器件的多樣性大大增加。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種內(nèi)嵌雙層膜的LNOI晶片，其特征在于，該晶體的整體結(jié)構(gòu)自基底向上依序包括:硅或鈮酸鋰基底(1)、二氧化硅緩沖層(2)、金電極層(3)、半導(dǎo)體有機(jī)高分子層(4)和鈮酸鋰薄膜層(5)，所述金電極層(3)和所述半導(dǎo)體有機(jī)高分子層(4)為內(nèi)嵌雙層膜。2.如權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)嵌雙層膜的LNOI晶片的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 步驟一、選用光學(xué)級Z切0.5mm厚同成份鈮酸鋰材料(6)為初始材料，采用He+離子注入的方式在鈮酸鋰體材料表面生成一層鈮酸鋰薄膜層(5); 步驟二、硅或鈮酸鋰基底(I)上制備二氧化硅緩沖層(2); 步驟三、基于二氧化硅緩沖層(2)，采用直流濺射的方式制備金電極層(3);以及，基于金電極層(3)，制備半導(dǎo)體有機(jī)高分子層(4); 步驟四、將步驟一所獲得的He+離子注入過的鈮酸鋰體材料倒置在制備好的半導(dǎo)體有機(jī)高分子層(4)之上，表面鍵合，在半導(dǎo)體有機(jī)高分子層(4)表面形成鈮酸鋰薄膜層(5); 步驟五、將步驟四所獲得的樣品加熱到200°C，將鈮酸鋰體材料(6)與制備的LNOI晶片分離，再將分離后的鈮酸鋰薄膜層(5)上表面進(jìn)行機(jī)械拋光，最終得到內(nèi)嵌Au和半導(dǎo)體有機(jī)高分子雙層膜的LNOI晶片。3.如權(quán)利要求2所述的一種內(nèi)嵌雙層膜的LNOI晶片的制備方法，所述步驟二具體包括以下處理:若選用硅作為基底材料，則采用熱氧化方式在硅基底上制備二氧化硅緩沖層，若選用鈮酸鋰作為基底材料，則采用PECVD化學(xué)氣相沉積法在鈮酸鋰基底表面制備二氧化硅緩沖層。
【文檔編號】H01L21/02GK106098745SQ201610474749
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月21日
【發(fā)明人】華平壤, 陳朝夕
【申請人】天津大學(xué)