本發(fā)明屬于硅基光子集成回路，進(jìn)一步涉及復(fù)合光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，具體為一種基于氮化物分層包覆的氮化鋁波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及其制備方法。可用于馬赫-曾德?tīng)?mach-zehnder,mz)調(diào)制器、微環(huán)調(diào)制器、納米梁諧振腔調(diào)制器等器件的制作。

背景技術(shù)：

1、光通信技術(shù)作為現(xiàn)代通信領(lǐng)域的核心技術(shù)之一，因其高速傳輸、大容量、低損耗以及強(qiáng)抗干擾能力等顯著優(yōu)勢(shì)，已在全球范圍通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。在光通信系統(tǒng)中，電光調(diào)制器作為關(guān)鍵功能器件，通過(guò)調(diào)控光載波信號(hào)的相位，實(shí)現(xiàn)了電信號(hào)向光信號(hào)的高效轉(zhuǎn)換，從而支持了信息的長(zhǎng)距離、高速率傳輸。隨著5g、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)的迅猛發(fā)展，尤其是生成式人工智能(artificial?intelligence，ai)和大模型ai技術(shù)的崛起，智能化基礎(chǔ)架構(gòu)逐漸成型，從而帶來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)的算力需求。在這一背景下，電光調(diào)制器作為高速互連技術(shù)的核心器件，已成為算力提升和數(shù)據(jù)中心擴(kuò)展的基礎(chǔ)保障。

2、隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，電光調(diào)制器從第一代半導(dǎo)體材料硅，逐漸發(fā)展到包括鈮酸鋰(linbo3)和氮化鋁(aln)在內(nèi)的新型極化材料體系。相比于linbo3，盡管aln的固有電光系數(shù)(～6pm/v)小于linbo3(～30pm/v)，但它擁有較大的禁帶寬度(～6.2ev)，在中紅外、近紅外甚至可見(jiàn)光波段內(nèi)，不受光折變效應(yīng)的影響，也不易受到雙光子吸收損耗的影響。此外，aln可以通過(guò)低溫薄膜沉積工藝比如磁控濺射方法制備，且不會(huì)引入cmos工藝線上無(wú)法容忍的污染元素，因而能夠?qū)崿F(xiàn)與現(xiàn)有coms后端工藝兼容。這些都為aln電光調(diào)制器的批量制備和廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。根據(jù)工作原理的不同，aln電光調(diào)制器結(jié)構(gòu)可以劃分為傳統(tǒng)的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x、新型微環(huán)諧振器和光子晶體微腔等諧振結(jié)構(gòu)，其中諧振結(jié)構(gòu)具有緊湊的尺寸、高品質(zhì)因子和強(qiáng)的光子約束能力，能夠顯著降低器件的驅(qū)動(dòng)功率并提升調(diào)制速率，適應(yīng)未來(lái)更高性能的光通信系統(tǒng)場(chǎng)景。

3、光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是由低折射率材料包裹高折射率材料構(gòu)成的，其原理在于光線由高折射率材料向低折射率材料傳播時(shí)，會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象，這樣可以確保光線不會(huì)逃逸出波導(dǎo)。在硅基光電子學(xué)領(lǐng)域，由于sio2在屬于折射率較低的介質(zhì)材料，可以和高折射率波導(dǎo)材料構(gòu)成穩(wěn)定的光場(chǎng)限制結(jié)構(gòu)，因而通常選用其為波導(dǎo)蓋層使用。y.sun,w.shin,d.a.laleyan,p.wang,a.pandey,x.liu,y.wu,m.soltani,and?z.mi,ultrahigh?qmicroring?resonatorsusing?a?single-crystal?aluminum-nitride-on-sapphire?platform.optics?letters,2019,44(23):5679-5682.中通過(guò)在aln光波導(dǎo)上方和下方兩側(cè)布置金屬電極，施加用于調(diào)制aln光波導(dǎo)電光效應(yīng)的電場(chǎng)，其中波導(dǎo)覆蓋層選用了二氧化硅，這種直接使用sio2作為aln波導(dǎo)蓋層的方案，雖然在一定程度上能夠形成光場(chǎng)限制結(jié)構(gòu)并防止光的泄露，但仍存在以下不足之處：首先電光調(diào)制器的覆蓋物為氧化物，會(huì)造成親氧性的aln基波導(dǎo)電光特性退化和失效；al和sc對(duì)氧具有很強(qiáng)的親和力，二氧化硅中的氧元素在電場(chǎng)或者溫度的輔助下，會(huì)逐漸取代纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)中的氮原子，這種“氧污染”會(huì)引起波導(dǎo)材料折射率的降低以及電光性能的退化，最終影響電光調(diào)制器的整體性能；其次由于電極布置的遠(yuǎn)離aln波導(dǎo)，還會(huì)造成電場(chǎng)強(qiáng)度不足，器件工作電壓過(guò)大。

4、一方面，電光調(diào)制器結(jié)構(gòu)要求電極距離aln波導(dǎo)越近越好，這樣能夠最大化將施加電壓轉(zhuǎn)化為加載在波導(dǎo)上的電場(chǎng)強(qiáng)度，提高電光調(diào)諧效率；另一方面，金屬電極會(huì)對(duì)光場(chǎng)產(chǎn)生極強(qiáng)的吸收作用，為了避免光能量的損失，電極則不能距離波導(dǎo)過(guò)近。因此，亟待提出一種能夠權(quán)衡考慮到上述兩方面矛盾情況的改進(jìn)方案，進(jìn)一步提升電光調(diào)制效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于氮化物分層包覆的氮化鋁波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及其制備方法，用于解決現(xiàn)有方案中由于氧滲透進(jìn)多晶aln/alscn界面形成的al或sc的氧化物導(dǎo)致電光調(diào)制器長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性不佳的問(wèn)題。本發(fā)明通過(guò)物理氣相沉積pvd、化學(xué)氣相沉積cvd、脈沖激光沉積pld和原子層沉積ald等工藝生長(zhǎng)氮化物實(shí)現(xiàn)aln波導(dǎo)的基底層防護(hù)和上層防護(hù)，實(shí)現(xiàn)全包裹式氧阻隔，有效隔絕氧元素對(duì)aln基波導(dǎo)材料的污染，避免基于aln波導(dǎo)的電光調(diào)制器等光電子器件發(fā)生性能退化現(xiàn)象，為片上大規(guī)模集成長(zhǎng)壽命、高可靠的光電子芯片提供了一種有效改進(jìn)方案。

2、實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的基本思路：通過(guò)多次薄膜沉積工藝，在aln波導(dǎo)表面構(gòu)筑兼具氧阻隔能力與光學(xué)適配性的雙層氮化硅保護(hù)體系；該結(jié)構(gòu)在低溫條件下實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)核心的全形貌封裝，既有效隔絕外部氧元素對(duì)aln波導(dǎo)的滲透破壞，又通過(guò)材料組分調(diào)控形成低折射率，在維持光場(chǎng)高效約束的同時(shí)避免傳統(tǒng)厚包覆層引發(fā)的模式泄露問(wèn)題。該結(jié)構(gòu)有效隔離氧元素，防止“氧污染”對(duì)氮化鋁和鋁鈧氮電光調(diào)制器的影響，進(jìn)而保持其優(yōu)異的電光性能，突破了氮化鋁和鋁鈧氮電光調(diào)制器在復(fù)雜環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的技術(shù)壁壘，確保了電光調(diào)制器的電光調(diào)制效率與器件可靠性。

3、一、技術(shù)原理

4、aln基波導(dǎo)位于si襯底上方，通過(guò)在aln波導(dǎo)表面構(gòu)建多層氮化物封裝層比如常見(jiàn)的低損耗氮化硅(sin)、氮化鎵(gan)、氮化硼(bn)、氮化磷(p3n5)等實(shí)現(xiàn)氧阻隔保護(hù)。所述氮化物包裹層由薄膜沉積工藝形成的致密基底層與上方包覆層共同組成。通過(guò)調(diào)整材料組分形成與aln波導(dǎo)相匹配的光學(xué)特性，同時(shí)沉積的氮化物薄膜極薄，因此既不會(huì)影響波導(dǎo)對(duì)傳輸光場(chǎng)的限制作用，又能夠有效隔絕了氧元素的侵入。電極設(shè)置在aln基波導(dǎo)上側(cè)和下方兩側(cè)，加電后電場(chǎng)與c軸方向保持一致，從而有效地利用aln的電光調(diào)諧功能。

5、如圖1和圖2所示，aln基波導(dǎo)材料本身，由于其較大的禁帶寬度，表現(xiàn)為近似絕緣體的特性。此外，其在c軸方向擁有最大的電光系數(shù)，通過(guò)在波導(dǎo)上側(cè)和下方兩側(cè)設(shè)置電極結(jié)構(gòu)，可以獲得沿c軸方向的電場(chǎng)線，最大限度激發(fā)aln基波導(dǎo)的電光特性。作為本發(fā)明的核心結(jié)構(gòu)，氮化物包裹層的作用主要包括：

6、a)基于分層氮化物包覆結(jié)構(gòu)與aln基波導(dǎo)形成復(fù)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)控氮化物層的含氮比例形成與aln波導(dǎo)更大的折射率差，通過(guò)控制氮化物包覆層的厚度在10nm左右，光場(chǎng)能量依然會(huì)被限制在aln基波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中；

7、b)作為一種優(yōu)異耐氧化性的陶瓷材料，氮化硅可以有效減緩和阻隔氧元素向aln晶界的滲透路徑，避免aln基波導(dǎo)材料界面及體內(nèi)晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化、并影響到其電光性能的發(fā)揮，同時(shí)低溫沉積工藝避免高溫環(huán)境對(duì)aln波導(dǎo)和電極界面的熱損傷，從而確保光電調(diào)制器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性與可靠性。

8、一方面，將氮化硅包覆層控制在10nm左右，有效隔絕氧元素對(duì)aln基波導(dǎo)的影響；另一方面，較薄的氮化物包裹層并不會(huì)對(duì)aln基波導(dǎo)的光場(chǎng)傳輸模式產(chǎn)生較大影響，依然能夠?qū)⒐鈭?chǎng)能量限制在aln基波導(dǎo)中。當(dāng)光波導(dǎo)上方的頂電極與下方兩側(cè)的底電極加載電壓后，會(huì)形成沿c軸方向即圖中y軸方向的電場(chǎng)線穿越光波導(dǎo)內(nèi)部，基于pockels效應(yīng)對(duì)aln基波導(dǎo)的折射率進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)精確的電學(xué)調(diào)制，在mzi、微環(huán)諧振器和光子晶體微腔等調(diào)制器中有重要的應(yīng)用潛力。

9、二、器件結(jié)構(gòu)

10、參照?qǐng)D4-6，根據(jù)上述原理，本發(fā)明提出的一種基于氮化物分層包覆的氮化鋁波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，自下而上包括：硅襯底1和波導(dǎo)調(diào)制區(qū)域2；

11、所述波導(dǎo)調(diào)制區(qū)域2，包括頂電極21、兩個(gè)底電極、氮化物包覆波導(dǎo)結(jié)構(gòu)24、氧化物蓋層25和氧化物埋層26；其中氮化物包覆波導(dǎo)結(jié)構(gòu)24位于氧化物埋層26上表面，氧化物蓋層25覆蓋在氮化物包覆波導(dǎo)結(jié)構(gòu)24之上；

12、所述氮化物包覆波導(dǎo)結(jié)構(gòu)24，包括氮化物蓋層241、波導(dǎo)242和氮化物底層243，且波導(dǎo)242位于氮化物底層243上表面中間位置，氮化物蓋層241覆蓋在波導(dǎo)242和氮化物底層243上；

13、所述頂電極21位于氮化物包覆波導(dǎo)結(jié)構(gòu)24的正上方中間位置，并與氧化物蓋層25上表面緊密接觸；兩個(gè)底電極包括第一底電極22和第二底電極23，分別位于波導(dǎo)242的左側(cè)和右側(cè)。

14、進(jìn)一步，上述氮化物蓋層241和氮化物底層243材料為任意一種低損耗氮化物，包括氮化硅、氮化鎵、氮化硼、氮化磷；其厚度取值范圍為1～50nm。

15、進(jìn)一步，上述波導(dǎo)242，是氮化鋁和摻雜氮化鋁中的任意一種；所述摻雜氮化鋁中的摻雜元素為鈧sc，化學(xué)式為al1-xscxn，其中x表示占據(jù)的比例，該x取值范圍為0～50％。

16、進(jìn)一步，上述氧化物蓋層25和氧化物埋層26為電絕緣材料，包括氧化硅和氧化鋁。

17、進(jìn)一步，上述兩個(gè)底電極的縱向位置結(jié)構(gòu)相同；所述底電極，包括底電極金屬鍍層、導(dǎo)電通道和下層電極，其縱向位置結(jié)構(gòu)具體如下：底電極金屬鍍層位于氧化物蓋層25上表面中間；下層電極內(nèi)嵌于氧化物埋層26中，且其上表面與氮化物包覆波導(dǎo)結(jié)構(gòu)24的下表面接觸；導(dǎo)電通道內(nèi)嵌并貫穿氧化物蓋層25和氮化物包覆波導(dǎo)結(jié)構(gòu)24，其上、下表面分別與底電極金屬鍍層和下層電極接觸。

18、進(jìn)一步，上述波導(dǎo)調(diào)制區(qū)域2通過(guò)在頂電極21和兩個(gè)底電極之間施加電信號(hào)來(lái)改變波導(dǎo)242的折射率，用于實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制功能。

19、同時(shí)，本發(fā)明還提出一種制備基于氮化物分層包覆的氮化鋁波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的方法，通過(guò)物理氣相沉積pvd、化學(xué)氣相沉積cvd、脈沖激光沉積pld和原子層沉積ald工藝生長(zhǎng)氮化物實(shí)現(xiàn)aln波導(dǎo)的基底層防護(hù)，然后再通過(guò)pvd、cvd、pld或ald工藝沉積氮化物薄層實(shí)現(xiàn)aln波導(dǎo)的上層防護(hù)；具體包括如下步驟：

20、s1.在硅襯底1上生長(zhǎng)一層氧化物埋層26，將其作為基礎(chǔ)層，用于提供支撐和光學(xué)限制結(jié)構(gòu)；

21、s2.通過(guò)光刻和圖形化工藝在氧化物埋層26上形成下層電極；

22、s3.在氧化物埋層26的上表面通過(guò)pvd、cvd、pld或ald中的任意一種工藝沉積一層致密的氮化物基底層，即氮化物底層243；

23、s4.在氮化物底層243上生長(zhǎng)氮化鋁層或摻雜氮化鋁層，通過(guò)圖形化工藝形成用于光信號(hào)傳輸和電光調(diào)制波導(dǎo)242；

24、s5.針對(duì)波導(dǎo)的三維形貌特征，在氮化物底層243和波導(dǎo)242表面通過(guò)pvd、cvd、pld或ald中的任意一種工藝生長(zhǎng)氮化物蓋層241，完成氮化物包覆波導(dǎo)結(jié)構(gòu)24的制備；

25、s6.通過(guò)cvd在氮化物包覆波導(dǎo)結(jié)構(gòu)24上生長(zhǎng)氧化物蓋層25；

26、s7.通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光cmp工藝實(shí)現(xiàn)氧化物蓋層25的平坦化，且其最小厚度大于0；

27、s8.在電光調(diào)制波導(dǎo)242兩側(cè)依次刻蝕氧化物蓋層25、氮化物蓋層241和氮化物底層243直至下電極表面形成通孔，然后通過(guò)金屬膠帶剝離工藝，一次性實(shí)現(xiàn)底電極22和底電極23的表面引出，以及頂電極21的制備。

28、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

29、第一、由于本發(fā)明通過(guò)pvd工藝沉積氮化物實(shí)現(xiàn)aln波導(dǎo)的基層防護(hù)，在氮化物薄層上生長(zhǎng)aln基材料薄膜，刻蝕形成矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，然后再通過(guò)pecvd或ald工藝沉積適合復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的氮化物薄層，包覆aln基波導(dǎo)，從而能夠有效隔離氧元素，防止“氧污染”對(duì)aln基波導(dǎo)電光調(diào)制器的影響，保證電光調(diào)制波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。

30、第二、本發(fā)明在制備過(guò)程中pvd、pecvd和ald工藝全程溫度<400℃，避免了高溫導(dǎo)致的aln波導(dǎo)損傷及電極界面退化，同時(shí)還可以通過(guò)沉積工藝參數(shù)(如氣體比例、能量輸入)調(diào)控sin層氮含量，形成與aln波導(dǎo)核心的可控折射率差，抑制模式泄露并且降低氧滲透率。

31、第三、由于本發(fā)明使用pvd工藝沉積基層氮化物，僅在上包覆層采用pecvd或ald工藝，因此能夠顯著降低制備時(shí)產(chǎn)生的整體工藝成本。

32、第四、本發(fā)明工藝兼容性強(qiáng)，其結(jié)構(gòu)可運(yùn)用cmos標(biāo)準(zhǔn)加工工藝制造，具備量產(chǎn)特性，能夠用于制備片上大規(guī)模集成的非線性光電子器件，易于推廣應(yīng)用。