降低硅或绝缘体上的硅材料光波导损耗的方法

摘要

本发明提出了一种降低硅光波导，或基于绝缘体上的硅材料光波导损耗的方法，其特征在于：首先通过氢气气氛中的高温烘烤，改善硅光波导或SOI光波导的波导表面状况，显著抑止光在波导结构中传输时的散射损耗，实现光波导传输损耗的降低；然后再利用离子束辅助沉积技术，在波导的输入、输出端面沉积氧化铪增透膜，降低光耦合出入光波导的菲涅耳反射损耗；关键的技术途径为：(1)将制备的硅光波导或SOI光波导置于氢气气氛中，在800～1300℃的温度范围内烘烤10分钟～20小时；(2)利用离子束辅助沉积技术，在硅光波导或SOI光波导的输入和输出端面均匀沉积一层厚度为150～210nm的氧化铪增透膜，沉积速率0.1～0.8nm/s，材料折射率控制在1.82～1.95。

说明书

技术领域

本发明涉及一种降低硅光波导，包括基于绝缘体上的硅材料的SOI(Silicon-on-insulator)光波导损耗的方法，属于集成光学器件领域。

背景技术

硅是微电子学领域最重要的半导体材料，其成本低，加工工艺技术和集成电路技术非常成熟。而且在1.3-1.6μm的光通信波长范围内，硅的光吸收损耗非常低。随着光纤通信的迅猛发展，将硅从微电子学领域拓展到光电子学领域，开展全硅(包括绝缘体上的硅材料，SOI)光集成有源和无源器件的研究已经成为一个重要的发展趋势。而硅光波导，包括基于绝缘体上的硅材料的SOI光波导是全硅光集成技术中最重要的器件结构，是其它有源和无源波导器件的基础。硅光波导或SOI光波导的损耗值将直接影响光波导器件的性能指标与应用范围。

光波导的损耗有传输损耗和耦合损耗两部分。波导传输损耗是由于光子在波导结构传播过程中被吸收及散射，其中散射损耗是主要部分。而波导表面不平整引起的波导界面畸变散射是光波导重要的光散射机理，因此波导表面的粗糙程度是硅光波导或SOI光波导传输损耗的主要决定因素(Rickman，A.G.，Reed，G.T.，and Namavar，F.，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)。显然，改善波导表面状况，减小表面粗糙度以获得平滑的波导表面是降低硅光波导或SOI光波导传输损耗的有效途径。光波导的耦合损耗是指光场耦合出入光波导时输入光场与波导内传输光场之间的模式失配损耗以及菲涅耳反射损耗。光波导的结构尺寸设计决定了输入光场与波导内传输光场之间的模式失配损耗大小；而菲涅耳反射损耗，根据光学薄膜理论可以通过在光波导的输入和输出端面镀一层折射率和厚度均满足一定条件的均匀的增透膜，达到近似完全增透的效果，从而将其降低至极小值。对于硅光波导或SOI光波导而言，如果光直接从空气耦合出入波导，则菲涅耳反射损耗为3.22dB；需要在硅光波导或SOI光波导的输入和输出端面镀一层折射率约为1.87，厚度约为200nm的均匀的的增透膜(对于1550nm光波波长)，可以将菲涅耳反射损耗大幅度降低至0.1dB(石顺祥，张海兴，刘劲松，物理光学与应用光学，西安电子科技大学出版社，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，如果通过有效途径改善硅光波导或SOI光波导的波导表面状况，并且在光波导的输入和输出端面获得折射率与厚度合适且均匀的增透膜，则可以使硅光波导或SOI光波导的损耗显著降低。

发明内容

本发明的目的是提出了一种降低硅光波导，包括基于绝缘体上的硅材料的SOI光波导损耗的方法，其特征在于：首先通过氢气气氛中的高温烘烤，改善硅光波导或SOI光波导的波导表面状况，显著抑止光在波导结构中传输时的散射损耗，实现光波导传输损耗的降低；然后利用离子束辅助沉积技术，在波导的输入、输出端面沉积氧化铪增透膜，降低光耦合出入硅光波导或SOI光波导的菲涅耳反射损耗；从而能够大幅度降低硅光波导或SOI光波导的损耗。

本发明的目的是通过两个关键的技术途径实现的：(1)在氢气气氛中高温烘烤硅光波导或SOI光波导；(2)利用离子束辅助沉积技术，在波导的输入、输出端面沉积折射率与厚度合适且均匀的氧化铪增透膜。

第一个技术途径的具体实现步骤如下：

1、在硅光波导或SOI光波导放入高温反应炉前，采用半导体标准清洗工艺对波导进行清洗；

2、用HCl气体在1150～1250℃刻蚀硅光波导或SOI光波导表面0.5～2分钟，以去除波导表面氧化层，从而将硅材料充分暴露在气氛中；

3、在氢气气氛中，在800～1300℃的温度范围内烘烤硅光波导或SOI光波导10分钟～20小时，以改善波导表面状况。

硅光波导或SOI光波导经过氢气的高温烘烤后，表面状况可以得到明显的改善，波导表面变得很平滑，波导表面不平整引起的波导界面畸变散射损耗因此得到显著抑止，从而降低了硅光波导或SOI光波导的传输损耗。

第二个技术途径的具体实现步骤如下：

1、利用硅抛光工艺将硅光波导或SOI光波导的输入、输出端面抛光至经镜检光亮并无破缺的状况；

2、采用半导体标准清洗工艺对硅光波导或SOI光波导进行清洗；

3、利用离子束辅助沉积技术，在硅光波导或SOI光波导的输入和输出端面均匀沉积一层厚度为150～210nm的氧化铪增透膜，沉积速率0.1～0.8nm/s，材料折射率控制在1.82～1.95。

硅光波导或SOI光波导的输入、输出端面镀上了均匀的氧化铪增透膜后，光耦合出入光波导时的透过率明显增大，实现将约为3.22dB的菲涅耳反射损耗大幅度降低至小于0.1dB。

本发明提出的一种降低硅光波导，包括基于绝缘体上的硅材料的SOI光波导损耗的方法，是通过简单易行的上述成熟的技术途径实现的，同时显著降低了硅光波导或SOI光波导的传输损耗与耦合损耗。本发明可以应用于降低硅(或SOI)平面光波导、硅(或SOI)脊型光波导以及硅(或SOI)全内反射光波导等各种类型光波导的损耗，还可以应用于降低多模波导干涉型耦合器、星型耦合器、分路器、扇形波导等多种基于硅光波导或SOI光波导的无源器件损耗。

附图说明

图1是采用降低硅光波导损耗的方法处理前后的n/n⁺型硅外延平面硅光波导的示意图。

(a)是处理前的n/n⁺型硅外延平面硅光波导的示意图。

(b)是经过氢气气氛中的高温烘烤且输入、输出端面沉积了均匀的氧化铪增透膜的n/n⁺型硅外延平面硅光波导的示意图。

图2是采用降低SOI光波导损耗的方法处理前后的SOI脊型光波导的示意图。

(a)是处理前的SOI脊型光波导的示意图。

(b)是经过氢气气氛中的高温烘烤且输入、输出端面沉积了均匀的氧化铪增透膜的SOI脊型光波导的示意图。

图3是经过氢气气氛中的高温烘烤且输入、输出端面沉积了均匀的氧化铪增透膜的硅全内反射光波导的俯视图。

图4是经过氢气气氛中的高温烘烤且输入、输出端面沉积了均匀的氧化铪增透膜的2×2型硅多模波导干涉型耦合器的俯视图。

图中，1为n型硅，2为n⁺型硅，3为输入/输出端面，4为氧化铪增透膜，5为二氧化硅埋层，6为全内反射镜凹槽，7为全反射镜，8为多模波导。

具体实施方式

下面的实施例结合附图将有助于理解本发明，但本发明并不局限于此。

实施例1降低n/n+型硅外延平面光波导的损耗

采用半导体标准清洗工艺对n/n+型硅外延平面光波导进行清洗，将光波导放入高温反应炉内。用HCl气体在1150℃刻蚀光波导表面1分钟，以去除波导表面氧化层，从而将硅材料充分暴露在气氛中。在氢气气氛中，1150℃恒温烘烤光波导15分钟，以改善波导表面状况。利用化学机械抛光工艺将n/n+型硅外延平面光波导的输入、输出端面抛光，且经镜检光亮并无破缺后，采用半导体标准清洗工艺对光波导进行清洗。利用离子束辅助沉积技术，在波导的输入和输出端面均匀沉积一层厚度为175nm的氧化铪增透膜，沉积速率为0.3nm/s，镀膜材料的折射率为1.89。

实施例2降低SOI脊型光波导的损耗

利用化学机械抛光工艺将SOI脊型光波导的输入、输出端面抛光，且经镜检光亮并无破缺后，采用半导体标准清洗工艺对光波导进行清洗。将光波导放入高温反应炉内，用HCl气体在1220℃刻蚀光波导表面2分钟，以去除波导表面氧化层，从而将硅材料充分暴露在气氛中。在氢气气氛中，1200℃恒温烘烤光波导30分钟，以改善波导表面状况。采用半导体标准清洗工艺对SOI脊型光波导进行清洗后，利用离子束辅助沉积技术，在光波导的输入和输出端面均匀沉积一层厚度为207nm的氧化铪增透膜，沉积速率为0.5nm/s，镀膜材料的折射率为1.87。

实施例3降低硅全内反射光波导的损耗

采用半导体标准清洗工艺对硅全内反射光波导进行清洗，将光波导放入高温反应炉内。用HCl气体在1200℃刻蚀光波导表面1分钟，以去除波导表面氧化层，从而将硅材料充分暴露在气氛中。在氢气气氛中，1200℃恒温烘烤光波导1小时，以改善波导表面状况。利用机械抛光工艺将硅全内反射光波导的输入、输出端面抛光，且经镜检光亮并无破缺后，采用半导体标准清洗工艺对光波导进行清洗。利用离子束辅助沉积技术，在波导的输入和输出端面均匀沉积一层厚度为200nm的氧化铪增透膜，沉积速率为0.5nm/s，镀膜材料的折射率为1.92。

实施例4降低2×2型硅多模波导干涉型耦合器的损耗

利用化学机械抛光工艺将降低2×2型硅多模波导干涉型耦合器的各个输入、输出端面抛光，且经镜检光亮并无破缺后，采用半导体标准清洗工艺对光波导器件进行清洗。将光波导无源器件放入高温反应炉内，用HCl气体在1180℃刻蚀波导器件表面1分钟，以去除器件表面氧化层，从而将硅材料充分暴露在气氛中。在氢气气氛中，1000℃恒温烘烤光波导器件10小时，以改善表面状况。采用半导体标准清洗工艺对2×2型硅多模波导干涉型耦合器进行清洗后，利用离子束辅助沉积技术，在光波导器件的各个输入和输出端面均匀沉积一层厚度为187nm的氧化铪增透膜，沉积速率为0.7nm/s，镀膜材料的折射率为1.93。