CN106098745B - 一种内嵌双层膜的lnoi晶片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种内嵌双层膜的LNOI晶片及其制备方法，该晶体的整体结构自基底向上层依序包括：硅或铌酸锂基底(1)、二氧化硅缓冲层(2)、金电极层(3)、半导体有机高分子层(4)和铌酸锂薄膜层(5)，所述金电极层(3)和所述半导体有机高分子层(4)为内嵌双层膜。与现有技术相比，本发明极大地降低了波导的损耗，波导性能优良；使LNOI材料形成电流回路起到了很重要的便利作用，显著提高了LNOI材料形成光学或微电子学器件的可行性；本发明将直接推动基于LNOI平台的集成光路和器件向实用化方向迈进，可为下一代光电混合集成芯片的研发提供支撑。
Description
技术领域
本发明涉及集成光电子学技术领域，具体涉及一种内嵌Au和半导体有机高分子双层膜的LNOI晶片结构及其制作方法。
背景技术
铌酸锂(LiNbO3)是目前已知的居里温度最高(1210oC)和自发极化最大(0.70C/m)的铁电体材料，由于具有优良的压电、电光、声光、热释电及非线性光学等特性，是至今人们所发现的光子学性能最多、综合指标最好的铁电体材料，被广泛地应用于声学、光学、光通讯、光集成等领域。
以超大规模集成电路为代表的微电子技术已发展到了极高的水平，进一步提高集成电路性能的方向之一，是将传播速度更快、信息容量更大的光引进集成电路，形成光电子集成，即进入集成光电子学领域。在这一领域的杰出代表是绝缘衬底硅(SOI)光波导与器件。然而，传统铌酸锂光波导制备采用质子交换或钛扩散技术，其波导的芯层和包层折射率梯度小，对光场的限制较弱；与绝缘衬底硅(SOI)光波导相比，传统铌酸锂光波导的横截面大，弯曲损耗高，最终形成的器件尺寸大，很难实现大规模光子器件单片集成。
近年来随着技术革新，出现了与SOI光波导一样的绝缘衬底铌酸锂(LNOI)，LNOI光波导的芯层和包层折射率梯度大，横截面小，弯曲损耗低，同时继承了铌酸锂优良的光子学性能，甚至还能以单晶硅为基底，因此，LNOI是用于开发大规模集成光电子器件的理想平台。截止目前，已经在LNOI材料上分别实现了Y分束器、电光调制器、微环共振器以及二次谐波发生器等。用于制作LNOI纳米线、微环等结构加工工艺也日趋成熟和完善。与PPLN光波导相对应的周期极化(PP)LNOI光波导更加具有重要的应用价值，是未来LNOI平台上的大规模集成光电子芯片中的不可或缺的关键一环。然而，有关的PP-LNOI光波导的制作工艺和功能器件却鲜有报道。其原因还在于PP-LNOI光波导制备较为困难，现有的工艺方案还不能满足实际的应用场景。
发明内容
为了解决现有技术中LNOI光波导制备过程中所面临的技术难题，本发明提出了一种内嵌双层膜的LNOI晶片及其制备方法，该晶片结构采用新的绝缘衬底材料和复合结构，解决了制约LNOI材料周期极化过程中电流回路的构成问题。
本发明提出了一种内嵌双层膜的LNOI晶片，该晶体的整体结构自基底向上依序包括：硅或铌酸锂基底1、二氧化硅缓冲层2、金电极层3、半导体有机高分子层4和铌酸锂薄膜层5，所述金电极层3和所述半导体有机高分子层4为内嵌双层膜。
本发明还提出了一种内嵌双层膜的LNOI晶片的制作方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、选用光学级Z切0.5mm厚同成份铌酸锂基底6为初始材料，采用He+离子注入的方式在铌酸锂体材料表面生成一层铌酸锂薄膜层5；
步骤二、采用热氧化方式在铌酸锂晶体基底1上制备二氧化硅缓冲层2；
步骤三、基于二氧化硅缓冲层2，采用直流溅射的方式制备金电极层3；以及，基于金电极层3，制备半导体有机高分子层4；
步骤四、将步骤一中获得的He+离子注入过的铌酸锂体材料倒置在制备好的半导体有机高分子层4之上，表面键合，在半导体有机高分子层4表面形成铌酸锂薄膜层5；
步骤五、将步骤四所获得的样品加热到200℃，将铌酸锂体材料6与制备的LNOI晶片分离，再将分离后的铌酸锂薄膜层5上表面进行机械抛光，最终得到内嵌Au和半导体有机高分子双层膜的LNOI晶片。
与现有技术相比，本发明的一种内嵌双层膜的LNOI晶片极大地降低了波导的损耗，波导性能优良；使LNOI材料形成电流回路起到了很重要的便利作用，显著提高了LNOI材料形成光学或微电子学器件的可行性；本发明将直接推动基于LNOI平台的集成光路和器件向实用化方向迈进，可为下一代光电混合集成芯片的研发提供支撑。
附图说明
图1为本发明的一种内嵌双层膜的LNOI晶片整体结构示意图；
图2为本发明的一种内嵌双层膜的LNOI晶片制备方法过程示意图；附图标记：1、硅或铌酸锂基底，2、二氧化硅缓冲层，3、金电极层，4、半导体有机高分子层，5、铌酸锂薄膜层，6、铌酸锂体材料。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明所述的内嵌Au(金)和半导体有机高分子层双层膜的LNOI晶片的整体结构自基底向上层，依序包括硅或铌酸锂基底1、二氧化硅缓冲层2、金电极层3、半导体有机高分子层4、铌酸锂薄膜层5和铌酸锂体材料6。半导体有机高分子层(4)的厚度与二氧化硅缓冲层(2)的厚度相近。
本发明的内嵌Au和半导体有机高分子双层膜的LNOI晶片制备方法包括以下步骤：
步骤一、选用光学级Z切0.5mm厚同成份铌酸锂晶片为初始材料，采用He+离子注入的方式在铌酸锂体材料6表面生成一层500nm～5μm的薄膜；在铌酸锂体材料表面一层500nm～5μm的薄膜与铌酸锂体材料可以分离开来；
步骤二、若选用硅作为基底材料，则采用热氧化方式在硅基底上制备二氧化硅缓冲层，若选用铌酸锂作为基底材料，则采用PECVD化学气相沉积法在铌酸锂表面制备二氧化硅缓冲层；；此步骤中需将纯净的硅片在1100℃下干氧氧化10h(小时)以上；
步骤三、基于二氧化硅缓冲层，采用直流溅射的方式制备金电极层，金电极层的厚度在100nm～200nm左右，直流溅射时冲入氩气，使压强维持在0.4Pa左右；基于金电极层，采用沉积、溶胶-凝胶制或者其他等效的技术方式备半导体有机高分子层；根据所采用铌酸锂薄膜层的厚度，半导体有机高分子层的厚度可以是500nm～5μm之间；
步骤死四、将步骤一中获得的He+离子注入过的铌酸锂体材料倒置在制备好的半导体有机高分子层之上，表面键合，在半导体有机高分子层表面形成铌酸锂薄膜层；铌酸锂薄膜层与铌酸锂体材料的结合力弱于键合后的界面；
步骤五、将步骤四所获得的样品加热到200℃，将铌酸锂体材料与制备的LNOI晶片分离，最后再将分离后的铌酸锂薄膜层上表面进行机械抛光，最终得到内嵌Au和半导体有机高分子双层膜的LNOI晶片。
在上述制备方法中，本发明制备二氧化硅缓冲层采用的方法，所制备的二氧化硅均匀、致密，与铌酸锂的折射率差很大，能够在波导传输过程中起到良好的作用，极大地降低了波导的损耗；创新性地提出在原有LNOI晶片的结构中添加一层金电极层和一层半导体有机高分子膜。电极层采用的金，其导电性能极佳，化学成分稳定，对使LNOI材料形成电流回路起到了很重要的便利作用，显著提高了LNOI材料形成光学或微电子学器件的可行性；应用半导体有机高分子层，有助于减弱金电极层带来的波导损耗，并使LNOI材料形成电流回路起到了辅助作用半导体有机高分子膜层在击穿电压以下的电场环境下保持绝缘特性，在击穿电压以上的电场作用下，变成良导体，可配合下层金电极现实铌酸锂材料的极化。在铌酸锂体材料表面采用He+离子注入方式制备铌酸锂薄膜，形成的薄膜晶体缺陷少，光学均匀性好，具有很好的电光和非线性效应，波导性能优良，且损耗较小，能广泛用于用于无线电通讯、雷达、导航等无线电领域；采用铌酸锂薄膜替代传统的铌酸锂光波导，能够在很大程度上提高器件的集成度，减小器件的体积，使器件中光机电的结合更加方便，使相关器件的多样性大大增加。
Claims (3)
1.一种内嵌双层膜的LNOI晶片，其特征在于，该晶片的整体结构自基底向上依序包括：硅或铌酸锂基底(1)、二氧化硅缓冲层(2)、金电极层(3)、半导体有机高分子层(4)和铌酸锂薄膜层(5)，所述金电极层(3)和所述半导体有机高分子层(4)为内嵌双层膜。
2.如权利要求1所述的一种内嵌双层膜的LNOI晶片的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、选用光学级Z切0.5mm厚同成份铌酸锂体材料(6)为初始材料，采用He+离子注入的方式在铌酸锂体材料表面生成一层铌酸锂薄膜层(5)；
步骤二、硅或铌酸锂基底(1)上制备二氧化硅缓冲层(2)；
步骤三、基于二氧化硅缓冲层(2)，采用直流溅射的方式制备金电极层(3)；以及，基于金电极层(3)，制备半导体有机高分子层(4)；
步骤四、将步骤一所获得的He+离子注入过的铌酸锂体材料倒置在制备好的半导体有机高分子层(4)之上，表面键合，在半导体有机高分子层(4)表面形成铌酸锂薄膜层(5)；
步骤五、将步骤四所获得的样品加热到200℃，将铌酸锂体材料(6)与制备的LNOI晶片分离，再将分离后的铌酸锂薄膜层(5)上表面进行机械抛光，最终得到内嵌Au和半导体有机高分子双层膜的LNOI晶片。
3.如权利要求2所述的一种内嵌双层膜的LNOI晶片的制备方法，所述步骤二具体包括以下处理：若选用硅作为基底材料，则采用热氧化方式在硅基底上制备二氧化硅缓冲层，若选用铌酸锂作为基底材料，则采用PECVD化学气相沉积法在铌酸锂基底表面制备二氧化硅缓冲层。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Effective date of registration: 20231030 Address after: 230000, 3rd Floor, Building D4, Innovation Industrial Park, No. 800 Wangjiang West Road, High tech Zone, Hefei City, Anhui Province Patentee after: Hefei Photon Computing Intelligent Technology Co.,Ltd. Address before: Room 321-17, building 6-b, international enterprise R & D Park, No. 75, Tiansheng Road, Jiangbei new area, Nanjing, Jiangsu 210043 Patentee before: Nanjing Dingxin Photoelectric Technology Co.,Ltd. |
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