（微電子學與固體電子學專業(yè)論文）soi光波導器件及其增透膜的研究.pdf

s 0 1 光波導器件及其增逢膜的研究 s 0i 光波導器件及其增透膜的研究 王永進 微電子學與固體電子學 指導老師 鄒世昌院士張峰研究員 摘要 由于其特殊的結(jié)構(gòu) s o l s i l i c o n o n i n s u l a t o r 材料具有優(yōu)良的光學和電學性能 為超大規(guī)模集成電路 v l s i v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n 和平面波導技術(shù)提供了一個 共同的平臺 s 0 1 光波導制作工藝與成熟的硅基c m o s 工藝相兼容 s o l 材料不僅 可以制備無源和有源光電子器件 而且還可以和m e m s 器件集成 s o l 材料上的光 電器件的單片集成是光電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向 本論文對s o l 大截面脊形波導器件及 其相關的增透膜進行了研究 為減少s o i 波導端面菲涅耳反射損耗 尋找合適的增透膜 分別采用p e c v d 方 法制備了s i n o h 薄膜 i b a d 方法制備了氨氧化硅薄膜和電子束蒸發(fā)的方法制備了 h f 0 2 薄膜 通過橢圓偏振儀 x r a y 光電子能譜 分光計等設備 對制備薄膜的光學 性能 成分進行了表征 相關的光學試驗結(jié)果表明這三種薄膜都是適合硅基光器件的 良好的單層增透膜 其中 在光通信窗口1 5 5 0 n m 處 通過鍍厚度為1 8 5 n m 的h f 0 2 單層薄膜 雙面拋光硅片的菲涅耳損耗降至o 0 2 2 d b 對于s o l 脊形波導器件 從工 藝的實際實現(xiàn)條件上 p e c v d 方法制備s i n o h 薄膜受到設備結(jié)構(gòu)的限制 不適用 波導的端面鍍膜 i b a d 方法制各氮氧化硅薄膜對于拋光后的s o l 端面沉積薄膜不受 影響 但是對于集成的波導器件 沉積過程受到限制 電子柬蒸發(fā)的方法制備h f 0 2 薄膜由于其特殊的沉積方式 只要有特殊的夾具夾持波導器件 使波導端面垂直于蒸 發(fā)方向 即可獲得高度均勻的h f 0 2 薄膜 對于集成的波導器件依然可行 這是一種 方便簡易的鍍膜方法 根據(jù)s o l 脊形波導單模理論 采用電感耦合反應離子刻蝕制備了高垂直度的s o l 脊形波導 為了更好的和光纖耦合 摸索了集成光波導器件的制備工藝 通過對v 型槽 u 型槽陣列和波導集成的研究 進一步優(yōu)化了集成s o l 波導器件的制備工藝 采用u 型槽陣列制備了集成的光波導器件 成功地實現(xiàn)了在集成波導端面的沉 積h i d 2 增透膜 在此基礎上 對于集成的y 分支和t 分支器件進行了研究 對于這 些基本器件的研究為后續(xù)工作的開展打下了一定的基礎 對這些集成器件的光學性能 中圓科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所博士學住論文 摘要 基本測試表明 這些器件工作良好 由于實驗室條件所限 只能對波導器件進行一些 簡單的插入損耗測試 獲得的y 分支器件平均插入損耗為4 4 d b t 分支器件兩個分 支的損耗分別為5 0 d b 和5 2 d b 分光比為5 2 4 8 分析了應用于s o i 側(cè)壁散射損耗的通用的公式 并結(jié)合實際情況 把這些公式 應用到目前的研究上面去 具體采用t i e n 的理論公式計算和分析了s o i 脊形波導側(cè) 壁表面和上下表面造成的散射損耗 采用原子力顯微鏡直接測試了s o l 脊形波導端面和側(cè)壁的表面形貌 并對不同 方法獲得的端面以及沉積增透膜后的端面進行了測量 通過獲得的表面均方根粗糙度 估計了端面損耗 通過側(cè)壁表面的粗糙度估計了相應的散射損耗 并比較了模版質(zhì)量 對側(cè)壁粗糙度的影響 采用原予力顯微鏡直接測量了轉(zhuǎn)彎微鏡的表面形貌 并估計了 相關的散射損耗 通過氫氣退火 真空退火 i c p r i e 單步刻蝕工藝和氧化清洗工藝一系列的方法 探索研究了降低側(cè)壁和轉(zhuǎn)彎微鏡表面粗糙度的方法 在不改變波導結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況 下 可以結(jié)合氫氣退火或真空退火和i c p r i e 單步刻蝕工藝降低表面的粗糙度 這種 方法對于結(jié)構(gòu)參數(shù)比較敏感的s o i 基量子器件比較適用 如果能設計合適的清洗余 量 采用氧化清洗工藝是一種優(yōu)良的方法降低刻蝕表面的粗糙度 可以獲得高質(zhì)量的 鏡面 這種方法適用于大截面的s o l 波導器件 關鍵詞 s o i 脊形波導 增透膜 電感耦合反應離子刻蝕 散射損耗 原子力顯 微鏡 中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所博士學位論文 i i s 0 l 光波導器件及其增透膜的研究 o p t i c a lw a v e g u i d ed e v i c e sa n dt h e i ra n t i r e f l e c t i o n c o a t i n g si ns i l i c o n o n i n s u l a t o r y o n nw a n g m i c r o e l e c t r o n i e sa n ds o l i d s t a t ee l e c t r o n i c s s u p e r v i s o rb y f e l l o ws h i c h o n gz o u p r o f e s s o rf e n gz h a n g a b s t r a c t s o i s i l i c o n o n i n s u l a t o r c o n s i s t so fat h i ns i l i c o nl a y e ro nt o po fo a io x i d ec l a d d i n g l a y e rc a r r i e do nab a r es i l i c o nw a f e r w i t hi t ss i l i c o nc o r e n 3 4 5 a n di t so x i d ec l a d d i n g m 1 4 5 i th a sah i g hv e r t i c a lr e f r a c t i v ei n d e xc o n t r a s t a l s o b o t hs i l i c o na n dt h eo x i d e a r et r a n s p a r e n ta tt h et e l e c o mw a v e l e n g t ho f1 3 哪a n d1 5 p m d u et oi t s s p e c i a l s t r u c t u r e s o im a t e r i a ls y s t e m w h i c hh a sv e r yg o o do p t i c a la n de l e c t r o n i cp r o p e r t i e s p r o v i d e sac o m m o np l a t f o r mf o rv l s i v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n a n dp l c p l a n a r l i g h t w a v ec i r c u i t f a b r i c a t i o np r o c e s so fs o io p t i c a lw a v e g u i d ei sv e r yc o m p a t i b l ew i t h s t a n d a r dc m o sf a b r i c a t i o np r o c e s s e s p a s s i v ea n da c t i v eo p t o e l e c t r o n i cd e v i c e sc a nb e f a b r i c a t e do nt h es 0 1w a f e r a n dm e m sd e v i c e sa l s oc o nb ei n t e g r a t e do nt h es 0 1w a f e r m o n o l i t h i ci n t e g r a t i o no fo p t o e l e c t r o n i cd e v i c e so nt h es o lw a f e ri st h em a i nt r e n df o r f u t u r eo p t o e l e c t r o n i ci n d u s t r y o u rw o r ki nt h i sd i s s e r t a t i o ni sf o c u s e do nt h eo p t i c a l w a v e g u i d ed e v i c e sa n dt h e i ra n t i r e f l e c t i o nc o a t i n g si ns o im a t e r i a l s f o rs o i b a s e do p t i c a lw a v e g u i d ed e v i c e s t h er e f l e c t a n c ea n dt r a n s m i t t a n c eo f u n c o a t e dw a v e g u i d i n gs i l i c o nl a y e ri sa l m o s tc o n s t a n ta b o u t3l a n d5 5 r e s p e c t i v e l y a tt h ea i r w a v e g u i d eo rw a v e g u i d e c o u p l i n gf i b e ri n t e r f a c e sf r e s n e lr e f l e c t i o no c c u r s f r e s n e lr e f l e c t i o nl o s so ft h et w ow a v e g u i d ee n d f a c e sw a sc a l c u l a t e dt ob e3 2 2 d b a s s u m i n gan o r m a l l yi n c i d e n tb e a m as o i b a s e dw a v e g u i d ed e v i c en e e d sah i g h q u a l i t y a n t i r e f l e c t i o nc o a t i n go nb o t hf a c e so ft h ed e v i c et om i n i m i z et h ef r e s n e lr e f l e c t i o n t o f i n dp r o p e ra n t i r e f l e c t i o nc o a t i n g s v a r i o u sm e t h o d sh a v eb e e ne x p l o r e dt od e p o s i t h i g h q u a l i t ya n t i r e f l e c t i o nc o a t i n g s i n c l u d i n gs i n o hf i l m sd e p o s i t e db yp l a s m a e n h a n c e dc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n p e v c v d s i l i c o no x y n i t r i d ef i l m sp r e p a r e db yi o n b e a ma s s i s t e dd e p o s i t i o n i b a d a n dh f 0 2f i l m sf a b r i c a t e db ye l e c t r o nb e a m e v a p o r a t i o n t h eo p t i c a lp r o p e r t i e sa n dc o m p o n e n t so ft h ef i l m sw e r ec h a r a c t e r i z e db y s p e c t r o s c o p i ce l l i p s o m e t r y x r a yp h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p ya n d p e r k i n e l m e rl a m b d a 中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所博士學位論文 i l l a b s t r a c t 9 0 0s p e c t r o p h o t o m e t e r e t c t h eo p t i c a le x p e r i m e n tr e s u l t ss u g g e s t e dt h a ta l lt h ef i l m s w e r ev e r ya t t r a c t i v es i n g l el a y e ra n t i r e f l e c t i o nc o a t i n g sf o rt h es o i b a s e do p t o e l e c t r o n i c d e v i c e s a n df o rac o a t e dd o u b l e s i d ep o l i s h e ds i l i c o nw a f e r f r e s n e ll o s s e sa tt h e t e l e c o mw a v e l e n g t ho f15 5 0 n mh a v eb e e nr e d u c e dt o0 0 2 2 d bb yd e p o s i t i n gh f 0 2f i l m 18 5 n m a ss i n g l el a y e ra n t i r e f i e c t i o nc o a t i n g f o rp r a c t i c a lf a b r i c a t i o np r o c e s s i ti sv e r y d i f f i c u l tt od e p o s i ts i n x o y hf i l m so n t ot h es o lr i bw a v e g u i d ee n d f a c e sd u et ot h es i z eo f s o lw a v e g u i d ed e v i c e s s i l i c o no x y n i t r i d ef i l m sc a nb ed e p o s i t e do n t ot h es 0 1r i b w a v e g u i d ee n d f a c e sa f t e rc m p c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g b u ts i l i c o no x y n i t r i d e f i l m sc a n n o td e p o s i t e do n t ot h ee n d f a c e so ft h ei n t e g r a t e ds 0 1w a v e g u i d ed e v i c e su s i n g i b a d ac l a m pf i x e dt h es o ir i bw a v e g u i d e a n dt h ew a v e g u i d ee n d f a c e sw e r e p e r p e n d i c u l a rt ot h ee v a p o r a t i o nd i r e c t i o ns ot h a th f 0 2c o u l db ee a s i l yd e p o s i t e do n t ot h e i n t e g r a t e ds 0 1w a v e g u i d ee n d f a c e su s i n ge l e c t r o nb e a me v a p o r a t i o n b a s e do nt h es i n g l e m o d ew a v e g u i d et h e o r y s o ir i bw a v e g u i d e sw e r ef a b r i c a t e db y i n d u c t i v ec o u p l e dp l a s m ar e a c t i v ei o ne t c h i n gw i t hv e r t i c a ls i d e w a l l t o a c h i e v et h e i n t e g r a t i o no fs e l f a l i g n m e n tc o n n e c t i o nb e t w e e ns i n g l em o d ef i b e ra n dr i bw a v e g u i d ei n s i l i c o n o n i n s u l a t o r s o i w a f e r at h r e e m a s kl i t h o g r a p h yp r o c e s sw a su s e d u n i f o r m i t y v g r o o v e sa n du g r o o v e sw e r ee t c h e db yw e te t c h i n ga n dd r ye t c h i n g r e s p e c t i v e l y t h e e x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h et h r e e m a s kl i t h o g r a p h yi c p r i ep r o c e s si se a s y c o s t e f f e c t i v ea n da c c e p t a b l ei nam a s sp r o d u c t i o ne n v i r o n m e n t a n dh f 0 2f i l m sc a l lb e d e p o s i t e do n t ot h ee n d f a c e so f t h ei n t e g r a t e dw a v e g u i d ed e v i c e st h r o u g hu g r o o v e b a s e do nt h e s ee x p e r i m e n t s t h em o n o l i t h i ci n t e g r a t i o no fy b r a n c ha n dt b r a n c h d e v i c e sw e r ef a b r i c a t e di nt h es 0 1w a f e r r e s p e c t i v e l y w e m e a s u r e dt h e f i b e r w a v e g u i d e f i b e ri n s e r t i o nl o s s e sa st h er a t i ob e t w e e nt h eo u t p u ta n di n p u tp o w e r s u s i n ga g i l e n t8 1 6 4 al i g h t w a v em e a s u r e m e n ts y s t e m f o rt h es y m m e t r i c1x 2y b r a n c h w i t hb r a n c ha n g l e2 0o f 0 8 0 t h ef i b e r w a v e g u i d e f i b e rl o s sw a sm e a s u r e dt ob e4 4 d ba t 持1 5 5 t m a n dt h er e s u l t sa t 扣1 5 5p ma r e5 0 士0 5d ba n d5 2 0 5d b r e s p e c t i v e l y i n t h et w oo u t p u tw a v e g u i d e so ft h elx 2s i n g l e m o d et b r a n c h t h es p l i tr a t i oi sn e a r l y 5 2 4 8 e n d f a c er o u g h n e s s s u r f a c er o u g h n e s sa n ds i d e w a l lr o u g h n e s sr e s u l ti ni n c r e a s i n g s c a t t e r i n gl o s s e sf o rw a v e g u i d e s a c c o r d i n g t os c a l a rs c a t t e r i n gt h e o r y t i e n st h e o r ya n d m a r c u s e st h e o r y s c a t t e r i n gl o s si n d u c e db yt h er m s r o o t m e a n s q u a r e r o u g h n e s sw a s 中圓科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研兜所博士學位論文 s o l 光波導器件及其增透膜的研究 s t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y a n dt h es c a t t e r i n gl o s si sp r o p o r t i o n a lt ot h es q u a r eo ft h es i d e w a l l r m sr o u g h n e s s as e r i e so fa t o m i cf o r c em i c r o s c o p em e a s u r e m e n t sw e r ec a r r i e do u tt od e m o n s t r a t e t h er m sr o u g h n e s so fs o lr i bw a v e g u i d ee t c h e db yi c p r i em e t h o d t os m o o t ht h e s i d e w a l ls u r f a c ea n dc o m e rm i r r o rs u r f a c e v a r i o u sm e t h o d sh a v eb e e ne x p l o r e d i no r d e r n o tt oc h a n g et h ew a v e g u i d ec o n f i g u r a t i o n l o w t e m p e r a t u r eu l t r a h i g hv a c u u ma n n e a l i n g h y d r o g e na n n e a l i n ga n dm i x e di c p r i ew e r eu s e dt or e d u c et h er m sr o u g h n e s so ft h e r o u g hs u r f a c e s a f t e rs u c ht r e a t m e n t s t h er i p p l e so ft h es u r f a c e sd i s a p p e a r e d a n dt h er i l l s r o u g h n e s sc o u l db er e d u c e dt oa p p r o x i m a t e l y9 n m w i t hs l i g h ts h a p ec h a n g e d o x i d a t i o n a n dw e te t c h i n gi sag r e a tw a yt or e d u c er o u g h n e s s t h es o ir i bw a v e g u i d ed e v i c e sw e n t t h r o u g had r yo x i d a t i o n a f t e rt h eo x i d a t i o ns t e p t h es i 0 2l a y e r sw i t ht h et h i c k n e s so f 1 0 0 n mw e r er e m o v e db yb y4 0 w t k o hs o l u t i o n sa t7 0 0 c t h er i p p l e so ft h es u r f a c e s d i s a p p e a r e d a n dt h er m sr o u g h n e s sc o u l db el o w e dd o w nt oa p p r o x i m a t e l yo 5 r i m t h i si s t oo u rk n o w l e d g et h es m a l l e s tr e p o r t e dr m sr o u g h n e s sf o rah i g h i n d e x d i f f e r e n c es y s t e m s u c ha sa ss o lr i bw a v e g u i d e k e yw o r d s s o ir i bw a v e g u i d e a n t i r e f l e c t i o nc o a t i n g i n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m a r e a c t i v ei o ne t c h i n g s c a t t e r i n gl o s s a t o m i cf o r c em i c r o s c o p e 中國科學院上海徽系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所博士學位論文 v s 0 l 光波光波導器件及其增透膜的研究 第一章緒論 1 1 集成平面波導器件常用的材料 平面光波導技術(shù) p l c p l a n a rl i g h t w a v ec i r c u i t 是采用集成光學工藝根據(jù)功能 要求制成各種平面光波導 然后光波導與光纖或光纖陣列耦合 1 6 1 無論是在耦合器 的寬帶化 還是在波分復用器的密集化以及光開關的矩陣化中 平面光波導技術(shù)都是 一條重要的途徑 此外 建立在平面光波導技術(shù)上的器件具有成本低 體積小 便于 批量生產(chǎn) 穩(wěn)定性好及易于與其它器件集成等優(yōu)點 所以平面光波導技術(shù)是許多無源 有源器件的發(fā)展方向 平面光波導技術(shù)中使用的材料及工藝應滿足下列要求 易于制各 精確控制波導 結(jié)構(gòu) 同微電子技術(shù)及光纖技術(shù)中使用的材料工藝相容 物理 化學 機械 電學及 熱的高度穩(wěn)定性 電光系數(shù)或熱光系數(shù)大 有源波導器件具有高的光損傷閾值 價格 合理等 目前還沒有一種材料能夠完全滿足上述所有要求 各種材料具有其獨特的制 備和加工工藝 有著各自的優(yōu)越性 因此 在平面光波導器件領域 形成了多種材料 體系并存 共同發(fā)展的局面 人們對多種材料體系的平面光波導器件進行了廣泛的研究 目前主要集中在鈮酸 鋰光波導 硅基沉積二氧化硅光波導 i i i v 族化合物半導體光波導 聚合物光波導 絕緣體上的硅 s 0 1 s i l i c o n o n i n s u l a t o r 光波導等上 1 1 1 鈮酸鋰 l i n b o 材料 鈮酸鋰 l i n b 0 3 晶體是一種重要的多功能晶體 具有大的熱電 壓電 電光 等系數(shù) 由于其優(yōu)良的線性電光效應和光傳輸特性 鈮酸鋰已成為導波光學的重要材 料 7 用鈮酸鋰晶體制作光波導器件已有很長歷史 技術(shù)最成熟 鈮酸鋰晶體制作 高速相位調(diào)制器生產(chǎn)工藝成熟 其它如光開關 光分束器 偏振器等一系列光波導器 件已經(jīng)研制成功 并正式進入產(chǎn)品 另外用鈮酸鋰晶體制作集成光學器件可用于光纖 陀螺 其特點是精度高和穩(wěn)定性好 成本低 鈮酸鋰光波導器件的特點 曲 電光效應大 m 制作波導的方法簡單易行 性能再現(xiàn)性良好 c 1 光吸收小 d 損耗低 對波長依賴性小 中國科學曉上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所博士學位論文 第一章緒論 e 基片尺寸大 但是基于鈮酸鋰材料的平面光波導器件也存在光損傷閾值太低 低溫下性能不穩(wěn) 定 器件抗輻射能力較差等問題 限制了其在光電子集成方面的某些應用 1 1 2 硅基沉積二氧化硅 s i i c a o n s i c o n 材料 硅基二氧化硅光波技術(shù)是2 0 世紀9 0 年代發(fā)展起來的新技術(shù) 1 2 1 7 i 霧 1 己比較成 熟 一般波導是在硅基底上沉積一層二氧化硅 接著在其上以半導體的制備工藝制作 出所需要的光波導器件 其制造工藝有化學氣相淀積法 等離子c v d 法 多孔硅氧 化法等 由于硅晶片成本價格便宜及二氧化硅與光纖是同一材料 因此有傳輸損耗小 且折射率相互匹配等優(yōu)點 硅基二氧化硅波導與其他類型的波導相比具有傳輸損耗 小 折射率和光纖相互匹配 耦合損耗低 機械強度高 化學物理性能穩(wěn)定 此外 波導制作工藝和半導體工藝流程兼容 使其還具有具有工藝簡單 穩(wěn)定性佳 可量產(chǎn) 等優(yōu)點 目前 國外利用這種波導已研制出6 0 路 1 3 2 路的a w g 被公認為是d w d m 光通信系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的明日之星 但是由于硅襯底和二氧化硅膜的熱膨脹系數(shù)相差較大 二氧化硅薄膜受到的應力較大 而且二氧化硅波導在兩個正交方向所受到的應力大小 不同 由光彈性效應引起各個方向的折射率不同 形成快軸與慢軸 從而產(chǎn)生雙折射 效應 另外波導的幾何因素也會產(chǎn)生雙折射效應 雙折射效應對各種光波導器件會產(chǎn) 生偏振色散和偏振噪音等不利影響 影響到其實際應用 1 1 3 ii v 半導體化合物材料 常用的i i i v 族半導體化合物波導也研究的比較成熟 1 8 2 2 它們可以與i n p 基的 有源與無源光子器件及i n p 基微電子回路集成在同一基片上 其優(yōu)點是光波導器件與 電子器件集成在一起 調(diào)制電場與光場相速失配減少 使用電吸收調(diào)制光 缺點是很 難使用電折射 因接近于吸收邊緣 光損耗較大 與石英光纖的模場不匹配 與光纖 的耦合損耗較大 通常采用液相外延 分子束外延 m b e 金屬有機化合物氣相 淀積 m o c v d 用于淀積調(diào)制器結(jié)構(gòu) 能精確控制組分和膜層厚度 光刻形成調(diào)制 器通道 i l i v 族材料的平面波導溫度系數(shù)小 抗輻射能力強 壓電效應小 可以實 現(xiàn)激光器 探測器及其它有源光電器件的集成 適合環(huán)境條件惡劣 集成度高的場合 下使用 在航天 軍事領域有著明顯的優(yōu)勢 中圓科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所博士學位論文 s o t 光波光波導器件噩其增逢膜的研究 1 1 4 聚臺物材料 聚合物 p o l y m e r 光波導是近年研究的熱點 2 3 2 8 聚合物材料 如聚甲基丙烯 酸甲酯p m m a p o l y m e t h y l m e t h a c r y l a t e 環(huán)氧樹臘e p o x yr e s i n s 等等 可以在任何 材料e 的襯底上大而積旋涂成型 不需要高溫處理 易于波導器件制備 目前用于制 作聚合物光波導的工藝主要有刻蝕工藝 光聚合 選擇性聚合等等 聚合物光波導的 熱光系數(shù)和電光系數(shù)都比較大 很適合于研制高速光波導開關 a w g 等 德國h i l l 公司利用這種波導研制成功a w g 在2 5 6 5 的波長漂移僅為 o 0 5 r i m 聚合物波導及 器件制作工豈簡單 價廉 很有發(fā)展前景 但是聚合物材料有較大的取折射特性和對 環(huán)境的抵抗力差 加上它的穩(wěn)定性比半導體無機材料差 因此聚合物光波導還有很大 的改良空間 1 1 5 絕緣體上的硅材料 s o l s i l i c o n o n l n s u l a t o r 材料指的是絕緣體上的硅 硅材料在半導體和微電子 領域占有主導地位 而且硅材料的制各和加工工藝也是各種半導體中最為成熟的 由 于硅在光通信窗口是透明的 而且光損耗很少 s o l 材料為超大規(guī)模集成電路 v l s i v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n 和平面波導技術(shù)提供了一個共同的平臺0 9 3 q 和其他材 料相比 s o i 材料具有很多優(yōu)勢 s o l 圓片的價格在不斷的下降 s o l 光波導制作工 藝與i c 加工工藝以相兼容 有成熟的工藝和設備司以利用 s o i 材料不僅可以制備 無源和有源光電子器件 而且還可以和m e m s 器件集成 s o l 材料上的光電器件的 單片集成是光電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向 目前成熟的s o i 材料制備技術(shù)主要包括注氧隔離技術(shù) s i m o x s e p a r a t i o nb y i m p l a n t e do x y g e n 阱3 8 1 鍵合面背面減薄技術(shù) b e s o i b o n d i n ga n de t c h b a c ks o o n 智能剝離技術(shù)rs m a r t c u t 馴 s i m o x 的基本原理是將高能量的氧注入到體硅表層以下幾十到幾百個納米 經(jīng) 過1 3 0 0 0 2 高溫退火形成埋氧隔離層 從而形成s o l 結(jié)構(gòu) 用s i m o x 技術(shù)獲得的s o i 圓片 頂層硅厚度均勻 平整度高 通過外延技術(shù)可以獲得所需的頂層硅厚度 a g r i c k m a n 等人研究了s i m o xs 0 1 的平板波導的傳輸損耗 在平板波導厚度為6 3 u m 波長為1 5 9 i n 左右時的t e 模的最小損耗為0 1 4 d b 0 5 d b h b e s o i 技術(shù)是先將兩片硅圓片進行熱氧化 在表面形成氧化層后進行鍵臺 退 火后將一片硅片進行拋光減薄 達到所需耍的厚度 b e s o i 材料可以獲得初始硅片 火后將一片硅片進行拋光減薄 達到所需耍的厚度 b e s o i 材料可以獲得初始硅片 中圓科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研克所博士學位論文 3 5 0 1 光波光波導器件及其增透膜妁研究 1 1 4 聚合物材料 聚合物 p o l y m e r 光波導是近年研究的熱點 2 3 2 8 聚合物材料 如聚甲基丙烯 酸甲酯p m m a p o l y m e t h y l m e t h a c r y l a t e 環(huán)氧樹脂e p o x y r e s i n s 等等 可以在任何 材料上的襯底上大面積旋涂成型 不需要高溫處理 易于波導器件制備 目前用于制 作聚合物光波導的工藝主要有刻蝕工藝 光聚合 選擇性聚合等等 聚合物光波導的 熱光系數(shù)和電光系數(shù)都比較大 很適合于研制高速光波導開關 a w g 等 德國h h l 公司利用這種波導研制成功a w g 在2 5 6 5 c 的波長漂移僅為士0 0 5 n m 聚合物波導及 器件制作工藝簡單 價廉 很有發(fā)展前景 但是聚合物材料有較大的雙折射特性和對 環(huán)境的抵抗力差 加上它的穩(wěn)定性比半導體無機材料差 因此聚合物光波導還有很大 的改良空間 1 1 5 絕緣體上的硅材料 s 0 1 s i l i c o n o n i n s u l a t o r 材料指的是絕緣體上的硅 硅材料在半導體和微電子 領域占有主導地位 而且硅材料的制備和加工工藝也是各種半導體中最為成熟的 由 于硅在光通信窗口是透明的 而且光損耗很少 s 0 1 材料為超大規(guī)模集成電路 v l s l v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n 和平面波導技術(shù)提供了一個共同的平臺 2 9 3 6 和其他材 料相比 s o l 材料具有很多優(yōu)勢 s o i 圓片的價格在不斷的下降 s o l 光波導制作工 藝與i c 加工工藝以相兼容 有成熟的工藝和設備可以利用 s o l 材料不僅可以制備 無源和有源光電子器件 而且還可以和m e m s 器件集成 s o l 材料上的光電器件的 單片集成是光電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向 目前成熟的s o l 材料制各技術(shù)主要包括注氧隔離技術(shù) s i m o x s e p a r a t i o nb y i m p l a n t e do x y g e n 3 7 瑚 鍵合面背面減薄技術(shù) b e s 0 i b o n d i n ga n de t c h b a c ks 0 1 和 智能剝離技術(shù) s m a r t c u t t 3 s i m o x 的基本原理是將高能量的氧注入到體硅表層以下幾十到幾百個納米 經(jīng) 過1 3 0 0 0 2 高溫退火形成埋氧隔離層 從而形成s o l 結(jié)構(gòu) 用s i m o x 技術(shù)獲得的s o l 圓片 頂層硅厚度均勻 平整度高 通過外延技術(shù)可以獲得所需的頂層硅厚度 a g r i c k m a n 等人研究了s i m o xs o i 的平板波導的傳輸損耗 在平板波導厚度為6 3 m 波長為1 5 r t m 左右時的t e 模的最小損耗為0 1 4 d b a 0 5 d b 4 0 b e s o i 技術(shù)是先將兩片硅圓片進行熱氧化 在表面形成氧化層后進行鍵合 退 火后將一片硅片進行拋光減薄 達到所需要的厚度 b e s o i 材料可以獲得初始硅片 中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所博士學位論文 3 第一章緒論 質(zhì)量的頂層硅和熱氧化的s i 0 2 埋層 但是受減薄技術(shù)的限制 頂層硅的平整度不高 目前商用的鍵合片的平整度只能達至t j o 5 p m u f i s c h e r 等人在b e s o is o l 材料上 制備了大截面脊形波導在1 3 m 波長下的最小的插入損耗為o 1 d b c m 4 1 1 0 s m a r t c u t 技術(shù)主要包括氫離子注入 鍵合 兩步熱處理 化學機械拋光 c m p c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g 四個步驟 硅表面經(jīng)氧化形成氧化層后 注入氫 離子 與另一哞 用硅片鍵合在 起 退火處理時 硅片在注氫處發(fā)生剝離 達到減薄 的目的 最后通過化學機械拋光對頂層硅進行處理使之達到使用要求 s m a r t c u t 技 術(shù)能夠精確控制頂層硅的厚度 并且能夠隨意調(diào)節(jié)埋氧層的厚度 但是其工藝復雜 影響最終產(chǎn)品質(zhì)量的因素很多 t w a n g 等人采用s m a r tc u t 技術(shù)制作的u n i b o n d s o i 材料的1 1 4 1 a m 厚的平板波導在1 3 i t m 的波長下的最小傳輸損耗為0 1 5 士0 0 5 d b 4 2 1 1 2s o i 光波導技術(shù) s o l 是未來集成電路的一種關鍵材料 被譽為 2 l 世紀的硅基集成電路技術(shù) 制 備在s o i 材料上的c m o s 電路可以減少寄生效應和消除閂鎖效應 從而可以在低功 耗的情況下獲得高的運行速度 這些代表了現(xiàn)代通信和計算系統(tǒng)中的關鍵需求 此外 由于硅 n 3 4 5 a n 氧化硅 n 1 4 5 之間存在著巨大的折射率差 這種特殊的結(jié) 構(gòu)使s o l 材料具有特有的光學性能 盡管也有其他方法諸如藍寶石上的硅 s o s s i l i c o n o n s a p p h i r e 和玻璃波導 g l a s sw a v e g u i d e 來實現(xiàn)硅基波導 s i l i c o n b a s e d w a v e g u i d e 但只有s o i 才能真正和v l s i 工藝兼容 基于s o i 材料上的硅基光波導 目前主要有大截面的脊形波導器件和光子集成波導技術(shù) p i c p h o t o n i ci n t e g r a t e d c i r c u i t s 兩種發(fā)展方向 1 2 1 大截面的s o l 脊形波導器件 單模條件下的低損耗傳輸是平面波導技術(shù)的前提 傳統(tǒng)上認為由于s o i 材料大 的折射率差 除非波導截面在亞微米尺寸內(nèi) s o i 波導才能獲得單模的傳輸 但是這 種情況下 和光纖的耦合效率將會變得很差 但是s o r e f 等人提出在大截面的脊形波 導結(jié)構(gòu)中 s o l 波導可以獲得單模傳輸 此時單模脊形波導的尺寸可以大到與單模光 纖纖芯相當?shù)乃?從而獲得高的耦合效率1 4 3 1 盡管s o r e r 論模型預計的結(jié)果和實 驗結(jié)果還有一定的誤差 但是在這個基礎上 大截面的s o l 脊形波導器件迅速發(fā)展 起來 同時許多研究小組不斷發(fā)展了大截面s o l 脊形波導單模傳輸理論 4 5 o 中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所博士學位論文 4 s o l 光波光波導器件及其增透膜的研究 在大截面s 0 1 脊形波導的基礎上 人們研制了各種類型的s o l 基的無源 有源 光器件 其中的一部分已經(jīng)轉(zhuǎn)化為商用產(chǎn)品 各種結(jié)構(gòu)的光波導耦合器已經(jīng)成功地制作在s o l 圓片上 4 6 5 t r i n h 等人制作了 第一個5 x 9 的s o i 星形耦合器 其片內(nèi)額外損耗為1 3 d b 均勻性為1 4 d b 3 d b 的 方向耦合器的額外損耗為1 9 d b 1 8 的多模干涉器 m m i m u l t i m o d ei n t e r f e r e n c e 的片內(nèi)額外損耗為o 9 8 d b t 5 4 基于s 0 1 平面波導器件的a s o c t a p p l i c a t i o ns p e c i f i c o p t i c a lc i r c u bt e c h n o l o g y 技術(shù) 英國的b o o k h a m 公司于2 0 0 1 年即推出了商用的 l x 4 0 的s o i 基a w g 器件 器件封裝后的插入損耗小于5 5 d b 串擾小