基于氮化硅光子晶体的光分路器

1.本实用新型属于半导体领域和光电集成领域，特别是涉及一种基于氮化硅光子晶体的光分路器。


背景技术：

2.随着智能设备的崛起和社交网络的普及，通信业务量呈现爆炸式增长。传统的电互联技术由于晶体管数量的增加和芯片吞吐量成倍增长面临着功耗过大和延时过高的问题，仅目前全球计算中心消耗的电量就占全球总发电量的0.8％。硅光子技术的发展，为解决这些问题提供了有效的途径。在过去的几十年中，绝缘体上硅(soi)平台上的硅光子技术因其紧凑的占地面积，高集成度，低功耗以及与互补金属氧化物半导体(cmos)工艺的兼容性而得到了长足的发展。
3.氮化硅(sin)材料也是作为扩充光互联应用的主要材料，在光传输方面也有很多研究。基于氮化硅(sin)在700nm～800nm附近较好的光学性质，目前多应用于光栅耦合器件。由于不同的光源和sin结构设计会有不同的耦合效率，可以考虑基于氮化硅光子晶体设计新型的光分路器。


技术实现要素：

4.鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种基于氮化硅光子晶体的光分路器，以将氮化硅光子晶体设计应用于光分路器结构中，以扩充现有光分路器的传输波长。
5.为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种基于氮化硅光子晶体的光分路器，所述光分路器包括：
6.自下而上依次设置的硅层、氧化硅层及氮化硅波导层；
7.所述氮化硅波导层的中间部分形成有二维氮化硅光子晶体波导，所述氮化硅波导层的两端分别形成有光栅发射器；
8.所述二维氮化硅光子晶体波导包括一列沿所述氮化硅波导层长度方向呈周期性排布的圆形凹槽及中间部分所述氮化硅波导层，所述圆形凹槽自所述氮化硅波导层表面延伸至所述氮化硅波导层内；
9.所述光栅发射器为半圆环形的同心环绕光栅且具有两个半圆环形镂空孔，所述环形镂空孔自所述氮化硅波导层表面延伸至所述氧化硅层内。
10.可选地，所述氧化硅层的厚度介于900nm～1100nm之间，所述氮化硅波导层的厚度介于 280nm～320nm之间。
11.可选地，所述环形镂空孔在所述氧化硅层内的延伸深度介于750nm～850nm之间。
12.可选地，所述环形镂空孔的宽度介于260nm～360nm之间。
13.可选地，所述氮化硅波导层的中间部分分别与其两端之间为连接波导。
14.可选地，所述连接波导的宽度与所述二维氮化硅光子晶体波导相同。
15.可选地，所述二维氮化硅光子晶体波导中的所述圆形凹槽大小尺寸及刻蚀深度均相同。
16.如上所述，本实用新型的基于氮化硅光子晶体的光分路器，采用氮化硅材料可应用的带宽大，且两个半圆环形镂空孔设计的氮化硅光栅光学损耗小，光出射效率高；另外，光分束器可实现对片外光波的收集同时对光波传输、分光形成片外出射光，即该光分束器整体上是将片外光波经过本实施例的光分束器后实现片外分光，该光分束器的功能为以后光波层与层之间的互连奠定基础，具有重要的应用价值。
附图说明
17.图1显示为本实用新型的基于氮化硅光子晶体的光分路器的俯视结构示意图。
18.图2显示为本实用新型基于氮化硅光子晶体的光分路器沿图1中aa位置的剖面结构示意图。
19.图3显示为本实用新型的基于氮化硅光子晶体的光分路器中光栅发射器的光场图。
20.图4显示为本实用新型的基于氮化硅光子晶体的光分路器中光栅发射器的远场图。
21.图5显示为本实用新型的基于氮化硅光子晶体的光分路器的制备方法工艺流程图。
22.图6至图11显示为本实用新型的基于氮化硅光子晶体的光分路器的制备方法中各步骤的剖面结构示意图，各步骤的剖面切割位置为图1中的aa位置。
23.元件标号说明
24.10
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绝缘体上氮化硅衬底
25.101
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硅层
26.102
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氧化硅层
27.103
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氮化硅层
28.104
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氮化硅波导层
29.11
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氮化硅波导层的中间部分
30.12
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二维氮化硅光子晶体波导
31.121
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圆形凹槽
32.13
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氮化硅波导层的端部
33.14
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光栅发射器
34.141
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同心环绕光栅
35.142
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环形镂空孔
36.15
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连接区
37.151
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连接波导
38.16
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对准标记
39.17
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对准标记保护层
40.s1～s4
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步骤
具体实施方式
41.以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。
42.请参阅图1至图11。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图示中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
43.实施例1
44.如图1及图2所示，本实施例提供一种基于氮化硅光子晶体的光分路器，该光分路器包括：
45.自下而上依次设置的硅层101、氧化硅层102及氮化硅波导层104；
46.所述氮化硅波导层的中间部分11形成有二维氮化硅光子晶体波导12，所述氮化硅波导层104的两端分别形成有光栅发射器14；
47.所述二维氮化硅光子晶体波导12包括一列沿所述氮化硅波导层104长度方向呈周期性排布的圆形凹槽121及中间部分所述氮化硅波导层104，所述圆形凹槽121自所述氮化硅波导层104表面延伸至所述氮化硅波导层104内；
48.所述光栅发射器14为半圆环形的同心环绕光栅141且具有两个半圆环形镂空孔142，所述环形镂空孔142自所述氮化硅波导层104表面延伸至所述氧化硅层102内。
49.该光分路器的工作原理为：沿z方向偏振(垂直纸面方向偏振ez)的点光源放置于所述二维氮化硅光子晶体波导12的上端面，点光源发射的ez偏振光进入所述二维氮化硅光子晶体波导12，通过所述二维氮化硅光子晶体波导12传输光波，其中传输光波的波段介于 750nm～800nm之间，包括端点值；光波随着所述二维氮化硅光子晶体波导12传输到所述氮化硅波导层104两端的所述光栅发射器14，被带有两个半圆环形镂空孔142的同心环绕光栅 141发射出去，得到两束完全相同的出射光，实现两端口分光。本实施例采用氮化硅材料可应用的带宽大，且两个半圆环形镂空孔设计的氮化硅光栅光学损耗小，光出射效率高；另外，本实施例的光分束器可实现对片外光波的收集同时对光波传输、分光形成片外出射光，即该光分束器整体上是将片外光波经过本实施例的光分束器后实现片外分光，该光分束器的功能为以后光波层与层之间的互连奠定基础，具有重要的应用价值。
50.如图6所示，作为示例，所述氧化硅层的厚度h1介于900nm～1100nm之间，包括端点值，所述氮化硅波导层的厚度h2介于280nm～320nm之间，包括端点值。如图11所示，作为一较佳示例，所述环形镂空孔142在所述氧化硅层102内的延伸深度h3介于750nm～850nm 之间，包括端点值。作为另一较佳示例，所述环形镂空孔142的宽度介于260nm～360nm之间，包括端点值。
51.如图2所示，作为示例，所述氮化硅波导层的中间部分11与所述氮化硅波导层的端部 13之间为连接区15，所述连接区15的所述氮化硅波导层为连接波导151。本实施例不限制所述连接波导151的形状，可以根据光分路器的分光方向要求对其形状进行设计，例如可以为自所述二维氮化硅光子晶体波导12一端向所述光栅发射器14一端宽度逐渐减小的形
状，也可以是宽度一致的形状，在此不做限制，本实施例中选择所述连接波导151的宽度与所述二维氮化硅光子晶体波导12相同。
52.如图2所示，作为示例，所述二维氮化硅光子晶体波导12中的所述圆形凹槽121大小尺寸及刻蚀深度均相同。
53.如图3及图4所示，为本实施例的光分路器采用参数氧化硅层的厚度h1为1000nm，氮化硅波导层的厚度h2为300nm，环形镂空孔142在氧化硅层内的延伸深度h3为800nm，环形镂空孔142的宽度为300nm形成的光分路器结构，且ez点光源置于二维氮化硅光子晶体波导12上端面5nm左右位置时光波在光分路器中的传输情况。图3为所述光栅发射器的光场图，从片外入射的光经所述二维氮化硅光子晶体波导12收集，且随着波导传输至两端的所述光栅发射器14中，被镂空的光栅发射器14发射出去，得到两束完全相同的出射片外光，图3中得到的两端的光栅发射器14的效率分别为32％；图4为所述光栅发射器14的远场图，可以清晰的看到光被收集在一个特别小的角度里面，利于后期收集和利用。
54.实施例2
55.本实施例提供一种基于氮化硅光子晶体的光分路器的制备方法，该制备方法可用于制备实施例1中所述的基于氮化硅光子晶体的光分路器，由此可得到的有益效果可请参见实施例 1，在此不做赘述。
56.如图5所示，所述制备方法包括如下步骤：
57.如图5及图6所示，首先进行步骤s1，提供绝缘体上氮化硅衬底10，所述绝缘体上氮化硅衬底10自下而上依次包括硅层101、氧化硅层102及氮化硅层103。
58.作为示例，所述氧化硅层102的厚度介于900nm～1100nm之间，包括端点值，所述氮化硅层103的厚度介于280nm～320nm之间，包括端点值。
59.如图5及图9所示，然后进行步骤s2，刻蚀所述氮化硅层103形成氮化硅波导层104。
60.这里不限制所述氮化硅波导层104的形状及尺寸等参数，具体根据后续所要形成的光分路器的形状及尺寸进行设计。
61.如图7所示，作为示例，形成所述氮化硅波导层104的步骤之前，先于所述氮化硅层103 上制备对准标记16。这里不限制所述对准标记16的形状及尺寸，只要能实现对后续工艺的对准功能即可。如图8所示，较佳地，形成所述对准标记16后还可在其上形成对准标记保护层17，以防止在后续刻蚀过程中对对准标记的损伤，优选所述对准标记保护层17的材料为金材料。
62.作为示例，刻蚀所述氮化硅层103形成氮化硅波导层104的方法包括：于所述氮化硅层 103上涂覆光刻胶层；接着采用电子束刻蚀(简称ebl)光刻胶层，形成图形化的光刻胶层；然后采用icp(电感耦合式等离子刻蚀)刻蚀所述氮化硅层103，以形成所述氮化硅波导层 104；最后去除该光刻胶层。
63.如图5、图2及图10所示，接着进行步骤s3，刻蚀所述氮化硅波导层104的中间部分 11，形成一列沿所述氮化硅波导层104长度方向呈周期性排布的圆形凹槽121，从而使所述氮化硅波导层104的中间部分形成为二维氮化硅光子晶体波导12。
64.作为示例，刻蚀形成所述二维氮化硅光子晶体波导12的方法包括：于所述氮化硅波导层 104上涂覆光刻胶层；接着采用ebl刻蚀光刻胶层，形成图形化的光刻胶层；然后采用icp 刻蚀所述化硅波导层104的中间部分11形成所述圆形凹槽121，所述圆形凹槽121的
刻蚀深度，直径，周期等参数可根据实际需要进行设置，在此不作限制；最后去除该光刻胶层。
65.如图5及图11所示，最后进行步骤s4，刻蚀所述氮化硅波导层104的两端，在该两端分别形成光栅发射器14，所述光栅发射器14为半圆环形的同心环绕光栅141且具有两个半圆环形镂空孔142，所述环形镂空孔142自所述氮化硅波导层104表面延伸至所述氧化硅层 102内。
66.作为示例，在形成所述光栅发射器14之前，先于除所述光栅发射器14所在区域之外的结构表面电镀保护层，例如镀铝保护层，该保护层相当于掩膜板，由于环形镂空孔142的刻蚀深度较深，保护层可有效防止后续刻蚀所述环形镂空孔142时对器件表面产生损伤。
67.作为示例，刻蚀形成所述光栅发射器14的方法包括：于所述氮化硅波导层104上涂覆光刻胶层；接着采用ebl刻蚀光刻胶层，形成图形化的光刻胶层；然后采用icp刻蚀所述氮化硅波导层104的端部13，以形成两个半圆环形镂空孔142；最后去除该光刻胶层。
68.本实施例的基于氮化硅光子晶体的光分路器的制备方法与互补金属氧化物半导体 (complementary metal oxide semiconductor，cmos)工艺良好兼容，工艺简单，易于规模化生产。
69.综上所述，本实用新型提供一种基于氮化硅光子晶体的光分路器及其制备方法，采用氮化硅材料可应用的带宽大，且两个半圆环形镂空孔设计的氮化硅光栅光学损耗小，光出射效率高；另外，光分束器可实现对片外光波的收集同时对光波传输、分光形成片外出射光，即该光分束器整体上是将片外光波经过本实施例的光分束器后实现片外分光，该光分束器的功能为以后光波层与层之间的互连奠定基础，具有重要的应用价值；最后，制备方法与互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor，cmos)工艺良好兼容，工艺简单，易于规模化生产。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
70.上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。