胶体纳米晶硅基光子集成回路无源器件及其制备方法

本发明属于硅基光子集成芯片领域，涉及一种胶体纳米晶硅基光子集成回路无源器件及其制备方法。

背景技术：

1、硅基光子集成芯片技术具有与cmos兼容、高集成度、低能耗及低成本等优势，在光互联、光测量及光传感等领域具有广阔的应用前景。在硅基光子集成芯片回路中，光波导、微环谐振器及马赫曾德干涉器(mzi)等无源器件发挥着光信号传输、过滤及分配等基础功能。因此，低损耗、低成本及可批量制备的无源光子器件一直是研究的热点。

2、现阶段硅基光子集成回路无源器件的研究与开发主要集中于硅(si)、氮化硅(sin)、铌酸锂(linbo3)及有机聚合物等材料平台。其中，硅材料作为电子芯片的基础材料，与cmos兼容，是应用最为广泛的光子器件材料，然而硅材料在可见光波段不透明，极大限制了硅基光子集成芯片的应用场景；其次，硅材料在通讯波段会产生双光子吸收，导致较大的非线性损耗；再次，硅材料的高折射率导致其光波导侧壁引起的散射损耗过高。氮化硅材料相比硅材料具有更宽的透明光谱窗口，更低的散射损耗和非线性损耗，然而氮化硅薄膜的生长温度较高(>400℃)，限制了其与硅基电子以及柔性电子平台的兼容性；其次，氮化硅薄膜的结晶质量较差，光传导时仍会受到一定的散射损失；此外，氮化硅薄膜与衬底异质集成时存在应力较大的问题。铌酸锂材料因其优异的电光调制特性，成为近年来最热门集成光子学平台之一，然而铌酸锂与其他材料异质集成困难，且批量加工面临着高成本的挑战。有机聚合物材料具有成本低、可电子束直写及衬底兼容性强的优点，然而其低折射率(约1.5)不利于高密度集成，并且其热物理化学稳定性不足限制了其实际应用。因此，亟需开发新型的光子器件材料体系。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种胶体纳米晶硅基光子集成回路无源器件及其制备方法。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、本发明第一方面，提供一种胶体纳米晶硅基光子集成回路无源器件的制备方法，包括：在旋涂光刻胶的基底上按照预定义的光子器件结构图案进行曝光后，依次置于显影液和定影液中进行定影，得到定影样片；刻蚀定影样片并去除残余光刻胶，得到内嵌光子器件图案的基底；在内嵌光子器件图案的基底上涂覆胶体纳米晶墨水，并等待胶体纳米晶墨水的溶剂蒸发，得到胶体纳米晶硅基光子集成回路无源器件。

4、可选的，所述旋涂光刻胶的基底为旋涂光刻胶的si/sio2基底、玻璃基底、石英基底、聚乙烯醇基底、聚酯基底或聚酰亚胺基底。

5、可选的，所述光刻胶为紫外光刻胶或电子束光刻胶的一种。

6、可选的，所述预定义的光子器件结构图案为直波导结构图案、微环谐振腔结构图案、马赫曾德干涉器结构图案、定向耦合器结构图案、y型分束器结构图案、分布反馈滤波器或直波导结构图案、微环谐振腔结构图案、马赫曾德干涉器结构图案、定向耦合器结构图案、分布反馈滤波器和y型分束器结构图案中至少两种结构图案的混合图案；所述曝光为电子束曝光或紫外曝光。

7、可选的，所述刻蚀定影样片时，采用的刻蚀工艺为干法刻蚀或湿法刻蚀；所述干法刻蚀为等离子刻蚀或反应离子刻蚀；所述湿法刻蚀为氢氟酸溶液刻蚀或盐酸溶液刻蚀。

8、可选的，还包括由下述步骤制备胶体纳米晶墨水：采用湿法化学合成制备胶体纳米晶，并将胶体纳米晶以10～100mg/ml的浓度分散于有机溶剂中，得到浓度为10～100mg/ml的胶体纳米晶墨水。

9、可选的，所述胶体纳米晶为表面有有机配体的半导体纳米晶体；所述半导体纳米晶体的尺寸为2～20nm；所述胶体纳米晶的组成成分为：ii-vi族材料、iv-vi族材料、iii-v族材料、iv族材料、i-vi族材料、金属氧化物材料、金属材料、钙钛矿纳米晶材料或上述材料的异质结构；所述胶体纳米晶的形状为零维结构、一维结构或二维结构；所述有机溶剂为极性溶剂、非极性溶剂或极性溶剂与非极性溶剂混合溶剂。

10、可选的，所述胶体纳米晶的禁带能量大于胶体纳米晶硅基光子集成回路无源器件所需传导的光子的能量。

11、可选的，所述在内嵌光子器件图案的基底上涂覆胶体纳米晶墨水时，采用的涂覆方法为：旋涂、滴涂、刮涂、刀片涂或喷墨打印。

12、本发明第二方面，提供一种胶体纳米晶硅基光子集成回路无源器件，所述胶体纳米晶硅基光子集成回路无源器件采用上述的胶体纳米晶硅基光子集成回路无源器件的制备方法制备得到。

13、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

14、本发明胶体纳米晶硅基光子集成回路无源器件的制备方法，通过在旋涂光刻胶的基底上按照预定义的光子器件结构图案进行曝光后，依次置于显影液和定影液中进行定影得到定影样片，然后刻蚀定影样片并去除残余光刻胶，得到内嵌光子器件图案的基底，并填充以胶体纳米晶固体，获得以基底为包覆层、以胶体纳米晶固体为芯层的无源光子器件。相比于基于si、sin及linbo3材料的无源光子器件，胶体纳米晶墨水制备以及液相加工成本低，胶体纳米晶墨水成膜质量高，可以降低光子器件的传输损耗，常温液相加工便于异质异构集成，与cmos平台等多种平台兼容，具有极高的可扩展性，大规模制备成本低。制备的胶体纳米晶硅基光子集成回路无源器件具备工作光谱窗口宽、折射率高且可控(n＝1.9～2.7)及光子损耗低等优点。相比于有机聚合物材料，胶体纳米晶具有较高的折射率以及更加稳定的物理化学性能，且内嵌于基底的胶体纳米晶光子器件可以受到基底的保护，便于后续与有源器件的集成与封装。

技术特征：

1.一种胶体纳米晶硅基光子集成回路无源器件的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的胶体纳米晶硅基光子集成回路无源器件的制备方法，其特征在于，所述旋涂光刻胶的基底为旋涂光刻胶的si/sio2基底、玻璃基底、石英基底、聚乙烯醇基底、聚酯基底或聚酰亚胺基底。

3.根据权利要求1所述的胶体纳米晶硅基光子集成回路无源器件的制备方法，其特征在于，所述光刻胶为紫外光刻胶或电子束光刻胶的一种。

4.根据权利要求1所述的胶体纳米晶硅基光子集成回路无源器件的制备方法，其特征在于，所述预定义的光子器件结构图案为直波导结构图案、微环谐振腔结构图案、马赫曾德干涉器结构图案、定向耦合器结构图案、y型分束器结构图案、分布反馈滤波器或直波导结构图案、微环谐振腔结构图案、马赫曾德干涉器结构图案、定向耦合器结构图案、分布反馈滤波器和y型分束器结构图案中至少两种结构图案的混合图案；

5.根据权利要求1所述的胶体纳米晶硅基光子集成回路无源器件的制备方法，其特征在于，所述刻蚀定影样片时，采用的刻蚀工艺为干法刻蚀或湿法刻蚀；所述干法刻蚀为等离子刻蚀或反应离子刻蚀；所述湿法刻蚀为氢氟酸溶液刻蚀或盐酸溶液刻蚀。

6.根据权利要求1所述的胶体纳米晶硅基光子集成回路无源器件的制备方法，其特征在于，还包括由下述步骤制备胶体纳米晶墨水：

7.根据权利要求6所述的胶体纳米晶硅基光子集成回路无源器件的制备方法，其特征在于，所述胶体纳米晶为表面有有机配体的半导体纳米晶体；

8.根据权利要求6所述的胶体纳米晶硅基光子集成回路无源器件的制备方法，其特征在于，所述胶体纳米晶的禁带能量大于胶体纳米晶硅基光子集成回路无源器件所需传导的光子的能量。

9.根据权利要求1所述的胶体纳米晶硅基光子集成回路无源器件的制备方法，其特征在于，所述在内嵌光子器件图案的基底上涂覆胶体纳米晶墨水时，采用的涂覆方法为：旋涂、滴涂、刮涂、刀片涂或喷墨打印。

10.一种胶体纳米晶硅基光子集成回路无源器件，其特征在于，所述胶体纳米晶硅基光子集成回路无源器件采用权利要求1至9任一项所述的胶体纳米晶硅基光子集成回路无源器件的制备方法制备得到。

技术总结
本发明属于硅基光子集成芯片领域，公开了一种胶体纳米晶硅基光子集成回路无源器件及其制备方法，在旋涂光刻胶的基底上按照预定义的光子器件结构图案进行曝光后，依次置于显影液和定影液中进行定影，得到定影样片；刻蚀定影样片并去除残余光刻胶，得到内嵌光子器件图案的基底；在内嵌光子器件图案的基底上涂覆胶体纳米晶墨水，并等待胶体纳米晶墨水的溶剂蒸发，得到胶体纳米晶硅基光子集成回路无源器件。克服现阶段光子集成回路无源器件制备存在的成本高、加工困难及传输损耗大等问题，利用胶体纳米晶光谱窗口宽、折射率高、制备成本低、液相加工成膜质量高且与基底兼容性好等优势，获得低成本、低损耗及易于异质集成的无源器件。

技术研发人员：瞿俊伶,甘雪涛,张霄桐,弋瑞轩
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16