一种异质集成光学芯片及其制备方法

本发明涉及信息功能材料与器件制备领域，特别涉及一种异质集成光学芯片及其制备方法。

背景技术：

1、电光调制器是光学芯片中的重要模块，其已经被广泛地应用在片上神经网络、光学信号处理、光通信等场景中，因此实现大带宽、低损耗、高调制速率的片上调制器是片上集成光学芯片内电光调制器的主要优化方向。具有cmos工艺兼容、强光场局限性(高折射率)的绝缘体上硅(so i)已成为用于加工光子学芯片的主流平台，并且硅光平台已经有成熟的si-ge探测器、热光调制器等有源器件，但其缺失的电光效应需要通过载流子等离子体色散效应来进一步补偿，这也造成了光学平台内电光器件的高插入损耗和低调制线性度。相较于传统的硅基平台，绝缘体上铌酸锂(lno i)作为一种强非线性效应、低光学损耗的材料平台，近几年在片上电光调制器上得到了广泛的研究，但其强双折射的特性带来了铌酸锂片上弯曲波导内的模式交叉从而影响相关谐振腔的设计，此外绝缘体上铌酸锂的高制备成本仍然阻碍了其在产业领域的应用。

2、相较于铌酸锂材料，钽酸锂材料得益于其弱双折射和经济性，可用于实现片上孤子和高速电光调制，然而，目前在钽酸锂平台上的片上光学探测器仍然无法实现高速大带宽片上探测，极大地影响了这类材料平台实现一体化片上光芯片的进程。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术的不足，提出了一种异质集成光学芯片及其制备方法。

2、第一方面，本发明公开了一种异质集成光学芯片制备方法，包括：

3、获取单晶硅晶片，单晶硅晶片具有第一键合面；朝向第一键合面进行离子注入，以在单晶硅晶片的预设深度形成缺陷层；

4、获取绝缘体上钽酸锂晶片，绝缘体上钽酸锂晶片的钽酸锂层具有第二键合面；通过第一键合面与第二键合面将单晶硅晶片与绝缘体上钽酸锂晶片进行键合，得到第一异质键合结构；

5、将第一异质键合结构沿缺陷层剥离部分单晶硅晶片，得到第二异质键合结构；

6、对第二异质键合结构中的单晶硅晶片进行刻蚀，形成硅波导；

7、对硅波导的一部分进行离子掺杂，形成光电探测器；

8、在绝缘体上钽酸锂晶片表面制备共面波导电极，得到第一目标异质集成光学芯片。

9、进一步地，方法还包括：

10、在硅波导所在的预设区间内，刻蚀绝缘体上钽酸锂晶片的钽酸锂层，形成钽酸锂波导；

11、对硅波导的一部分进行离子掺杂，形成光电探测器；

12、在刻蚀后的绝缘体上钽酸锂晶片表面制备共面波导电极，得到第二目标异质集成光学芯片。

13、进一步地，通过第一键合面与第二键合面将单晶硅晶片与绝缘体上钽酸锂晶片进行键合之前包括：

14、对第一键合面和第二键合面进行研磨抛光处理；

15、对研磨抛光处理后的第一键合面和第二键合面进行等离子体激活处理；等离子体激活中所采用的气体包括氮气、氩气或氧气。

16、进一步地，将第一异质键合结构沿缺陷层剥离部分单晶硅晶片，得到第二异质键合结构包括：

17、对第一异质键合结构进行退火处理，沿缺陷层剥离部分单晶硅晶片，以在绝缘体上钽酸锂晶片表面形成硅薄膜；退火处理的退火温度为100℃-1200℃，退火时间为1分钟-24小时，退火气氛包括氮气、氩气或真空；

18、去除硅薄膜的损伤层，得到第二异质键合结构；去除损伤层的方法包括化学机械抛光、离子束刻蚀、机械研磨、化学湿法腐蚀、高温退火的一种或组合。

19、进一步地，在第一目标异质集成光学芯片中，硅薄膜的厚度为100nm-200nm；在第二目标异质集成光学芯片中，硅薄膜的厚度为300nm-500nm。

20、进一步地，对第二异质键合结构中的单晶硅晶片进行刻蚀，形成硅波导包括：

21、在单晶硅晶片的表面涂覆第一光刻胶并进行图形化处理，得到图形化的第一光刻胶层；

22、沿图形化的第一光刻胶层全刻蚀单晶硅晶片，形成硅波导，硅波导的宽度为0.5um-1.5um。

23、进一步地，在第一目标异质集成光学芯片中，硅波导至少包括直波导；在第二目标异质集成光学芯片中，硅波导包括直波导和锥形耦合波导；锥形耦合波导的长度为50um-200um，锥形耦合波导的最小宽度为50nm-300nm，锥形耦合波导的最大宽度与直波导的宽度一致。

24、进一步地，对硅波导的一部分进行离子掺杂，包括：

25、确定光电探测器制备区域，通过p离子注入，在光电探测器制备区域的硅波导上形成p型轻掺杂区和p型重掺杂区；

26、在硅波导的表面外延沉积锗薄膜，形成锗外延层；

27、通过n离子注入，在锗外延层上形成n型轻掺杂区，进而形成光电探测器。

28、进一步地，制备共面波导电极的方法包括电子束蒸发沉积金属形成t型电极结构，金属包括但不限于金、铜、锗、钛的一种或组合。

29、进一步地，共面波导电极的信号电极宽度为10um-40um，信号电极长度为2000um-10000um；共面波导电极的接地电极宽度为40um-100um，接地电极长度为2000um-10000um。

30、进一步地，在第二目标异质集成光学芯片中，共面波导电极位于碳酸锂波导之间的区域，共面波导电极与钽酸锂波导的间距为3um-10um。

31、进一步地，方法还包括：

32、获取钽酸锂晶片，钽酸锂晶片具有第三键合面；朝向第三键合面进行离子注入，以在钽酸锂晶片的预设深度形成缺陷层；

33、获取绝缘衬底，绝缘衬底包括但不限于氧化硅-硅衬底、蓝宝石衬底、氧化硅-碳化硅衬底；绝缘衬底具有第四键合面；

34、通过第三键合面与第四键合面将钽酸锂晶片与绝缘衬底进行键合，得到复合衬底；

35、将复合衬底沿缺陷层剥离部分钽酸锂晶片，得到绝缘体上钽酸锂晶片；绝缘体上钽酸锂晶片的钽酸锂层厚度为200nm-600nm。

36、进一步地，在硅波导所在的预设区间内，刻蚀绝缘体上钽酸锂晶片的钽酸锂层，形成钽酸锂波导包括：

37、在硅波导所在的预设区间内，确定刻蚀标记；基于刻蚀标记在钽酸锂层的表面涂覆第二光刻胶并进行图形化处理，得到图形化的第二光刻胶层；

38、沿图形化的第二光刻胶层刻蚀钽酸锂层，形成钽酸锂波导；刻蚀钽酸锂层的刻蚀深度为100nm-300nm；钽酸锂波导为脊型波导；钽酸锂波导的宽度为1um-2um，侧壁倾角为60°-80°。

39、另一方面，本发明提供一种异质集成光学芯片，其由如上所述的异质集成光学芯片制备方法制备得到。

40、采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

41、(1)本发明所制备的第一目标异质集成光学芯片，只需刻蚀单晶硅晶片，将光场同时局限在硅波导和钽酸锂层间实现混合光模场分布，加工简单易操作，避开刻蚀钽酸锂这一复杂加工步骤，适用于工艺兼容性需求较高的应用场景，包括大规模流片等；

42、(2)本发明所制备的第二目标异质集成光学芯片，通过先刻蚀加工硅波导和后套刻钽酸锂波导，并利用锥形耦合波导将光场在硅波导和钽酸锂波导间切换，从而实现在硅材料层中进行光场传输和片上光探测、在钽酸锂层中实现高速电光转换；本发明利用钽酸锂材料的高调制速率，适用于高速大带宽电光调制应用场景，如数据中心的光通信、片上光计算等,且钽酸锂的经济型更强，能够实现产业化。