一种光波导及其制备方法与流程

本发明涉及一种光波导，尤其涉及一种包括调制层的光波导及其制备方法。

背景技术：

1、在光子回路中，通过各种光切换器件和功率分流器件，可以可控地通过光波导网络对光进行引导。这种器件通常通过控制波导中的光的相位来运行。例如，通过调谐绝缘体上覆硅(silicon-on-insulator，soi)波导的相位，微环谐振器(micro ring resonator；mrr)和马赫-曾德尔干涉仪(mach-zehnder interferometers，mzis)可实现光切换功能和功率分流功能。另外，定向耦合器可通过调谐其相对相位在间隔很近的波导之间短暂耦合不同光量的光。相移机构通常基于热光效应或自由载流子色散效应。然而，由于对折射率的弱扰动，对于实现所需相移而言，这种器件中的波导长度相对较长。例如，mzi在大约500μm可实现所需的π相移。微环尺寸小，但其工作带宽受限于谐振条件。另一种方法是在光子回路中使用微机电系统(micro-electromechanical system，mems)开关，其中，可以机械移动各耦合波导以调节耦合效率。然而，与传统的非机械方法相比，该方法切换速度慢(毫秒量级)，结构不紧凑，并且制造成本和复杂性相对较高。重要的是，上述技术存在不稳定和使用寿命短的问题，即，控制光相位的器件的状态需要维持在恒定的功耗下，微机电系统由于其自身的机械结构使得寿命受限。

2、相变材料(phase-change materials，pcms)具有内在非挥发性，并已被广泛用于光子应用，包括光子存储器件、可重写光盘、滤光器、显示器和光开关。pcms可使用标准方法轻易沉积在任意衬底上，并且可在非晶态和晶态之间高速、长期稳定地来回切换。在非晶态和晶态之间切换时，折射率急剧变化。经证实，波导耦合器顶部具有ge2sb2te5(gst)和ge2sb2se4te1(gsst)的紧凑型光开关具有高切换速度(100ns)和低功耗。因此，基于pcm的光子器件相对传统光子切换方案具有若干优势，并且有望用于开发大规模非易失性可重编程光子路由系统，例如现场可编程耦合器阵列等。

3、基于此，现有技术提出了具有pcm的光波导。例如，申请号为cn202180043314.8的中国发明专利申请，其通过在光波导上设置了一种非晶态下低吸收损耗(即消光系数基本上小于0.1)且晶态与非晶态间光学系数差异大的相变材料层，且该相变材料层可在至少两个稳定固态：非晶态和晶态之间切换。然而，现有的具有pcm的光波导，由于其结构的局限使得pcm在非晶态和晶态之间切换时存在不稳定的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种光波导及其制备方法，部分地解决或缓解现有技术中的上述不足，该光波导中调制层在非晶态和晶态之间切换时的稳定性更加可靠。

2、为了解决上述所提到的技术问题，本发明具体采用以下技术方案：

3、本发明的第一方面，在于提供一种光波导，其包括：光波导层，以及位于所述光波导层上的调制层，所述光波导层和所述调制层之间设置有第一隔离层，且所述调制层上覆盖有第一保护层，还包括：围绕在所述第一隔离层、所述调制层靠近所述第一隔离层的第一区域周围的第二隔离层，以及围绕在所述第一保护层、所述调制层靠近所述第一保护层的第二区域、所述第二隔离层和所述光波导层周围的第二保护层；其中，所述调制层被包裹在由所述第一保护层、所述第二保护层、所述第一隔离层和所述第二隔离层围合形成的密闭腔内，且所述调制层为相变材料层或所述调制层包括相变材料层。

4、本发明的一些实施例中，所述第一保护层及围绕在所述第一保护层和所述调制层的第二区域周围的所述第二保护层围合形成横截面呈倒置凹字形的第一凹槽；所述第一隔离层及围绕在所述第一隔离层和所述调制层的第一区域周围的所述第二隔离层围合形成横截面呈凹字形的第二凹槽，且所述第一凹槽的开口和所述第二凹槽的开口相对设置，使得所述第一凹槽和所述第二凹槽围合形成了横截面呈矩形的所述密闭腔。

5、本发明的一些实施例中，所述第一保护层及围绕在所述第一保护层和所述调制层的第二区域周围的所述第二保护层围合形成横截面呈倒置u形的第一凹槽；所述第一隔离层及围绕在所述第一隔离层和所述调制层的第一区域周围的所述第二隔离层围合形成横截面呈u形的第二凹槽，且同一横截面中，所述第一凹槽相对设置的侧壁之间的间距沿靠近所述波导层的方向逐渐减小，而所述第二凹槽相对设置的侧壁之间的间距沿远离所述波导层的方向逐渐增大，且所述第一凹槽的开口和所述第二凹槽的开口相对设置，使得所述第一凹槽的侧壁和所述第二凹槽的侧壁平滑连接，并围合形成了碗状或喇叭状或漏斗的所述密闭腔。

6、本发明的一些实施例中，所述第一隔离层为通过区域性刻蚀方法对预先覆盖在所述光波导层上的所述第二保护层和所述第二隔离层进行刻蚀形成具有顶部开口的空腔的腔底。

7、本发明的一些实施例中，所述相变材料层为通过溅射工艺在所述第一隔离层上溅射相变材料得到。

8、本发明的一些实施例中，所述第一保护层通过物理气相沉积或化学气相沉积工艺在所述调制层上进行沉积得到。

9、本发明的一些实施例中，所述第一保护层的上表面和所述第二保护层的上表面平齐。

10、本发明的一些实施例中，所述第一隔离层的厚度为1nm～100nm。

11、本发明的一些实施例中，所述第一隔离层沿所述波导长度方向延伸的长度为1μm～10μm。

12、本发明的一些实施例中，所述第一保护层的厚度为0.1μm～3μm。

13、本发明的一些实施例中，所述第一隔离层沿所述波导长度方向延伸的长度为1μm～10μm。

14、本发明的一些实施例中，所述调制层的厚度为1nm～1μm；和/或，所述调制层沿所述波导长度方向延伸的长度为1μm～10μm。

15、本发明的一些实施例中，所述相变材料层是由超晶格材料制成；或者，所述相变材料层是由包含锑或硒的硫族化合物形成，或者所述相变材料层包含所述硫族化合物，其中，所述硫族化合物包括sb2se3或sbse、sb2s3或sbs、ge2sb2se4te；或者，所述相变材料层的相变材料包括包含有锗、锑、硒、钒氧化合物的元素组合的化合物或合金或所述化合物的混合物；所述化合物包括；nbox、gete、gesb、gasb、aginsbte、insb、insbte、inse、sbte、tegesbs、agsbse、sbse、gesbmnsn、agsbte、ausbte和alsb。

16、本发明的一些实施例中，所述光波导层包括第三区域，以及位于所述第三区域外的第四区域；所述调制层位于所述第四区域上方。本文中该第三区域是指包含金属互连层的区域，以及包含具有与该金属互连层相连的通道的区域；第四区域是指不包含该金属互连层的区域，以及不包含具有与该金属互连层相连的通道的区域。

17、本发明的一些实施例中，所述光波导层的横截面呈矩形或凸字形。

18、本发明的一些实施例中，所述第一保护层和/或所述第二保护层为so2、al2o3、ito中的任一种或多种制成。

19、本发明的一些实施例中，所述第一隔离层和/或所述第二隔离层为si3n4、tin中一种或两种制成。

20、本发明的第二方面，在于提供一种制备上述光波导的方法，其包括步骤：

21、s1011，在衬底上集成光波导层，形成光波导平台；

22、s1013，在外露于衬底之上的光波导层的外表面通过物理气相沉积或化学气相沉积形成第一厚度的第二停止层和第二厚度的第二氧化层，其中，所述第二停止层位于所述光波导层上方，且所述第二停止层的宽度大于所述光波导层的宽度；

23、s1015，通过区域性刻蚀方法进行所述第二停止层和所述第二氧化层的开窗工艺，使得在所述光波导层形成第四厚度的第一停止层，以及围绕在所述第一停止层周围的所述第二停止层，所述第四厚度小于所述第一厚度；

24、s1017，采用第一薄膜沉积工艺将相变材料通过物理气相沉积方法沉积至窗口内露出的所述第一停止层的表面，形成预设厚度的相变材料层；所述预设厚度与所述第四厚度之和大于所述第一厚度；

25、s1019，采用第二薄膜沉积工艺将与步骤s1013中同样材质的氧化层沉积至所述相变材料层实现覆盖，得到第六厚度的第一氧化层。

26、本发明的有益效果：目前，在成熟可用的商用soi衬底上制备集成基于相变材料的光学器件的主要的方法是：通过先进磁控溅射或热蒸发工艺将多种相变材料直接沉积在光波导层的上表面(即采用向上耦合的方式)或者，沉积在波导的上表面和侧壁(相较于向上耦合的方式；同时在光波导层的侧壁也沉积相变材料层，会存在不均匀的问题，从而导致后续光耦合与相变材料调制过程中存在很多不确定因素)，相变材料的溅射可以用单一靶材或者多靶材共溅射(可以调节组分和掺杂)来实现。磁控溅射技术为在真空中利用荷能粒子轰击靶表面，使被轰击出的粒子沉积在基片上的技术。利用磁控溅射技术在表面溅射一层相变材料薄膜之后，再溅射一层氧化层用于保护。虽然该方法能够实现相变材料与光波导的异质集成，但还存在以下两方面的问题：

27、一方面，结构本身的稳定性尚待提高。1、在相变材料之后溅射的氧化层很薄(10nm～30nm)，且氧化层紧接着相变材料进行溅射，仅仅是覆盖在相变材料层的上表面无法完全将相变材料包裹住，自然其保护作用较低。2、相变材料在调制(熔化/重结晶)后，尤其是熔化后具有流动性会出现一定距离的移动，也正是由于其表面仅一层较薄的氧化层，因此，其实际上无法控制相变材料在调制之后的变化区域，从而可能会存在材料分离，甚至挥发的问题，进而导致调制层在非晶态和晶态之间切换时存在不稳定的问题。

28、另一方面，较难实现商业化落地(例如，工业化生产)，只能用于科研。因为在工业化生产中，芯片中一般还包含位于光波导表面的氧化层以及嵌于该氧化层中的金属互连层。受现有的前后段工艺限制，相变材料并不能直接加入到芯片的制造流程中，也即上述直接在波导层上溅射相变材料层的方法并不能够直接应用于工业化生产中。具体地，现有的芯片制造流程工艺主要分为前段工艺和后段工艺，前段工艺包括晶圆加工、氧化工艺、光刻、刻蚀、沉积和掺杂/离子注入等工艺，而后段工艺主要是形成片上的金属互连层。由于前段工艺技术难点多，操作复杂，为了避免造成污染，相变材料不允许在前段工艺中集成在波导上。后段工艺中的介质层和金属化需要较高的工作温度，在该高温环境下对会影响相变材料集成的稳定性，因此相变材料也不被允许放在金属化之前。也即是说这种结构的光波导工业化生产难度较大。

29、基于此，本发明提供了一种新结构的光波导，其结构稳定性更高，有利于商业化落地。具体地，为了避免开窗工艺中对光波导层造成损伤，因此，在光波导层和调制层之间设置了第一隔离层，并且将该调制层设置在由第一隔离层和第二隔离层围合形成的空腔内，由第一保护层来覆盖，也即由该第一隔离层、第二隔离层和第一保护层、第二保护层限定调制层在不同状态(即非晶态和晶态)切换过程中调制层的移动空间(例如，分别由第一隔离层和第二隔离层形成的第二凹槽对该调制层靠近光波导层的部分形成半包裹，同时，由第一保护层和第二保护层形成的第一凹槽对该调制层远离光波导层的另外部分形成半包裹，并且由于沉积工艺中第二隔离层和第二保护层之间的密闭性、第一保护层和第二保护层之间的密闭性，限定了调制层在不同状态切换过程中调制层的移动空间)，从而保证了调制层的完整性与稳定性，进而减少相变材料不可逆的损伤，延长调制层的使用寿命。

30、进一步地，通过由第一隔离层和第二隔离层、第一保护层和第二保护层围合形成一个横截面呈上大下小的碗状或喇叭密封腔来包裹调制层；一方面，在开窗工艺环节中，形成的窗口的顶部开口较大，扩大了后续溅射相变材料溅射的覆盖区域，倾斜的窗口侧壁也使得相变材料能够更容易进入窗口中并沉积到窗口底部，降低了溅射工艺的难度；另一方面，由于顶部开口较大，且周围侧壁具有一定倾斜度或弧度，即非垂直刻蚀，相较于垂直刻蚀其难度较低。