用各向異性濕法蝕刻技術(shù)制作的低損耗硅波導(dǎo)

引言

低損耗硅波導(dǎo)和有效的光柵耦合器來將光耦合到其中。通過使用各向異性濕法蝕刻技術(shù)，我們將側(cè)壁粗糙度降低到1.2納米。波導(dǎo)沿[112]方向在絕緣體上硅襯底上形成圖案。波導(dǎo)邊界由垂直于[110]表面的平面決定。制作的波導(dǎo)對TE極化的最小傳播損耗為0.85分貝/厘米，對TM極化的最小傳播損耗為1.08分貝/厘米。制作的光柵耦合器在1570納米處的耦合效率為4.16分貝，3 dB帶寬為46納米。

介紹

硅光子技術(shù)被視為替代板對板和芯片內(nèi)光學(xué)互連的金屬互連的潛在解決方案(Miller，2009)。用于實(shí)現(xiàn)無源和有源光學(xué)器件的硅光子學(xué)最常用的材料平臺是硅非絕緣體(SOI)。除了硅是透明的這一事實(shí)之外，晶體硅(~3.5)和掩埋氧化物之間在電信波長下的大折射率對比使得強(qiáng)光限制在頂部硅層中。通過蝕刻硅層以形成肋或線波導(dǎo)，還可以實(shí)現(xiàn)極好的橫向限制，使得具有小彎曲半徑的光波導(dǎo)，因此，緊湊的光子電路在亞微米尺度上是可行的。然而，這種強(qiáng)限制是有代價(jià)的，因?yàn)檎凵渎实娜魏尾灰?guī)則性都會導(dǎo)致強(qiáng)散射損耗，因?yàn)樯⑸鋼p耗與(δn)3成比例(鈴木等人，。1994). 通常，側(cè)壁粗糙度是硅光子學(xué)元件中光學(xué)損耗的主要促成因素，尤其是對于亞微米尺寸的硅波導(dǎo)。因此，正在進(jìn)行深入研究，以開發(fā)實(shí)現(xiàn)低損耗硅波導(dǎo)的最佳制造工藝，因?yàn)檫@對硅光子技術(shù)的成功至關(guān)重要。

實(shí)驗(yàn)

各向異性濕法刻蝕制造

對于晶體硅的各向異性濕法蝕刻，四甲基氫氧化銨(TMAH)水溶液被廣泛使用。由于其強(qiáng)堿性，根據(jù)暴露的晶面，TMAH與晶體硅的反應(yīng)非常不同。例如，當(dāng)[100]和[110]平面被蝕刻時(shí)，[111]平面幾乎不受溶液的影響。這種效應(yīng)可以允許非常高的各向異性蝕刻，其中[111]平面充當(dāng)蝕刻停止層。這種濕法蝕刻技術(shù)可以產(chǎn)生散射損耗非常低的波導(dǎo)，因?yàn)樗峭耆瘜W(xué)的過程，并且波導(dǎo)側(cè)壁將由硅晶面決定，硅晶面理想地在原子尺度上具有不規(guī)則性。

為了進(jìn)行比較，我們還使用標(biāo)準(zhǔn)干蝕刻工藝制作了波導(dǎo)。我們使用了與濕法蝕刻工藝相同的基底。用ZEP520A抗蝕劑旋涂襯底，并使用電子束光刻將波導(dǎo)圖案寫在抗蝕劑上。然后使用電感耦合等離子體蝕刻工藝將圖案轉(zhuǎn)移到硅層。然后，在用1-微米厚的?？怂?16層覆蓋之前，在O2等離子體灰化器中處理襯底以去除抗蝕劑。

圖3A用波導(dǎo)在不同時(shí)間點(diǎn)的掃描電鏡截面圖顯示了作為蝕刻時(shí)間函數(shù)的剩余硅厚度。在未構(gòu)圖的SOI襯底上，發(fā)現(xiàn)對于[110]方向，蝕刻速率為37納米/分鐘，因此340納米厚的頂部硅層預(yù)計(jì)在< 10分鐘內(nèi)被蝕刻掉。然而，對于圖案化的襯底，例如，。在制作波導(dǎo)結(jié)構(gòu)時(shí)，我們在波導(dǎo)底部發(fā)現(xiàn)了硅殘留物，即使在長時(shí)間蝕刻后也是如此參見圖3A中的插圖

圖3

討論

在為濕法蝕刻工藝設(shè)計(jì)光柵耦合器時(shí)，我們必須考慮濕法蝕刻工藝所施加的限制，因?yàn)榫鏇Q定了要制造的結(jié)構(gòu)的形狀。對于]取向的SOI晶片，只有方向給出穩(wěn)定的垂直側(cè)壁。因此，這兩個(gè)晶體方向被用來設(shè)計(jì)光柵耦合器和相關(guān)的波導(dǎo)。由于這兩個(gè)平面之間的角度是109.47°，1D光柵很難設(shè)計(jì)。這是因?yàn)樵?D光柵耦合器中，凹槽需要垂直于波導(dǎo)的方向，以便有效耦合。因此，我們選擇了2D亞波長光柵設(shè)計(jì)，如圖5A所示。采用三維時(shí)域有限差分(FDTD)法，使用商用軟件Lumerical確定優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。我們還沿光傳播方向?qū)鈻沤Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了線性變跡，以提高耦合效率。沿著x方向，周期保持恒定在ax = 350 nm，具有30行凹槽。沿著y方向，前11個(gè)周期具有ay = 600 nm的周期性，然后在接下來的11個(gè)周期中周期性從600 nm線性變化到550 nm，以實(shí)現(xiàn)變跡。如圖5B所示，凹槽的形狀是平行四邊形，其較長的臂沿著[方向，與波導(dǎo)相同，較短的臂沿著方向。除了垂直于方向的平面外，還有兩個(gè)與表面成35.3°角的[111]平面，這也決定了凹槽深度的范圍。均勻(未修飾)部分中的凹槽長l = 430納米，寬w = 200納米。在變跡截面中，當(dāng)寬度保持恒定在w = 200 nm時(shí)，長度從l = 430到270 nm線性變化。最后，在380納米寬的硅波導(dǎo)和10微米寬的光柵耦合器之間產(chǎn)生無損轉(zhuǎn)換所需的絕熱波導(dǎo)錐形長度被選擇為500 μm。有趣的是，在制造的器件中，我們沒有看到濕法蝕刻工藝的各向異性的任何明顯影響，這可能是因?yàn)殄F形側(cè)壁與方向的偏差小于1。

結(jié)論

總之，我們提出了一種新穎簡單的制作技術(shù)，利用各向異性濕法刻蝕技術(shù)實(shí)現(xiàn)低損耗硅波導(dǎo)和光柵耦合器。為了實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)的垂直側(cè)壁，我們使用了取向的SOI襯底平面。原子力顯微鏡成像顯示，與干蝕刻波導(dǎo)的7納米相比，濕蝕刻波導(dǎo)的1.2納米側(cè)壁粗糙度有顯著改善。對于TE極化，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了濕蝕刻波導(dǎo)的傳播損耗僅為0.85分貝/厘米。這明顯小于干蝕刻波導(dǎo)測得的4.69分貝/厘米的傳播損耗。此外，TM偏振的傳播損耗為1.08分貝/厘米，表明該濕法刻蝕工藝可用于制作偏振不敏感的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。還展示了使用相同的濕法蝕刻技術(shù)制造的高效光柵耦合器。光柵耦合器由六邊形凹槽組成。凹槽的形狀和深度由沿的穩(wěn)定晶面決定。優(yōu)化后的光柵耦合器在1565納米處的耦合效率為4.3分貝，3 dB帶寬為38納米。

審核編輯人：鄢夢凡