硅基二氧化铪的表面等离子波导实现方法

1.本发明涉及的是一种集成光子学领域的波导设计及制备技术，具体是一种基于金-二氧化铪-硅混合波导的制备方法。


背景技术：

2.随着信息技术的迅速发展，集成光电子技术正发挥着巨大的作用。集成光波导通过利用材料的高折射率差产生全反射引导光场在介质中传播，基于绝缘衬底上硅(soi)平台的硅波导具有很强的模场束缚特性，被广泛应用于集成光路中。


技术实现要素：

3.本发明针对现有技术无法直接将二氧化铪的优良的光电特性和材料特性应用到光波导器件中的不足，提出一种硅基二氧化铪的表面等离子波导实现方法，利用了二氧化铪的优良的光电特性和材料特性，采用单层金波导可以有效地增强光场和电场的相互作用，由于金波导对光模场有很强的束缚作用，因此波导结构占地面积小，可以有效减小电阻电容，从而提升调制器带宽。
4.本发明是通过以下技术方案实现的：
5.本发明涉及一种硅基二氧化铪的表面等离子波导，由上而下依次为金层、二氧化铪层、硅层、掩埋氧化硅层和硅基层。
6.所述的金-二氧化铪-硅结构混合波导折射率分布为二氧化铪材料折射率n1≈2.0，硅材料折射率n2≈3.42。
7.所述的金-二氧化铪-硅结构混合波导中的光模场被局域在二氧化铪层中。
8.本发明涉及上述一种硅基二氧化铪的表面等离子波导的实现方法，通过在soi晶圆上采用沉积、蒸镀分别得到的二氧化铪层和金波导层，具体包括：
9.1)在soi晶圆上通过原子层沉积技术(ald)沉积二氧化铪得到20nm厚的二氧化铪薄膜；
10.2)在二氧化铪薄膜上旋涂电子束胶，之后利用ebl电子束曝光技术在电子束胶上定义波导图案；
11.3)在电子束胶上再通过电子束蒸镀技术沉积金薄膜；
12.4)最后通过湿法剥离制备得到100nm厚的金波导，实现硅基二氧化铪的表面等离子波导。技术效果
13.本发明在传统硅波导的基础上通过引入二氧化铪材料，利用二氧化铪材料的优良光电特性和材料特性，并且引入金报导增强光场和电场的相互作用，实现硅-二氧化铪-金这一独特的波导结构，束缚光模场，减小器件的尺寸同时提升调制器带宽。
附图说明
14.图1为本发明金波导-二氧化铪-硅的截面图(si-hfo
2-gold)；
15.图2为本发明基于二氧化铪异质集成平台的金波导仿真光谱图；
16.图3为本发明制备流程图；
17.图中：1金(au)层、2电子束胶层、3二氧化铪层、4硅层、5二氧化硅层。
具体实施方式
18.如图1所示，为本实施例涉及的一种可以在soi平台上加工实现的金-二氧化铪-硅混合波导，包括：下硅层、二氧化铪层及金层波导，其具体实现步骤包括：
19.步骤1)在soi晶圆上通过原子层沉积技术(ald)沉积得到二氧化铪薄膜，其厚度为20nm；
20.步骤2)在制备得到的二氧化铪薄膜上旋涂电子束胶，之后利用ebl电子束曝光技术在电子束胶上定义波导图案；
21.步骤3)在电子束胶上再通过电子束蒸镀技术沉积金薄膜；
22.步骤4)最后通过湿法剥离制备得到金波导，其厚度为100nm。
23.通过lumerical solutions公司旗下的mode solutions软件对所述波导进行结构搭建，以金波导100nm，二氧化铪层20nm，上硅层3μm的厚度仿真，其结果如图2所示：光场能够有效的局限在所述波导的二氧化铪层内。
24.与现有技术相比，本发明将二氧化铪材料应用于光波导器件中，将光场局域在二氧化铪中从而有效利用二氧化铪材料优良的光电特性和材料特性，并通过引入金波导增强电场和光场的相互作用，减小器件尺寸同时提升调制器带宽。
25.上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。


技术特征：
1.一种硅基二氧化铪的表面等离子波导，其特征在于，由上而下依次为金层、用于约束光模场的二氧化铪层、硅层、掩埋氧化硅层和硅基层；所述的金-二氧化铪-硅结构混合波导折射率分布为二氧化铪材料折射率n1≈2.0，硅材料折射率n2≈3.42。2.一种实现权利要求1所述硅基二氧化铪的表面等离子波导的方法，其特征在于，包括：1)在soi晶圆上通过原子层沉积技术(ald)沉积二氧化铪得到20nm厚的二氧化铪薄膜；2)在二氧化铪薄膜上旋涂电子束胶，之后利用ebl电子束曝光技术在电子束胶上定义波导图案；3)在电子束胶上再通过电子束蒸镀技术沉积金薄膜；4)最后通过湿法剥离制备得到100nm厚的金波导，实现硅基二氧化铪的表面等离子波导。

技术总结
一种硅基二氧化铪的表面等离子波导，其特征在于，由上而下依次为金层、二氧化铪层、硅层、掩埋氧化硅层和硅基层。本发明利用了二氧化铪的优良的光电特性和材料特性，采用单层金波导可以有效地增强光场和电场的相互作用，由于金波导对光模场有很强的束缚作用，因此波导结构占地面积小，可以有效减小电阻电容，从而提升调制器带宽。提升调制器带宽。提升调制器带宽。


技术研发人员：张永 张磊 沈健 苏翼凯
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2022.03.28
技术公布日：2023/10/11