1、集成光子器件制造工藝簡介中南大學微電子0801林向發展歷程簡介自20世紀60年代首次觀察到光波導現象以業，光波導理論迅速發展，各種各樣的光子器件相繼問世，并嘗試應用到了眾多領域。不僅產生了半導體激光器、探測器、光調制器、光開關、光放大器和光傳感器等 單功能的集成器件，而且能夠實現多個核心器件集成，形成具有一定復雜功能的器件系統。目前，集成光學針對光通信、光信息處理、光傳感和光子計算機所需的多功能光集成體系和混合光電集成體系，把激光器、調制器和探測器等有源器件集成在同一個襯底上，利用光波導、隔離器、耦合器和濾波器等 無源器件連接起來，構成集成光路，以實現光學系統的薄膜化、微型化和集成化。上圖為I

2、BM CMOS集成硅納米光子芯片，IBM的科學家們日前宣布了一種新型芯片技術，將電子、光學設備融合在同一塊硅片上，能夠顯著提升芯片間的通信速度和性能，從而為百億億次超級計算機的實現奠定更進一步的基礎。集成光子器件材料集成光子器件材料已從初期的單一的玻璃或鈮酸鋰（LiNbO3）材料發展到了今天的多種材料，特別是硅基、三五族半導體、有機聚合物材料的開發為集成光學進入工程實用奠定了基礎。以硅基為襯底的平面波導結構，可實現多芯片光電混合集成。盡管三五族化合物的電光效應不如鈮酸鋰，但可以實現新型的光波導功能器件，并且是實現單片集成必不可少的材料。而有機聚合物為集成光學的低成本批量生產，產生了巨大的推動力

3、。以下為幾種典型光子器件襯底材料對比鈮酸鋰：LiNbO3晶體是集成光學器件中最常用的無機電光晶體材料，其發展已處于比較成熟的階段。它具有良好的電光、聲光效應性能，而且聲波衰減系統僅為0.05dB/cm。采用Ti擴散法和質子交換法制作工藝，可以實現高質量、高性能的LiNbO3的光波導。缺點：會出現“光損傷”。即當LiNbO3晶體工作在短波長的強光功率密度下時，折射率會發生急劇的難以恢復的變化。同時在質子交換時容易發生晶片的炸裂。硅：對單片集成很適用，適合短波段光通信，但無明顯優勢。在Si襯底上利用火焰堆積法制成的平面光波回路可適用于激光器、光耦合器、波分復用器、光開關等。局限：1.間接帶隙半導體

4、，難以制作高效率的激光器。2.載流子遷移率低，無法向更高的工作頻率發展。GaAs: Si的弱點恰好是GaAs的長處。屬于直接 帶隙材料，是制作激光器的理想材料。高遷移率可以用來制作高速電子器件和光集成電子器件。技術上容易實現，是實現單 片集成最有希望的材料。小結：集成光學的最佳設想是把光源到探測器的整個集成光路全部集成在一個襯底上，以形成一個緊湊密實的集成光路（理想材料：GaAs和InP）。但是目前仍需要利用那些某種性能（如電光、聲光、磁光等）特別優異的無源材料來研制集成光子器件。比如LiNbO3，LiTiO3等。集成光子器件制作技術集成光子器件的制作，涉及到化學工藝、真空工藝、半導體工藝等，

5、其中最為關鍵的是具有特定參數的光波導的形成和特殊形狀的器件結構圖形的獲得。原有的微電子傳統工藝如真空蒸發、濺射、擴散、外延、光刻、蝕刻等 ，在集成光子器件中雖然也得到應用，并有改進和提高，但制作質量良好的波導器件，還必須依靠先進的特殊微細加工技術。下圖為一個典型的集成光器件制作流程圖，其流程基本與微電子制造工藝相同，都經過結晶基片的制備、薄膜沉積、上膠、光刻顯影、刻蝕、去膠再清洗、擴散等工序。 光波導制備技術目前LiNbO3是集成光學器件中最常用的電光晶體材料，下面以LiNbO3為襯底材料介紹集成光子器件光波導的制備過程。流程如下圖所示：i. 薄膜生長包括淀積和外延生長兩大類。也可以根據薄膜形

6、成過程中是否有化學性質的變化分為物理淀積和化學氣相沉積法。a.物理淀積方法包括真空蒸發和濺射，簡易模型見下兩圖b.化學氣相沉積法在發展中產生了很多改進形式，包括常壓化學氣相沉積、金屬有機化合物氣相沉積、等 離子體增強化學氣相沉積等。ii. 光刻（略，與微電子制造工藝完全相同）iii. 刻蝕（略）iv. 質子交換LiNbO3光波導的制備方法有很多種，早期用的較多的是Ti擴散法，現在常用的是退火質子交換法。質子交換法與鈦擴散法相比 有以下優點：耐光學損傷、可得到階躍分布的折射率、折射率差與交換溫度和時間無關等。質子交換法本質上屬于離子交換過程，即LiNbO3中的LI離子被酸中的氫離子取代。其裝置簡

7、圖如下：v. 退火處理質子交換后光波導發生了一些變化，存在一些不足。使用退火處理可以使折射率分布穩定 ，并且減小傳輸損耗。退火所需要的主要設備是高溫恒 溫加熱器，退火溫度是300至400攝氏度。vi. 基片研磨與耦合封裝在將波導和電極制作好后，由于基片兩邊端面非常粗糙，會導致嚴重的光散射，使波導和光纖耦合效率很低，所以需要對芯片端面進行研磨和拋光。 半導體單 片集成光子器件工藝下圖歸納了制作工藝流程（以集成激光器、光接收器和光波導的單片集成器件為例），其工藝包括有源器件用多層結構成膜 、光波導用窗口、光波導用多層結構成膜、條形光波導形成、電極形成、芯片化和芯片安裝。1. 晶體生長：對于制作在同一個襯底上的光集成器件，需分別進行不同有源或無源器件的晶體生長。2. 開光波導窗口：采用曝光和蝕刻的方法開窗口3. 光波導多層結構成膜：在第二步中開的窗口部分進行第二次晶體生長，采用光波導生長工藝。同進為了做到有源器件區和波導區連