波导及其形成方法与流程

本发明涉及导波光学技术领域，尤其涉及一种波导及所述波导的形成方法。

背景技术：

波导(waveguide)是一种用来定向引导电磁波的结构。光波导是集成光学中的一个重要元素，是平面光波回路里的一个基本单元结构，在许多领域的应用获得了成功，如：信号处理、光通信和光传感等。集成光学中常用的材料有二氧化硅、iii-v族化合物半导体、铌酸锂、聚合物、绝缘体上硅(soi)等。在这些材料中，绝缘体上硅材料因为同时适合有源和无源器件而逐渐成为一种应用潜力巨大的材料。soi材料上的光波导已经被成功实现和应用，但是soi材料由于二氧化硅埋层的厚度受限，且不能够进行二氧化硅埋层与顶层硅界面上的处理，对器件的设计和性能都有很大的影响。

现有技术所形成的波导的性能有待提高。

技术实现要素：

本发明解决的问题是现有技术形成的波导的性能不佳。

为解决上述问题，本发明实施例提供了一种波导的形成方法，所述方法包括：提供基底；在所述基底上形成黑磷层以及位于所述黑磷层上的石墨烯层；在所述石墨烯层上形成图形化的掩膜层；刻蚀所述石墨烯层和所述黑磷层，直至暴露出所述基底；去除所述图形化的掩膜层。

可选地，在所述基底上形成黑磷层以及位于所述黑磷层上的石墨烯层包括：在所述基底上形成红磷层；对所述红磷层进行热处理形成黑磷层；在所 述黑磷层上形成碳化硅层；对所述碳化硅层进行热处理，形成石墨烯层。

可选地，对所述红磷层进行热处理包括：在高压下将所述红磷加热至1000摄氏度；以每小时100摄氏度的速率将所述红磷冷却至600摄氏度。

可选地，所述波导的形成方法还包括：在形成所述黑磷层后，对所述黑磷层进行减薄处理，使其达到预设厚度。

可选地，对所述黑磷层进行减薄处理采用氩气等离子体。

可选地，对所述碳化硅层进行热处理的温度大于1000摄氏度，使所述碳化硅层发生热分解。

可选地，在所述基底上形成黑磷层以及位于所述黑磷层上的石墨烯层包括：在所述基底上形成红磷层；在所述红磷层上形成硅包覆层，以及位于所述硅包覆层上的含碳材料层；对所述红磷层、硅包覆层和含碳材料层进行热处理，使所述红磷层形成黑磷层，所述硅包覆层和所述含碳材料层形成石墨烯层。

可选地，所述波导的形成方法还包括：在形成所述红磷层后，对所述红磷层进行减薄处理，使其达到预设厚度。

可选地，对所述红磷层进行减薄处理采用氩气等离子体。

可选地，所述红磷层采用化学气相沉积工艺或者分子束外延工艺形成。

对应地，本发明实施例还提供了采用上述方法形成的一种波导。所述波导包括：基底；位于所述基底上的黑磷层；位于所述黑磷层上的石墨烯层，所述石墨烯层与所述黑磷层沿所述基底表面方向的尺寸相同。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下优点：

本发明实施例的波导的形成方法中，在基底上形成黑磷层和位于所述黑磷层上的石墨烯层后，再在所述石墨烯层上形成图形化的掩膜层，以所述图 形化的掩膜层为掩膜，刻蚀所述石墨烯层和所述黑磷层，直至暴露出所述基底，形成石墨烯-黑磷复合结构的波导。由于所述波导中的石墨烯层和黑磷层基于相同的掩膜层经刻蚀工艺形成，形状一致，有利于减少吸收和散射损耗。

进一步地，本发明实施例中采用了新型的光电材料黑磷，由于黑磷材料为直接带隙材料且具有可调的带隙宽度(bandgap)，可以通过调节黑磷材料的厚度对其带隙宽度进行调节，使得本发明实施例的波导应用范围广。

对应地，本发明实施例的波导也具有上述优点。

附图说明

图1至图9示出了本发明实施例的波导的形成方法中所形成的中间结构的剖面示意图。

具体实施方式

由背景技术可知，现有技术形成波导的性能不佳。

本发明的发明人研究了现有技术soi衬底上硅波导的形成方法后发现：为了提高soi衬底上硅波导的性能，现有技术在形成硅波导后，还会沉积氧化硅介质层；平坦化所述介质层后，再在所述硅波导上形成石墨烯(graphene)层。希望通过所述石墨烯层来调节和改善所述硅波导的性能，但是，却容易造成额外的吸收和散射损耗(absorptionandscatteringlosses)，从而造成波导性能下降。本发明的发明人进一步对在硅波导上形成石墨烯(graphene)层的工艺进行了研究，发现所述石墨烯层通常在硅波导形成之后通过机械转移的方法转移到所述硅波导上，由于机械转移的方法难以精确定位和覆盖所述硅波导器件，难以形成边缘同形(edge-conformed)的石墨烯-硅复合结构，从而造成了硅波导的吸收和散射损耗增加。

基于以上研究，本发明实施例提供了一种波导的形成方法，在基底上形成黑磷层和位于所述黑磷层上的石墨烯层后，再在所述石墨烯层上形成图形 化的掩膜层，以所述图形化的掩膜层为掩膜，刻蚀所述石墨烯层和所述黑磷层，直至暴露出所述基底，形成石墨烯-黑磷复合结构的波导。由于所述波导中的石墨烯层和黑磷层通过相同的掩膜层经刻蚀工艺形成，形状一致，有利于减少传输损耗。进一步地，本发明实施例中采用了新型的光电材料黑磷，由于黑磷材料为直接带隙材料具有可调的带隙宽度(bandgap)，可以通过调节黑磷材料的厚度对其带隙宽度进行调节，可用于多种波段的光路中，增大了本发明实施例的波导的应用范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

需要说明的是，提供这些附图的目的是有助于理解本发明的实施例，而不应解释为对本发明的不当的限制。为了更清楚起见，图中所示尺寸并未按比例绘制，可能会做放大、缩小或其他改变。

首先参考图1，提供基底100，在所述基底100上形成黑磷层110以及位于所述黑磷层110上的石墨烯层120。

本实施例中，所述基底100为硅晶圆。所述基底100内可以形成有多种电学单元或者光学单元。在其他一些实施例中，所述基底100还可以为其他半导体材料或绝缘材料。例如，所述基底100还可以为锗硅、锗或iii-v族半导体材料等，或者为si-sige、si-sic、绝缘体上硅(soi)或者绝缘体上锗(goi)等多层结构材料；或者为玻璃等绝缘材料。

在一些实施例中，同时参考图2至图4，在所述基底100上形成黑磷层110以及位于所述黑磷层110上的石墨烯层120的方法包括：在所述基底100上形成红磷层111；对所述红磷层111进行热处理形成黑磷层110；在所述黑磷层110上形成碳化硅层121；对所述碳化硅层121进行热处理，形成石墨烯层120。

具体地，如图2所示，在所述基底100上形成红磷层111。在所述基底100上形成红磷层111的工艺可以为化学气相沉积工艺或者分子束外延工艺。

接着，如图3所示，对所述红磷层111进行热处理形成黑磷层110。由于红磷与黑磷为同素异形体，经过热处理后，所述红磷层111可以转化为黑磷层110。在一具体实施例中，对所述红磷层111进行热处理形成黑磷层110的工艺包括：在恒定高压10千巴(kbar)的条件下，将所述红磷层111加热至1000摄氏度；接着，以100摄氏度每小时的冷却速率将所述红磷层111降温至600摄氏度，从而将所述红磷层111转化为黑磷层110。为了获得较高的黑磷质量，上述的升温和降温过程可以多次循环执行。

在一些实施例中，在形成所述黑磷层110后，还对所述黑磷层110进行了减薄处理，使得所述黑磷层110的厚度达到预设厚度。如前所述，二维黑磷材料的带隙宽度与其厚度也就是层数相关。研究表面，随着黑磷层数的增加，带隙宽度会减小，单层的黑磷的带隙宽度为2.5ev，块状的黑磷的带隙宽度为0.3ev。由于黑磷材料的光电特性与其带隙宽度相关，因此，基于待形成波导的应用场景，需要对所述黑磷层110的厚度进行控制。具体地，在一些实施例中，采用氩气等离子体对所述黑磷层110进行减薄处理。通过控制氩气等离子体刻蚀的工艺参数，可以精确控制减薄厚度，甚至达到逐层去除的效果。

接着，如图4所示，在所述黑磷层110上形成碳化硅层121。具体地，可以采用原子层沉积(ald)工艺形成所述碳化硅层121，沉积温度为150摄氏度。在形成所述碳化硅层121后，对所述碳化硅层121进行热处理，形成如图1所示的石墨烯层120。在一些实施例中，对所述碳化硅层121进行热处理的温度大于1000摄氏度，使所述碳化硅层121发生热分解。具体地，对所述碳化硅层121进行热处理可以在超高真空(uhv)环境或者氩气气氛下进行。例如，当在超高真空环境下对所述碳化硅121层进行热处理时，所述热处理 工艺的温度为1280摄氏度；当在氩气气氛下对所述碳化硅层121进行热处理时，所述热处理工艺的温度为1650摄氏度。

在另外一些实施例中，同时参考图5至图7，在所述基底100上形成黑磷层110以及位于所述黑磷层110上的石墨烯层120的方法包括：在所述基底100上形成红磷层115；在所述红磷层上形成硅包覆层(si-coating)125、以及位于所述硅包覆层125上的含碳材料层126；对所述红磷层115、硅包覆层125和含碳材料层126进行热处理，使所述红磷层115形成黑磷层110，所述硅包覆层125和所述含碳材料层126形成石墨烯层120。

具体地，如图5所示，在所述基底100上形成红磷层115。形成所述红磷层115的工艺可以为化学气相沉积工艺或者分子束外延工艺。由于所述红磷层115在后续工艺中用于形成黑磷层，为了获得预设厚度的黑磷层，需要对所述红磷层115的厚度进行调节。因此，在一些实施例中，在形成所述红磷层115后，对所述红磷层115进行减薄处理。具体地，可以采用氩气等离子体对所述红磷层115进行减薄处理，通过控制氩气等离子体刻蚀的工艺参数，可以精确控制减薄的厚度。减薄后，所述红磷层115的厚度与待形成的黑磷层的厚度对应，从而达到调控所述黑磷层的带隙宽度的目的，同时增加了本发明实施例所形成波导的应用范围。

接着，如图6所示，在所述红磷层115上形成硅包覆层125以及位于所述硅包覆层上的含碳材料层126。在所述红磷层115上形成包覆层125及含碳材料层126可以采用旋涂工艺，工艺简单。例如，形成所述硅包覆层125可以采用正硅酸乙酯(teos)，形成所述含碳材料层126可以采用聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)。当然，所述硅包覆层125和所述含碳材料层126也可以采用其他材料形成，或者采用其他工艺形成。

接着，如图7所示，对所述红磷层115、硅包覆层125和含碳材料层126 进行热处理，使所述红磷层115(同时参考图6)形成黑磷层110，所述硅包覆层125和所述含碳材料层126形成如图1所示的石墨烯层120。本发明实施例中，可以采用激光退火工艺对所述红磷层115、硅包覆层125和含碳材料层126进行热处理。

对所述红磷层115进行热处理，使所述红磷层115转化为黑磷层110的工艺可以参考前述实施例的描述，在此不再赘述。由于红磷与黑磷为同素异形体，经过循环的加热和冷却处理过程就可以获得高质量的黑磷层。

在1200到1400摄氏度之间，碳在硅中的固溶度仅为10^-4～10^-3原子百分比(at.％)；但在1404摄氏度共晶点(eutecticpoint)时，碳在液态硅中的溶解度达到0.75原子百分比。通过激光退火，熔化的液态硅中溶解的碳可以在冷却过程中沉淀，继而联合(coalesce)并成核(nucleate)形成石墨烯层。因此，本发明实施例采用激光退火工艺的快速加热和冷却所述硅包覆层125和所述含碳材料层126，形成所述石墨烯层120。在高温下，有机物质和硅可以挥发。当然，在形成所述石墨烯层120后，还可以对残余物质进行清理。例如，在形成所述石墨烯层120后，去除残余的含碳材料层126，形成如图1所示的结构。

需要说明的是，在上述实施例中，在所述基底100上形成黑磷层110以及位于所述黑磷层110上的石墨烯层120的方法仅为示例，在其他实施例中，也可以采用其他工艺，本发明对此不作限定。

接着，参考图8，在所述基底100上形成黑磷层110以及石墨烯层120后，在所述石墨烯层120上形成图像化的掩膜层130。

所述图像化的掩膜层130的形状根据具体的光路进行设计，与待形成的波导的形状对应，本发明对此不作限定。所述图形化的掩膜层130可以为光刻胶层或者硬掩膜层。当所述图形化的掩膜层130为光刻胶层时，通过对光 刻胶材料的涂覆、烘干、光刻和显影等工艺形成；当所述图像化的掩膜层130为硬掩膜时，先在所述石墨烯层120上形成硬掩膜材料层，例如氮化钛或氮化硅，再采用前述的方法在所述硬掩膜材料层上形成图像化的光刻胶层，以所述图形化的光刻胶层为掩膜对所述硬掩膜材料层进行刻蚀后，形成图像化的硬掩膜层，接着，去除所述图形化的光刻胶层。

接着，参考图9，以所述图形化的掩膜层130(同时参考图8)为掩膜，刻蚀所述石墨烯层120和所述黑磷层110，直至暴露出所述基底100，形成波导。在刻蚀工艺后，还需要去除所述图像化的掩膜层130。

在一些实施例中，刻蚀所述石墨烯层120和所述黑磷层110的工艺为干法刻蚀。例如，反应离子刻蚀。在刻蚀工艺后，形成暴露出基底100的凹槽，剩余的、位于所述掩膜层130下的石墨烯层120和黑磷层110与所述基底110构成本发明实施例的波导。

由于本发明实施例中，所述波导中的石墨烯层和黑磷层都是以所述图像化的掩膜层130为掩膜刻蚀后形成，因此它们的形状一致，边缘同形，有利于减少传输损耗，提高了波导的性能。

对应地，本发明实施例还提供了一种采用上述方法形成的波导。参考图9，所述波导包括：基底100；位于所述基底100上的黑磷层110；位于所述黑磷层110上的石墨烯层120，所述石墨烯层110与所述黑磷层120沿所述基底100表面方向的尺寸相同，位置相对应。需要说明的是，上述的尺寸相同并非指数学意义上的严格相同，而是在刻蚀工艺允许的误差范围内的尺寸上的一致。

对应地，本发明实施例的波导也具有上述方法的优点，具体可参考对方法部分的描述，在此不再赘述。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员， 在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。