硅-碳化硅结构混合波导及其制备方法

本发明涉及的是一种集成光电子领域的技术，具体是一种基于非线性光学和量子光子学集成平台的硅-碳化硅结构混合波导及其制备方法。

背景技术：

1、为充分利用不同材料的特性，设计制备高性能光电子集成器件，集成光子学领域一直在寻找新材料平台，该平台需要与硅基cmos工艺兼容，同时应具备低损耗、高折射率差、高非线性系数、高功率耐受性等特性。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术无法控制光模场在sic层中的占比以及需要离子注入来引入非线性的不足，提出一种硅-碳化硅结构混合波导及其制备方法，充分利用碳化硅材料的优良特性，通过离子切割和层转移技术制备，无需离子注入工艺，因此本发明的工艺与cmos兼容。通过将光模场局限在碳化硅中使得其优良的光电学特性得以利用在传输过程中，碳化硅材料的优良特性可以克服传统硅的部分限制，并且与微电子cmos工艺相兼容，制备过程较简单。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、本发明涉及一种基于非线性光学和量子光子学集成平台的硅-碳化硅结构混合波导，由上而下依次包括：氧化硅包层、硅波导层、碳化硅层、氧化硅掩埋层和硅衬底，该混合波导核心为：硅波导层、氧化硅包层和用于传输te模或tm模的碳化硅层，硅波导层、碳化硅层、氧化硅掩埋层和硅衬底构成非线性光学和量子光子学集成平台(4h-sicoi)。

4、所述的非线性光学和量子光子学集成平台，预先通过sicoi晶圆以及在sicoi晶圆上通过沉积技术得到。

5、所述的硅-碳化硅结构混合波导折射率分布为硅材料折射率n1≈3.42，碳化硅材料折射率n2≈2.57。

6、所述的te模局域在碳化硅层中传输。

7、所述的碳化硅层的厚度为500nm，厚度可根据实际情况如工艺等在500nm上下浮动。

8、所述的硅波导层的厚度可根据不同需求而沉积不同厚度，当碳化硅层的厚度为500nm，硅波导层为120nm时，光模场局域在碳化硅层的比例为0.52。

9、所述的硅波导层的厚度改变导致光模场局域在碳化硅层的比例值改变，具体为：光模场局域在碳化硅层的比例随硅波导层的厚度增加而减小。

10、技术效果

11、本发明通过离子切割和层转移技术制备4h-sic，无需离子注入工艺，4h-sic薄膜的质量不受碳化硅晶片与衬底之间晶格不匹配的影响，因此可以获得直接转移到sio2/si衬底上的高质量单晶4h-sic薄膜。工艺优势在于与微电子cmos工艺相兼容，能够控制光模场在sic层的占比，制备过程较简单。

技术特征：

1.一种基于非线性光学和量子光子学集成平台的硅-碳化硅结构混合波导，其特征在于，由上而下依次包括：氧化硅包层、硅波导层、碳化硅层、氧化硅掩埋层和硅衬底，该混合波导核心为：硅波导层、氧化硅包层和用于传输te模或tm模的碳化硅层，硅波导层、碳化硅层、氧化硅掩埋层和硅衬底构成非线性光学和量子光子学集成平台。

2.根据权利要求1所述的混合波导，其特征是，所述的非线性光学和量子光子学集成平台，预先通过sicoi晶圆以及在sicoi晶圆上通过沉积技术得到。

3.根据权利要求1所述的混合波导，其特征是，所述的硅-碳化硅结构混合波导折射率分布为硅材料折射率n1≈3.42，碳化硅材料折射率n2≈2.57。

4.根据权利要求1所述的混合波导，其特征是，所述的te模局域在碳化硅层中传输。

5.根据权利要求1所述的混合波导，其特征是，所述的碳化硅层的厚度为500nm，对应硅波导层为120nm时，光模场局域在碳化硅层的比例为0.52。

6.根据权利要求1所述的混合波导，其特征是，所述的硅波导层的厚度改变导致光模场局域在碳化硅层的比例值改变，具体为：光模场局域在碳化硅层的比例随硅波导层的厚度增加而减小。

7.一种制备权利要求1-6中任一所述混合波导的方法，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征是，所述的非晶硅层的厚度为100nm。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征是，所述的硅-碳化硅结构中的硅波导的厚度为100nm。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征是，所述的sio2包层的厚度为1μm。

技术总结
一种硅‑碳化硅结构混合波导及其制备方法，制备得到的波导由上而下依次包括：氧化硅包层、硅波导层、碳化硅层、氧化硅掩埋层和硅衬底，该混合波导核心为：硅波导层、氧化硅包层和用于传输TE模或TM模的碳化硅层。本发明充分利用碳化硅材料的优良特性，通过离子切割和层转移技术制备，无需离子注入工艺，因此本发明的工艺与CMOS兼容。通过将光模场局限在碳化硅中使得其优良的光电学特性得以利用在传输过程中，碳化硅材料的优良特性可以克服传统硅的部分限制，并且与微电子CMOS工艺相兼容，制备过程较简单。

技术研发人员：张永,陈雨琦,徐子涵,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：
技术公布日：2024/4/29