绝缘体上III-V族半导体集成光子器件及其制备方法

本技术涉及半导体，具体而言，涉及一种绝缘体上iii-v族半导体集成光子器件及其制备方法。

背景技术：

1、片上光调制器是集成光通信芯片中的核心器件。基于非线性光学的全光调制器具有信道容量大、响应速度快、无需电光转换等优点，有望进一步降低光通信能耗，提高光通信带宽。iii-v族半导体材料的折射率较大，能够对光模场提供较强的束缚能力。基于iii-v族半导体材料的片上全光调控器件，拥有更小的功率阈值，更高的调制速率，更紧凑的器件面积，在光通信领域中有巨大的应用前景。

2、传统的半导体外延结构在纵向光模场上缺乏有效的束缚，因而iii-v族集成光子器件往往采用悬空的薄膜结构，但这种结构限制了与其它光电子器件的集成，无法发挥出材料的全部优势。绝缘体上iii-v族半导体架构的诞生，则彻底释放了iii-v族半导体非线性集成光子器件的性能潜力。绝缘体上iii-v族半导体架构拥有更小的器件尺寸，更强的光模式束缚能力，更高的机械强度，和更强的非线性响应，将推动全光调控光子芯片的发展跃上新的台阶。

3、目前，在绝缘体光学介质材料上集成高质量的iii-v族半导体集成光子器件的工艺主要包括：外延生长、晶片键合、选择性腐蚀、曝光刻蚀、沉积光学介质层等步骤。其中晶片键合方式按照是否需要中间层材料分为直接键合和中间层键合两大类。基于中间层键合的方法具有材料晶格失配和热失配影响小、晶片平整度和洁净度要求低、固化方式灵活等优点，有着更高的成品率和更低的成本。因此，基于中间层键合/选择性腐蚀/曝光刻蚀器件的工艺组合，是制备绝缘体上iii-v族半导体集成光子器件和微纳图案的常用流程。

4、然而，目前基于中间键合/选择性腐蚀/曝光刻蚀器件流程制备的绝缘体上iii-v族半导体薄膜，存在着厚度一致性低、平整度低的问题，限制了键合晶片的可用面积和完整性，制约了光子器件的制备数量和集成度。

技术实现思路

1、基于上述的不足，本技术提供了一种绝缘体上iii-v族半导体集成光子器件及其制备方法，以部分或全部地改善相关技术中集成光子器件的集成度低的问题。

2、本技术是这样实现的：

3、在第一方面，本技术的示例提供了一种绝缘体上iii-v族半导体集成光子器件的制备方法，包括：

4、步骤一：在第一晶片上生长基于iii-v族半导体材料的外延层；对外延层进行图案化处理形成微纳图案，以得到图案化的光波导器件层；

5、步骤二：在光波导器件层上沉积第一光学介质层作为光波导器件层的包层；

6、步骤三：将第一晶片上的第一光学介质层与第二晶片进行键合。

7、在上述实现过程中，先在第一晶片上形成iii-v族半导体材料的外延层，并对iii-v族半导体材料的外延层进行图案化处理形成微纳图案得到光波导器件层，在光波导器件层上沉积第一光学介质层作为波导器件的包层，然后再将第一晶片上的第一光学介质层与第二晶片进行键合形成异质集成晶片，可以避免后续的键合操作对外延层的图案化处理产生影响，进而能够提高异质集成晶片上光波导器件的成品率，提高异质集成晶片上光波导器件的集成度。

8、并且，在光波导器件层上制备折射率相对较小的第一光学介质层，可以为光波导器件层的波导导模提供沿其厚度方向的束缚(即提供波导导模的纵向束缚)。

9、结合第一方面，在一种可能的实施方式中，在第一光学介质层上形成键合胶层，第一光学介质层和第二晶片之间通过键合胶层键合；

10、可选地，形成键合胶层的材料包括uv光学胶粘剂或热固光学胶粘剂。

11、在上述实现过程中，通过键合胶层进行间接键合的方式，具有晶格失配和热失配影响小、晶片平整度和洁净度要求低、固化方式灵活等特点，能够提高键合质量和降低键合成本。

12、结合第一方面，在一种可能的实施方式中，外延层至少包括牺牲层和设置于牺牲层上的器件层；在步骤一中，对器件层进行图案化处理。

13、可选地，微纳图案的深度不超过器件层的厚度。

14、可选地，器件层可以为单层膜或多层膜，器件层含有量子点、量子阱、量子线和量子划线中的一种或多种。

15、在上述实现过程中，形成于第一晶片上的外延层中包括牺牲层和器件层，第一晶片的衬底和牺牲层后续通过选择性湿法腐蚀的方式与器件层分离。在器件层上进行图案化处理时，微纳图案的深度不超过器件层，使器件层靠近牺牲层的一侧未进行图案化处理(即，在图案化处理时，器件层的一侧未被刻穿)，为图案化后的光波导器件层提供一定的机械强度，提高后续键合操作的稳定性。

16、结合第一方面，在一种实施方式中，制备方法还包括步骤四：将步骤三进行键合后形成的异质集成晶片中的第一晶片去除。

17、结合第一方面，在一种实施方式中，步骤四中，将第一晶片去除之后，去除牺牲层。

18、结合第一方面，在一种可选的实施方式中，在暴露的光波导器件层上形成第二光学介质层。

19、在上述实现过程中，将键合后的第一晶片去除，以便于后续对光波导器件层进行相应的处理，使牺牲层暴露，然后去除牺牲层暴露光波导器件层，可以在光波导器件层的另一侧形成第二光学介质层，进一步为光波导器件层的波导导模提供沿其厚度方向的束缚(即提供波导导模的纵向束缚)。

20、结合第一方面，在一种可能的实施方式中，牺牲层和器件层的材料不同，分别独立地选自磷化镓、砷化镓、氮化镓、磷化铟、氮化铝、铝镓砷、铝镓磷和铝镓铟磷中的一种或多种。

21、可选地，牺牲层的材料为铝镓铟磷。

22、可选地，器件层的材料为磷化镓。

23、结合第一方面，在一种可能的实施方式中，形成第一光学介质层的材料和形成第二光学介质层的材料，均独立地选自二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化铝和五氧化二坦中的一种或多种。

24、在上述实现过程中，可以利用二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化铝和五氧化二坦等折射率小于iii-v族半导体膜层的材料，形成光波导器件层的包层，对光波导器件层的波导导模形成纵向束缚。

25、结合第一方面，在一种可能的实施方式中，第二晶片选自硅晶片、锗晶片、iii-v族半导体晶片、绝缘体上硅晶片、二氧化硅晶片、氧化铝晶片或氟化物晶片中的一种。

26、在上述实现过程中，利用硅晶片、锗晶片、iii-v族半导体晶片、绝缘体上硅晶片、二氧化硅晶片、氧化铝晶片或氟化物晶片，与光波导器件层键合以形成绝缘体上iii-v族半导体集成光子器件。

27、在第二方面，本技术的示例提供了一种绝缘体上iii-v族半导体集成光子器件，包括第二晶片、设置于第二晶片上的键合胶层、设置于键合胶层上的第一光学介质层、设置于第一光学介质层上的基于iii-v族半导体材料的光波导器件层，和设置于光波导器件层上的第二光学介质层；

28、其中，第二晶片选自硅晶片、锗晶片、iii-v族半导体晶片、绝缘体上硅晶片、二氧化硅晶片、氧化铝晶片或氟化物晶片中的一种；

29、可选地，第一光学介质层和所述第二光学介质层均独立地选自二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化铝和五氧化二坦中的一种或多种；可选地，形成键合胶层的材料包括uv光学胶粘剂或热固光学胶粘剂。

30、在上述实现过程中，通过键合胶层，以间接键合的方式，将形成于光波导器件层上的第一光学介质层键合到第二晶片，以实现将图案化后的光波导器件层向第二晶片上的转移，形成绝缘体上iii-v族半导体集成光子器件。