本技術(shù)涉及一種用于制造光波導的方法。本技術(shù)還涉及優(yōu)選地由這種方法制造的光波導。

背景技術(shù)：

1、集成光子學已經(jīng)變得無處不在，其發(fā)展通過在廣泛應(yīng)用中提供更優(yōu)的性能，超越了成熟的微電子技術(shù)。特別地，隨著超低損耗波導的實現(xiàn)，可以探索光子集成電路的大量應(yīng)用，尤其是在量子計算、微波光子、生物傳感和非線性源領(lǐng)域的應(yīng)用。在用于集成光子學的材料中，氧化鋁(al2o3)由于具有大透明窗口、低傳播損耗和高稀土溶解度而作為有希望的平臺材料出現(xiàn)。

2、所研究的另一種材料是氮化鋁(aln)，部分是由于其透明窗口覆蓋了更多的uv光譜(例如，低至150納米，相比于氧化鋁的200納米)。

3、在通過原子層沉積(ald)沉積的無定形al2o3平面板條波導中已經(jīng)證明了在c波段具有0.04±0.02db/cm的低損耗。對于近uv應(yīng)用，已經(jīng)在高限制單橫模ald生長和全蝕刻al2o3波導中證明了低于3db/cm的損耗。這些結(jié)果演示了可用于基于al2o3的集成光子平臺的寬波長范圍。

4、當與使用反應(yīng)性濺射的al2o3生長的層相比時，ald生長的al2o3層的主要缺點是沉積速率的數(shù)量級差異。迄今為止報道的濺射al2o3的板損耗低至0.1db/cm，全蝕刻波導在c波段的損耗低于0.2db/cm。因此，需要降低濺射al2o3的損耗，以便與ald生長的al2o3以及更成熟的基于氮化硅的平臺競爭，后者已被證明在高限制波導中具有低至1db/m的1550納米損耗。

5、從本領(lǐng)域已知，可通過提供襯底、在襯底上沉積氧化鋁波導芯、以及在所沉積的氧化鋁波導芯上布置包覆層來制造波導。這里，需注意，布置包覆層包括至少一個處理步驟，在該處理步驟期間，所沉積的氧化鋁波導芯經(jīng)受給定的最高溫度。

6、從現(xiàn)本領(lǐng)域已知，具有由無定形氧化鋁制成的氧化鋁波導芯的光波導傾向于顯示出高光學性能和/或低損耗。同時，已知當所沉積的無定形氧化鋁波導芯經(jīng)受高溫(諸如在退火期間發(fā)生的高溫)時，光學性能會顯著劣化。

7、本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到，光波導中的光損耗不僅由波導芯中的損耗決定，而且由包覆層中的損耗決定。

8、包覆層中的光損耗可在不同材料之間有所不同。例如，已知原硅酸四乙酯(teos)顯示出相對低的光損耗。然而，為了制造這種teos包覆層，通常需要高溫退火步驟。因此，當將teos包覆層與無定形氧化鋁波導芯組合時出現(xiàn)的問題是，由于在無定形氧化鋁波導芯上使用teos包覆層時所涉及的高溫，無定形氧化鋁波導芯的光學性能的損失抵消了teos包覆層的光學質(zhì)量的益處。

9、還可能存在其他類型的包覆層，它們將被布置在所沉積的氧化鋁波導芯上，需要處理步驟，氧化鋁波導芯在該處理步驟期間經(jīng)受高溫，導致氧化鋁波導芯的光學性能的前述損失。在下文中，在沉積期間或沉積之后需要在800攝氏度或更高溫度下執(zhí)行高溫步驟的包覆層被稱為高溫包覆層。

10、因此，當將已知的氧化鋁波導芯與高溫包覆層組合時，存在問題。該問題阻止了氧化鋁波導芯的光損耗的進一步降低。因此，高溫包覆層不能與已知的無定形氧化鋁波導芯組合，即使因為這兩種部件本身表現(xiàn)出高光學性能和/或低損耗，所以似乎組合使用它們是有利的。

11、例如，該問題在west,gavin?n.等人的論文“l(fā)ow-loss?integrated?photonicsfor?the?blue?and?ultraviolet?regime(用于藍光和紫外區(qū)域的低損耗集成光子器件)”apl?photonics，2019年，4.2：026101中介紹。該論文討論了使用原子層沉積法沉積的無定形氧化鋁膜。氧化鋁膜在300攝氏度的生長溫度下，在裸硅襯底上或在硅上的厚(3.2μm)二氧化硅(也稱為熱氧化物)上生長。對于633納米和405納米波長，使用棱鏡耦合法(metricon)測量了該膜中的光損耗。在退火之前，測得光損耗小于0.3分貝每厘米(db/cm)或30分貝每米(db/m)。

12、作者指出高溫退火導致形成致密的多晶γ相al2o3。高溫高于800攝氏度。所公開的氧化鋁膜在900攝氏度和1100攝氏度下退火之后為多晶，并且據(jù)稱表現(xiàn)出大于20db/cm或2000db/m的光損耗。

13、雖然這里針對氧化鋁波導芯舉例說明了該問題，但是申請人發(fā)現(xiàn)，在制造氮化鋁(aln)波導芯時，也存在相同或至少非常相似的行為表現(xiàn)和問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種用于制造包括氮化鋁波導芯和高溫包覆層的光波導的方法，該方法至少部分地解決了上述問題中的至少一個問題。

2、根據(jù)本發(fā)明，該目的通過如權(quán)利要求1所限定的方法實現(xiàn)，該方法的特征在于，沉積氮化鋁波導芯包括在氮化鋁波導芯中形成納米微晶，其中在布置包覆層期間氮化鋁波導芯將需要具有的用于顯著增加所形成的納米微晶的尺寸的溫度超過給定的最高溫度，其中給定的最高溫度為約800攝氏度或更高。

3、在一些實施方案中，當尺寸增加約100％或更多時，認為尺寸增加是顯著的。同時，尺寸的任何增加都是有害的，因此在優(yōu)選的實施方案中，當增加在約100％和約50％之間時，增加是顯著的。

4、申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過在沉積期間有意地允許形成納米微晶，可以制造具有與由無定形材料制成的波導芯類似的光學性能的氮化鋁波導芯，同時能夠在隨后的處理步驟期間維持所述光學性能直到更高的溫度。

5、申請人發(fā)現(xiàn)，瑞利散射在沉積的氮化鋁層中起重要作用。首先，由于氮化鋁層內(nèi)部的介電常數(shù)的差異，可能發(fā)生瑞利散射。其次，當形成尺寸至少與層中光的波長相當?shù)奈⒕r，可能發(fā)生瑞利散射。當微晶具有甚至更大的尺寸時，其他光學散射源變得相關(guān)。

6、當在相對低的溫度下沉積時，不發(fā)生顯著的結(jié)晶，而是將獲得無定形層，并且這種層的光損耗將相對低。然而，當這種無定形氮化鋁層隨后經(jīng)受高溫(例如800攝氏度及以上)時，將發(fā)生結(jié)晶。在無定形材料中，微晶將開始生長。由于這些微晶在無定形材料中生長，它們可以自由生長，例如包圍微晶的無定形材料可利用相對小的能量并且在每個方向上被吸收到該微晶中。所得的微晶將相對較大并且具有與剩余的無定形材料不同的介電性質(zhì)。因此將發(fā)生包括瑞利散射的光學散射，并且光學性能將劣化。

7、當在適當高的溫度下沉積時，發(fā)生結(jié)晶并且將在另外的無定形層中形成微晶。在這種情況下，該層的無定形部分和納米結(jié)晶部分之間的介電常數(shù)也將存在局部差異。與這些差異相關(guān)聯(lián)的瑞利散射將導致光學性能降低。此外，當該層經(jīng)受高溫時，例如在退火步驟期間，存在的納米微晶將通過吸收圍繞它們的無定形材料而生長，因此導致相對大的微晶和光學散射損耗增加。

8、當在相對高的溫度下沉積時，結(jié)晶將發(fā)生到幾乎整個沉積層都被納米微晶填充的程度。在這種情況下，介電常數(shù)的局部差異將在很大程度上不存在，因為剩余的無定形氮化鋁的量很小。這種層中的光學散射相對較低。

9、在不受理論約束的情況下，申請人注意到，將上述具有大量相對小的微晶的氮化鋁層轉(zhuǎn)變成具有少量相對大的微晶的層所需要的能量太高，以至于在布置包覆層所需的處理步驟期間不能達到該能量。可通過使這種波導芯經(jīng)受給定的最高溫度來確認實現(xiàn)了這種波導芯。光學性能不會發(fā)生顯著的變化，因為在層內(nèi)將發(fā)生非常少的晶體生長。

10、通過有意地允許形成納米微晶，不存在或存在極少的無定形材料。這意味著介電性質(zhì)的局部差異較小，因此光學散射較小。而且，納米微晶吸收和生長的無定形材料較少。因此，在根據(jù)本發(fā)明沉積的氮化鋁波導芯中，現(xiàn)有的納米微晶不能容易且自由地生長，從而顯著限制了它們的生長并避免了前述的光學散射。

11、在不受理論約束的情況下，申請人認為主要被其他納米微晶包圍的納米微晶的尺寸生長所需的能量大于主要被無定形材料包圍的納米微晶的尺寸生長所需的能量。這是為什么當進行氮化鋁波導芯的沉積使得形成納米微晶時，可以防止或至少限制在隨后的加工步驟期間形成較大的微晶的另一原因。這允許在氮化鋁波導芯上布置高溫包覆層，而不會顯著降低氮化鋁波導芯的光學性能。因此，可以制造具有氮化鋁波導芯的波導，這些波導顯示出改善的光學性能和/或降低的損耗。

12、在沉積過程中形成的納米微晶的尺寸強烈地影響光學散射的量。申請人發(fā)現(xiàn)，通過形成納米微晶使得給定的最高溫度位于800攝氏度和1400攝氏度之間的范圍內(nèi)，可以獲得光波導的有利光學性能。低于800攝氏度的最高溫度將指示在沉積波導芯之后可獲得相對大量的無定形氮化鋁，在布置包覆層時該材料將轉(zhuǎn)變成大晶粒。另一方面，高于1400攝氏度的最高溫度將存在使氮化鋁波導芯或包括所述氮化鋁波導芯的波導中所包括的其他部件劣化的風險。

13、需注意，給定的最高溫度更優(yōu)選地位于1000攝氏度和1300攝氏度之間的范圍內(nèi)，并且更優(yōu)選地為約1150攝氏度。

14、布置包覆層可包括在氮化鋁波導芯上沉積包覆層，并且所述至少一個處理步驟可包括在給定的最高溫度下將襯底、所沉積的氮化鋁波導芯和所沉積的包覆層的組合退火。

15、在沉積之后和在退火之前，氮化鋁波導芯中的納米微晶的尺寸可在1納米和30納米之間，并且優(yōu)選地在1納米和約10納米之間。此外，在沉積之后和退火之前，氮化鋁波導芯中的納米微晶可占氮化鋁波導芯的至少40重量％，優(yōu)選地至少70重量％，更優(yōu)選地至少90重量％。附加地或另選地，氮化鋁波導芯中的納米微晶在退火之后的尺寸可在1納米和30納米之間，并且優(yōu)選地在1納米和10納米之間。此外，氮化鋁波導芯中的納米微晶在退火之后可占氮化鋁波導芯的至少50重量％，優(yōu)選地至少75重量％，更優(yōu)選地至少99重量％。

16、該至少一個處理步驟可包括在給定的最高溫度下在氮化鋁波導芯上沉積包覆層。在該實施方案中，在包覆層本身的沉積過程中應(yīng)用高溫加熱步驟。在沉積包覆層之后，氮化鋁波導芯中的納米微晶的尺寸可在1納米和30納米之間，并且優(yōu)選地在1納米和10納米之間。此外，氮化鋁波導芯中的納米微晶在退火之后可占氮化鋁波導芯的至少50重量％，優(yōu)選地至少75重量％，更優(yōu)選地至少99重量％。

17、可使用反應(yīng)濺射沉積、原子層沉積、蒸發(fā)或脈沖激光沉積中的任一種來沉積氮化鋁波導芯。不排除布置氮化鋁波導芯的其他方法。

18、包覆層可包括高溫包覆層。這種包覆層的特征在于，這些層在相對高的溫度下被布置，以及/或者在當與氮化鋁波導芯被沉積的溫度相比時在相對高的溫度下沉積之后需要加熱步驟。這種包覆層的示例是teos層、氮氧化硅層、氧化鋁層或聚合物層。當與低溫包覆層相比時，這種層具有相對低的光損耗?？墒褂玫入x子體增強氣相沉積、低壓化學氣相沉積、蒸發(fā)、濺射或原子層沉積中的任一種來布置高溫包覆層。

19、襯底可包括硅襯底、氮化硅襯底、硅熱氧化物襯底、石英襯底或藍寶石襯底。

20、氮化鋁波導芯可具有化學計量比。附加地或另選地，氧化鋁波導芯可包括alxny，其中0.8<x<1.1并且0.9<y<1.2，諸如x＝0.9并且y＝1.1，優(yōu)選地x＝1并且y＝1。

21、光波導可以是平板波導或通道波導。本技術(shù)不排除其他類型的波導。

22、在另外的實施方案中，在襯底上沉積氮化鋁波導芯還可包括以下步驟中的一者或多者：例如使用化學機械拋光來減小氮化鋁波導芯的表面粗糙度，以及使用光刻和蝕刻中的至少一者來限定氮化鋁波導芯的形狀和/或尺寸。

23、該方法還可包括以下步驟：以氮化鋁的沉積速率，在變化的襯底溫度和/或變化的襯底偏壓下在相應(yīng)襯底上沉積氮化鋁。對于每個沉積的氮化鋁層，測量其光學性能。該方法還可包括選擇制造了具有最佳光學性能的氮化鋁層所用的所述沉積速率、襯底溫度和襯底偏壓作為最佳設(shè)置。當沉積用于制造如上所述的光波導的氮化鋁波導芯時，可使用這些最佳設(shè)置。

24、根據(jù)第二方面，本發(fā)明提供了一種氮化鋁光波導，該氮化鋁光波導包括襯底、布置在所述該襯底上的氮化鋁波導芯，和布置在該氮化鋁波導芯上的包覆層。根據(jù)本發(fā)明，該氮化鋁波導芯包括尺寸在1納米和30納米之間、優(yōu)選地尺寸在1納米和10納米之間的納米微晶。這些納米微晶占氮化鋁波導芯的至少50重量％，優(yōu)選地至少75重量％，更優(yōu)選至少99重量％，并且包覆層包括高溫包覆層。高溫包覆層可包括teos層和氮氧化硅層中的至少一種。附加地或另選地，該光波導是平板波導或通道波導。