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精仪系李杨课题组基于湿法刻蚀实现Q值近千万的铌酸锂微环腔的高效制备

清华新闻网11月9日电 铌酸锂是一种电光系数和二阶非线性系数很高的铁电晶体,是现代电光器件的核心材料。绝缘体上铌酸锂薄膜(TFLNOI)使很多基于体材料铌酸锂的器件能被集成到芯片上,从而极大地缩小了器件的尺寸,并提升了器件的性能。其中微环腔是片上铌酸锂电光、非线性器件的核心结构,品质因子更高的微环腔容许信号光在其中绕行更多圈,从而实现更强的光场和更有效的电光或非线性光学变换(图1)。结合铌酸锂的优良光电特性和TFLNOI微环/波导的高品质因子,可以实现高性能的电光调制器、光量子信息器件 、非线性波长转换器、光频梳等器件。

图1. 环形谐振腔示意图(图片来源:北京大学肖云峰研究员课题组)

目前,在TFLNOI平台上实现大规模、高质量器件加工的主流方法是电感耦合等离子-反应离子刻蚀(ICP-RIE)。尽管ICP-RIE能实现本征品质因子高于一千万的微环,但其存在吞吐量有限、工艺参数不稳定等不足。此外,目前锂元素被认为是CMOS工艺中的污染元素,用于进行TFLNOI微纳加工的ICP-RIE设备需要“专材专用”,无法实现与现行CMOS工艺的设备兼容,提高了加工成本。

针对以上挑战,清华大学精密仪器系李杨副教授团队对TFLNOI的湿法刻蚀工艺进行了研究(图2)。基于由氨水和双氧水所组成的溶液,该团队分别在x切和z切TFLNOI上加工了波导和微环,并面向该溶液对x切和z切TFLNOI刻蚀的各向异性展开了系统的研究(图3)。该湿法刻蚀工艺不仅可以实现与ICP-RIE相媲美的加工质量,还具备工艺、器件性能上的独特优势。相关成果以“基于湿法刻蚀加工的高Q值薄膜铌酸锂微环”(High-Q thin film lithium niobate microrings fabricated with wet etching)为题发表在了《先进材料(Advanced Materials)上,并被选为“编辑推荐(Editor’s Choice)。

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图2.TFLNOI湿法刻蚀工艺流程。PECVD:等离子体增强化学气相沉积;BOE:缓冲氧化物刻蚀液

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图3. 湿法刻蚀后TFLNOI脊波导截面(未去除掩模)电镜图。(a)和(b)为x切TFLNOI上沿y和z轴方向的脊波导截面电镜图。(c)和(d)为z切TFLNOI上沿y和x轴方向的脊波导截面电镜图。

该成果具有一系列优势。首先,由于该湿法刻蚀所需的刻蚀剂——双氧水和氨水——非常容易得到,工艺所需条件非常容易保证,因此,该湿法刻蚀具有工艺简单、成本低且极易复现的优势。另外,由于湿法刻蚀可以同时处理多个晶圆,且对晶圆的大小几乎没有限制,本方法极大地提高了工艺的吞吐量。这些优势对TFLNOI器件的产业化具有重要意义。

其次,湿法刻蚀可实现高品质因子微环,并可实现任意的波导-微环的耦合状态。研究团队在z切TFLNOI上实现了本征品质因子高达9.27×106的微环(图4),该品质因子已达到国际一流水平。尽管湿法刻蚀具有横向刻蚀效应,但通过对耦合波导、微环、波导-微环的间距、刻蚀深度进行设计,可实现包括欠耦合、临界耦合和过耦合在内的任意波导-微环的耦合状态。

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图4.z切TFLNOI上微环的TE0模式的(a)归一化透射谱和(b)1535-1545 nm之间的品质因子分布。QL:有载品质因子;Qint本征品质因子

另外,湿法刻蚀具有高刻蚀选择比,并可加工窄狭缝。由于该湿法刻蚀溶液几乎不会刻蚀二氧化硅,因此,利用二氧化硅掩模,该湿法刻蚀具有极高的刻蚀选择比。目前,商用TFLNOI的铌酸锂薄膜的厚度一般小于1微米。针对该厚度范围内的铌酸锂薄膜,该湿法刻蚀仅用100nm的二氧化硅作为掩模,即可实现任意厚度的刻蚀。由于所需的掩模层很薄,本方法对窄狭缝的加工也具有优势。

本论文的完成单位为清华大学精密仪器系、精密测试技术与仪器国家重点实验室,第一作者为精仪系2022级博士生庄荣津,通讯作者为李杨副教授。精仪系2020级博士生何金泽、2019级博士生祁一凡为本论文工作作出了重要贡献。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金和珠海市产学研项目的资助。该论文的成果已申请PCT国际发明专利。

论文链接:

https://doi.org/10.1002/adma.202208113

供稿:精仪系

题图设计:任左莉

编辑:李华山

审核:吕婷

2022年11月09日 09:46:05

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