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）。

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

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。

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。Q_L：有载品质因子；Q_int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