鈮酸鋰是一種電光系數(shù)和二階非線性系數(shù)很高的鐵電晶體，是現(xiàn)代電光器件的核心材料。絕緣體上鈮酸鋰薄膜（TFLNOI）使很多基于體材料鈮酸鋰的器件能被集成到芯片上，從而極大地縮小了器件的尺寸，并提升了器件的性能。其中微環(huán)腔是片上鈮酸鋰電光、非線性器件的核心結構，品質(zhì)因子更高的微環(huán)腔容許信號光在其中繞行更多圈，從而實現(xiàn)更強的光場和更有效的電光或非線性光學變換（圖1）。結合鈮酸鋰的優(yōu)良光電特性和TFLNOI微環(huán)/波導的高品質(zhì)因子，可以實現(xiàn)高性能的電光調(diào)制器、光量子信息器件 、非線性波長轉(zhuǎn)換器、光頻梳等器件。
圖1. 環(huán)形諧振腔示意圖（圖片來源：北京大學肖云峰研究員課題組）目前，在TFLNOI平臺上實現(xiàn)大規(guī)模、高質(zhì)量器件加工的主流方法是電感耦合等離子-反應離子刻蝕（ICP-RIE）。盡管ICP-RIE能實現(xiàn)本征品質(zhì)因子高于一千萬的微環(huán)，但其存在吞吐量有限、工藝參數(shù)不穩(wěn)定等不足。此外，目前鋰元素被認為是CMOS工藝中的污染元素，用于進行TFLNOI微納加工的ICP-RIE設備需要“專材專用”，無法實現(xiàn)與現(xiàn)行CMOS工藝的設備兼容，提高了加工成本。針對以上挑戰(zhàn)，清華大學精密儀器系李楊副教授團隊對TFLNOI的濕法刻蝕工藝進行了研究（圖2）?；谟砂彼碗p氧水所組成的溶液，該團隊分別在x切和z切TFLNOI上加工了波導和微環(huán)，并面向該溶液對x切和z切TFLNOI刻蝕的各向異性展開了系統(tǒng)的研究（圖3）。該濕法刻蝕工藝不僅可以實現(xiàn)與ICP-RIE相媲美的加工質(zhì)量，還具備工藝、器件性能上的獨特優(yōu)勢。相關成果以“基于濕法刻蝕加工的高Q值薄膜鈮酸鋰微環(huán)”（High-Q thin film lithium niobate microrings fabricated with wet etching）為題發(fā)表在了《先進材料》（Advanced Materials）上，并被選為“編輯推薦”（Editor’s Choice）。
圖2.TFLNOI濕法刻蝕工藝流程。PECVD：等離子體增強化學氣相沉積；BOE：緩沖氧化物刻蝕液
圖3. 濕法刻蝕后TFLNOI脊波導截面（未去除掩模）電鏡圖。（a）和（b）為x切TFLNOI上沿y和z軸方向的脊波導截面電鏡圖。（c）和（d）為z切TFLNOI上沿y和x軸方向的脊波導截面電鏡圖。該成果具有一系列優(yōu)勢。首先，由于該濕法刻蝕所需的刻蝕劑——雙氧水和氨水——非常容易得到，工藝所需條件非常容易保證，因此，該濕法刻蝕具有工藝簡單、成本低且極易復現(xiàn)的優(yōu)勢。另外，由于濕法刻蝕可以同時處理多個晶圓，且對晶圓的大小幾乎沒有限制，本方法極大地提高了工藝的吞吐量。這些優(yōu)勢對TFLNOI器件的產(chǎn)業(yè)化具有重要意義。其次，濕法刻蝕可實現(xiàn)高品質(zhì)因子微環(huán)，并可實現(xiàn)任意的波導-微環(huán)的耦合狀態(tài)。研究團隊在z切TFLNOI上實現(xiàn)了本征品質(zhì)因子高達9.27×106的微環(huán)（圖4），該品質(zhì)因子已達到國際一流水平。盡管濕法刻蝕具有橫向刻蝕效應，但通過對耦合波導、微環(huán)、波導-微環(huán)的間距、刻蝕深度進行設計，可實現(xiàn)包括欠耦合、臨界耦合和過耦合在內(nèi)的任意波導-微環(huán)的耦合狀態(tài)。
圖4.z切TFLNOI上微環(huán)的TE0模式的（a）歸一化透射譜和（b）1535-1545 nm之間的品質(zhì)因子分布。QL：有載品質(zhì)因子；Qint本征品質(zhì)因子另外，濕法刻蝕具有高刻蝕選擇比，并可加工窄狹縫。由于該濕法刻蝕溶液幾乎不會刻蝕二氧化硅，因此，利用二氧化硅掩模，該濕法刻蝕具有極高的刻蝕選擇比。目前，商用TFLNOI的鈮酸鋰薄膜的厚度一般小于1微米。針對該厚度范圍內(nèi)的鈮酸鋰薄膜，該濕法刻蝕僅用100nm的二氧化硅作為掩模，即可實現(xiàn)任意厚度的刻蝕。由于所需的掩模層很薄，本方法對窄狹縫的加工也具有優(yōu)勢。本論文的完成單位為清華大學精密儀器系、精密測試技術與儀器國家重點實驗室，第一作者為精儀系2022級博士生莊榮津，通訊作者為李楊副教授。精儀系2020級博士生何金澤、2019級博士生祁一凡為本論文工作作出了重要貢獻。本研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金和珠海市產(chǎn)學研項目的資助。該論文的成果已申請PCT國際發(fā)明專利。參考資料：https://www.tsinghua.edu.cn/info/1175/99683.htm
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