本發(fā)明屬于光電子集成，涉及一種抗輻照的光子芯片復合膜層結構。

背景技術：

1、硅基光電子技術是基于cmos兼容工藝，將大帶寬、低損耗、高并行度的光子器件與高密度、大規(guī)模的電子器件集成到一起的新興技術，是被認為后摩爾時代可以突破集成電路技術信息瓶頸的方案之一。硅基光子芯片已經(jīng)在數(shù)據(jù)中心、自動駕駛、生物傳感等領域得到應用，同時其高集成度、小尺寸的優(yōu)勢也讓硅基光子芯片有望在衛(wèi)星互連、星間通信、空間站等宇宙場景中發(fā)揮重要作用。然而目前常規(guī)工藝的硅基光電子器件受宇宙輻射影響較大，其無源器件長期處于輻照環(huán)境下折射率發(fā)生變化，導致光傳輸函數(shù)變化，從而性能劣化，其有源器件受到輻照影響則會產(chǎn)生電子空穴對、載流子濃度變化等效應，從而增加探測器暗電流，降低調(diào)制器帶寬等影響。

2、因此，本發(fā)明設計了一種抗輻照的光子芯片復合膜層結構，通過在常規(guī)的硅基光電子工藝和膜層的基礎上增加了由二氧化硅鈍化層、鋁薄膜保護層、氮化硅保護層組成的復合膜層結構，在與原本工藝兼容的基礎上，可以有效防護x射線、γ射線、中子、質(zhì)子和α粒子等，減弱甚至避免硅基光電子器件出現(xiàn)電離劑量效應和電位移效應，提升硅基光電子芯片在宇宙輻照環(huán)境中的可靠性和耐用性。

技術實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種抗輻照的光子芯片復合膜層結構，解決目前常規(guī)工藝的硅基光電子器件受宇宙輻射導致無源器件波長漂移、探測器暗電流增加，調(diào)制器帶寬降低等問題，通過由二氧化硅鈍化層、鋁薄膜保護層、氮化硅保護層組成的復合膜層結構針對性防護宇宙空間中的x射線、γ射線、中子、質(zhì)子和α粒子等輻射因子，減弱甚至避免硅基光電子器件出現(xiàn)電離劑量效應和電位移效應，提升硅基光電子芯片在宇宙輻照環(huán)境中的可靠性和耐用性。

2、為達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：

3、一種抗輻照的光子芯片復合膜層結構，包括：

4、硅襯底；

5、位于硅襯底上的二氧化硅包層；

6、位于二氧化硅包層上的鋁薄膜保護層；

7、位于鋁薄膜保護層上的二氧化硅層；

8、位于二氧化硅層上的硅條波導、光柵、硅脊型波導、調(diào)制器和鍺硅探測器；

9、位于硅條波導、光柵、硅脊型波導、調(diào)制器和鍺硅探測器上的二氧化硅包層；

10、位于二氧化硅包層上的鋁薄膜保護層；

11、位于鋁薄膜保護層上的二氧化硅層；

12、位于二氧化硅層上的氮化硅層。

13、進一步，所述硅襯底為絕緣體上氮化硅的襯底層。

14、進一步，所述二氧化硅包層為低折射率材料，用于限制氮化硅波導層中的光場。

15、進一步，所述氮化硅波導層截面尺寸為150納米×800納米，用于支持380納米～740納米可見光波長的單模傳輸。

16、進一步，所述超表面結構為在氮化硅波導層上刻蝕制備的周期性亞波長級別的孔洞，用于實現(xiàn)可見光波長范圍的強度、相位和偏振特性的調(diào)控。

17、進一步，所述bcb鍵合層用于實現(xiàn)氮化硅器件與氮化鎵器件的鍵合與固定，且對可見光范圍波長透明。

18、進一步，所述二氧化硅層和氮化硅層能夠抵抗電位移效應，鋁薄膜保護層能夠抵抗總電離劑量效應。

19、進一步，所述鋁薄膜保護層、二氧化硅層、氮化硅層復合膜層在光柵、調(diào)制器和探測器需要開窗和電極連接的器件位置針對性開窗，在實現(xiàn)芯片大面積保護的同時不影響光學耦合與電學性能。

20、本發(fā)明的有益效果在于：通過在常規(guī)的硅基光電子工藝和膜層的基礎上增加了由二氧化硅鈍化層、鋁薄膜保護層、氮化硅保護層組成的復合膜層結構，在與原本工藝兼容的基礎上，可以有效防護x射線、γ射線、中子、質(zhì)子和α粒子等，減弱甚至避免硅基光電子器件出現(xiàn)電離劑量效應和電位移效應，提升硅基光電子芯片在宇宙輻照環(huán)境中的可靠性和耐用性。

21、本發(fā)明的其他優(yōu)點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實踐中得到教導。本發(fā)明的目標和其他優(yōu)點可以通過下面的說明書來實現(xiàn)和獲得。

技術特征：

1.一種抗輻照的光子芯片復合膜層結構，其特征在于：包括：

2.根據(jù)權利要求1所述的抗輻照的光子芯片復合膜層結構，其特征在于：所述硅襯底為絕緣體上氮化硅的襯底層。

3.根據(jù)權利要求1所述的抗輻照的光子芯片復合膜層結構，其特征在于：所述二氧化硅包層為低折射率材料，用于限制氮化硅波導層中的光場。

4.根據(jù)權利要求1所述的抗輻照的光子芯片復合膜層結構，其特征在于：所述氮化硅波導層截面尺寸為150納米×800納米，用于支持380納米～740納米可見光波長的單模傳輸。

5.根據(jù)權利要求1所述的抗輻照的光子芯片復合膜層結構，其特征在于：所述超表面結構為在氮化硅波導層上刻蝕制備的周期性亞波長級別的孔洞，用于實現(xiàn)可見光波長范圍的強度、相位和偏振特性的調(diào)控。

6.根據(jù)權利要求1所述的抗輻照的光子芯片復合膜層結構，其特征在于：所述bcb鍵合層用于實現(xiàn)氮化硅器件與氮化鎵器件的鍵合與固定，且對可見光范圍波長透明。

7.根據(jù)權利要求1所述的抗輻照的光子芯片復合膜層結構，其特征在于：所述二氧化硅層和氮化硅層能夠抵抗電位移效應，鋁薄膜保護層能夠抵抗總電離劑量效應。

8.根據(jù)權利要求1所述的抗輻照的光子芯片復合膜層結構，其特征在于：所述鋁薄膜保護層、二氧化硅層、氮化硅層復合膜層在光柵、調(diào)制器和探測器需要開窗和電極連接的器件位置針對性開窗，在實現(xiàn)芯片大面積保護的同時不影響光學耦合與電學性能。

技術總結
本發(fā)明涉及一種抗輻照的光子芯片復合膜層結構，屬于光電子集成技術領域。該結構從下自上包括硅襯底、二氧化硅包層一、鋁薄膜一、二氧化硅層二、硅條波導\光柵\硅脊型波導\調(diào)制器\鍺硅探測器、二氧化硅包層三、鋁薄膜二、二氧化硅層四、氮化硅層。本發(fā)明圍繞典型的硅基光電子芯片設計了鋁薄膜、二氧化硅和氮化硅多層構成的復合膜層，可以有效隔絕宇宙環(huán)境中的帶電粒子、不帶電子粒子和光子，主要是α粒子、重離子、中子、X射線和γ射線等因子的作用，有效保護硅基光電子芯片內(nèi)的無源和有源器件，包括波導、光柵、調(diào)制器、探測器等器件，解決硅基光電子芯片在宇宙環(huán)境下受到輻照影響性能退化的問題。

技術研發(fā)人員：王琦,劉大鵬,黃義,張紅升
受保護的技術使用者：重慶郵電大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/28