CN102590935B - 锗悬臂梁式二维光子晶体微腔及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种锗悬臂梁式二维光子晶体微腔，包括：具有埋氧层、且表层为悬臂梁式锗材料层的半导体基底，其中，在锗材料层包含光子晶体微腔，所述光子晶体微腔由周期性排列的孔体所构成、但部分区域缺失孔体。此外，本发明还提供了该锗悬臂梁式二维光子晶体微腔的制备方法，即先在具有埋氧层、且表层为锗材料层的半导体基底的锗材料层中掺杂以形成n型重掺杂层，然后对锗材料层进行微机械加工形成光子晶体微腔，随后在部分区域进行光刻和刻蚀暴露出部分埋氧层，然后再进行湿法腐蚀，用以去除光子晶体微腔下的埋氧层，同时实现锗悬臂梁的释放。本发明的优点在于：能够通过外力调节悬臂梁上的应变从而实现锗向直接带隙的转变，并利用光子晶体微腔提高发光效率。

Description

锗悬臂梁式二维光子晶体微腔及制备方法

技术领域

本发明涉及半导体光电子领域，特别涉及一种锗悬臂梁式二维光子晶体微腔及制备方法。

背景技术

目前，基于硅光子技术的光互连技术被认为是解决极大规模集成电路持续发展所面临的互连瓶颈的理想方案。经过Intel、IBM等半导体巨头的不懈努力，硅光子技术的诸多关键器件得以在集成电路平台上实现，包括高速硅光调制器、探测器和波导元件都得到了突破。然而由于硅是间接带隙材料不能直接发光，片上光源没有得到实现，这是硅光子技术一直以来面临的最大难题。

III-V族与硅混合集成是比较有效的实现光源和无源器件结合的方案，然而III-V族材料存在与硅加工平台不兼容，而且存在III-V族器件性能降低和高成本的问题。针对硅材料自身的发光，有多种技术方案被提出来，包括采用硅纳米团簇、多孔硅、掺铒等手段，以上办法都受限于发光效率低或性能不稳定等因素，距离实用的片上光源仍有很大的差距。

锗是一种能够与集成电路工艺兼容的材料，基于锗的高迁移率晶体管已经在深亚微米集成电路技术中得到了广泛的应用，而基于锗和锗硅材料的光电探测器和光调制器同样也得以在CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)标准工艺平台上得到了实现。锗同硅一样，也是间接带隙，然而锗能够通过引入张应变实现向直接带隙的转变，研究表明大于2％的张应变就能够使锗转变成完全直接带隙，然而此时的带隙对应的发光波长已经到了几个微米的量级，偏离了1.55微米的通信窗口。当引入适量的张应变使带隙发生转变，而且将波长控制在通信波段时，带隙不足以实现完全直接带隙，此时需要采用n型重掺杂提高直接带隙的电子能带填充率，从而提高锗材料的发光特性。

目前制备发光的锗材料所采用的一般方法是CVD(化学气相沉积)生长的办法。在体硅或者SOI(绝缘体上的硅)上热生长一层薄层的硅，然后再生长锗，利用两者的热膨胀系数差异，在冷却后自然产生张应变。这种方法能够在材料生长阶段就引入张应变，但是具有品格失配、应变大小不能任意调节等局限性。更重要的问题是，即便进行充分的应变调节和n型掺杂，锗本身的光学增益仍然远达不到实现激光的要求。

因此，极有必要对现有技术进行改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锗悬臂梁式二维光子晶体微腔及制备方法。

为了达到上述目的及其他目的，本发明提供的锗悬臂梁式二维光子晶体微腔，包括：具有埋氧层、且表层为悬臂梁式锗材料层的半导体基底，其中，所述锗材料层包含光子晶体微腔，所述光子晶体微腔由周期性排列的孔体所构成、但部分区域缺失孔体。

作为一种优选，部分区域缺失单个或连续缺失多个孔体，例如，续缺失3个孔体等。

作为一种优选，相对于未缺失孔体的区域中孔体，缺失的孔体两侧区域中的孔体位置向外侧平移5％～10％的周期长度等。

作为一种优选，孔体的直径范围可在200～360纳米之间；周期可在300～600纳米之间。

作为一种优选，孔体可呈方形排列或六角形排列等。

作为一种优选，所述锗材料层可以为n型重掺杂层，其厚度在180纳米到300纳米之间；所述埋氧层厚度在1至3微米之间等。

本发明还提供一种制备悬臂梁式二维光子晶体微腔的方法，其包括步骤：1)在具有埋氧层、且表层为锗材料层的半导体基底的所述锗材料层中掺杂以形成n型重掺杂层；2)对所述重掺杂层进行微机械加工以便形成由周期性排列的孔体所构成的光子晶体微腔；3)在具有光子晶体微腔的重掺杂层的部分区域进行刻蚀以暴露出部分埋氧层；4)进行湿法腐蚀，以去除所述光子晶体微腔下的埋氧层，同时对悬臂梁结构进行释放。

作为一种优选，掺杂的剂量可在1×10¹⁷到5×10¹⁹cm^-2之间等。

作为一种优选，掺杂工艺中可采用600-1000度的快速热退火20-180秒等。

作为一种优选，可以采用以光刻胶为掩膜的电子束曝光和干法刻蚀工艺对所述重掺杂层进行刻蚀以形成光子晶体微腔；也可以采用聚焦离子束刻蚀工艺对所述重掺杂层直接进行刻蚀以形成光子晶体微腔等；还可以采用电子束曝光和干法刻蚀对所述重掺杂层直接进行刻蚀以形成光子晶体微腔。

作为一种优选，所述半导体基底可以为GeOI衬底等。

综上所述，本发明的锗悬臂梁式二维光子晶体微腔由于具备悬臂梁，通过使悬臂梁产生张应变来调节锗的能带，而且，在锗悬臂梁上制作二维光子晶体微腔，能进一步提高器件的发光性能。

附图说明

图1为本发明的锗悬臂梁式二维光子晶体微腔的侧视图。

图2a为本发明的具有L1型缺陷的锗悬臂梁式二维光子晶体微腔微腔示意图。

图2b为本发明的具有L3型缺陷的锗悬臂梁式二维光子晶体微腔微腔示意图。

图3a至3c为本发明的制备锗悬臂梁式二维光子晶体微腔的流程图。

图4为施加压力于本发明的锗悬臂梁式二维光子晶体微腔的示意图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明的锗悬臂梁式二维光子晶体微腔包括：半导体基底。其中，所述半导体基底具有埋氧层，例如，为二氧化硅层，在所述二氧化硅层上具有锗材料层，即锗悬臂梁。在所述锗悬臂梁中，形成有由周期性排列的孔体所构成的光子晶体，在光子晶体中缺失特定位置特定数量的孔体以形成光子晶体微腔。其中，所述锗材料层可以是n型重掺杂层，例如，掺杂P或As等，该层的厚度在180纳米到300纳米之间；所述埋氧层厚度在1至3微米之间。

作为一种优选结构，所述光子晶体中的部分区域缺失单个或连续缺失多个孔体。例如，如图2a所示，在所述光子晶体的第4行的中间区域缺失一个孔体，由此整个光子晶体便成了具有L1型缺陷的光子晶体微腔；再例如，如图2b所示，在所述光子晶体的第4行的中间区域连续缺失3个孔体，整个光子晶体便成了具有L3型缺陷的光子晶体微腔。

进一步的，为了获得更高的谐振品质因子，相对于未缺失孔体的区域中的孔体位置，缺失的孔体的两侧区域中的孔体位置向外侧平移，例如，如图2a和2b所示，具有缺失孔体的第4行相对于没有缺失孔体的第3行，横向移动了5％～10％的周期长度。

此外，作为另一种优选，上述各锗悬臂梁式二维光子晶体微腔中，孔体的直径范围可以在200～360纳米之间，周期可以在300～600纳米之间。

再有，作为另一种优选，上述各锗悬臂梁式二维光子晶体微腔中，各孔体呈方形排列或六角形排列，更详细言之，例如，每4个孔体排列成方形，所述方形周期性重复即构成光子晶体，而若其中部分方形中缺失一个孔体(非连续性)，即构成L1型光子晶体微腔，而若缺失的3个孔体呈连续性，则构成L3型光子晶体微腔。

上述各锗悬臂梁式二维光子晶体微腔可以采用如下方法制备：

首先进行光学模拟和设计，针对近红外和中红外波段设计光子晶体微腔，实现光的频率与微腔的振荡频率一致，并计算直接带隙转变所需要的应变，由此获得要制备的悬臂梁的几何尺寸等。

接着，在具有埋氧层、且表层为锗材料层的半导体基底的所述锗材料层中掺杂以形成n型重掺杂层。例如，选取一片GeOI衬底，其衬底厚度500微米，二氧化硅埋层的厚度为3微米，顶层锗的厚度为0.2微米，在顶层的锗材料中注入P或As，进行n型重掺杂，以提高电子在直接带隙的占有率，掺杂浓度可达到1×10¹⁹cm^-1。此外，作为一种优选，可采用800度快速热退火30秒，以降低缺陷密度。

接着，对所述重掺杂层进行刻蚀以便形成周期性孔体结构的光子晶体微腔。例如，在所述重掺杂层涂敷电子束光刻胶后，根据所设计的光子晶体图形在GeOI正面进行电子束曝光，再进行深反应离子束刻蚀，去除电子束光刻胶，如图3a所示，形成的各孔体呈六角格子状排列，孔体直径为240纳米，光子晶体的周期为460纳米，需要说明的是，根据预先的设计在部分孔体区域不进行刻蚀，以连续缺失3个孔体，由此可形成L3型缺陷的光子晶体微腔，而且，在设计图形的时候可使缺陷两侧的孔体各向外侧移动20纳米。

接着，在所述重掺杂层的部分区域进行刻蚀以暴露出部分埋氧层。例如，对所述重掺杂层涂敷光刻胶，将顶层锗和光子晶体微腔覆盖，随后光刻得到悬臂梁的图形，尺寸可以为10×50微米，利用RIE对顶层锗进行刻蚀，以暴露出部分埋氧层，如图3b所示。

接着，对具有暴露的埋氧层的结构进行湿法腐蚀，以去除所述光子晶体微腔下的埋氧层，同时实现锗悬臂梁的释放。例如，去胶后对氧化埋层进行湿法腐蚀，可采用NH₄F和HF的7∶1混合溶液，刻蚀深度为2微米，将氧化埋层腐蚀，在此过程埋氧层将会被释放，形成悬浮结构的悬臂梁和光子晶体微腔，如图3c所示。

需要说明的是，湿法腐蚀时，向下的腐蚀会受到衬底，例如硅，的阻挡，侧向腐蚀能够形可根据湿法腐蚀速率，通过控制腐蚀时间就能够获得所设计的悬臂梁，完成器件的制备，应变大小受到埋氧层的厚度的限制，但是也能起到一定的保护作用。

对于上述制备出的锗悬臂梁式二维光子晶体微腔，如果在悬臂梁的顶端施加压力，如图4所示，使悬臂梁产生向下的位移，当压力达到1毫牛顿时，此时锗膜表面对应的张应变达到0.25％，对应的发光波长转移到1.55微米，此时光子晶体的品质因子达到10³以上，器件的发光效率也相应得到几十倍的提升。

综上所述，本发明制备方法所制备出的锗悬臂梁式二维光子晶体微腔既能够通过外力调节悬臂梁上的应变从而实现锗向直接带隙的转变，又能够通过高品质因子的光子晶体微腔的设计大幅度提高器件的发光强度。

上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (13)

1.一种锗悬臂梁式二维光子晶体微腔，其特征在于包括：

具有埋氧层、且表层为悬臂梁式锗材料层的半导体基底，其中，所述锗材料层包含光子晶体微腔，所述光子晶体微腔由周期性排列的孔体所构成、但部分区域缺失孔体；

在具有埋氧层、且表层为锗材料层的半导体基底的所述锗材料层中掺杂以形成n型重掺杂层；然后，在具有光子晶体微腔的重掺杂层的部分区域进行光刻和刻蚀以暴露出部分埋氧层；对具有暴露的埋氧层的结构进行湿法腐蚀，以去除所述光子晶体微腔下的埋氧层，并同时实现悬臂梁结构的释放；所述锗材料层为n型重掺杂层，其厚度为180纳米到300纳米；掺杂的剂量为1×10¹⁷到5×10¹⁹cm^-2。

2.如权利要求1所述的锗悬臂梁式二维光子晶体微腔，其特征在于：部分区域缺失单个或连续缺失多个孔体。

3.如权利要求2所述的锗悬臂梁式二维光子晶体微腔，其特征在于：部分区域连续缺失3个孔体。

4.如权利要求2所述的锗悬臂梁式二维光子晶体微腔，其特征在于：缺失的孔体的两侧区域中的孔体的位置相对于未缺失孔体的区域中的孔体位置向外侧平移5%~10%的周期长度。

5.如权利要求1至4中任一项所述的锗悬臂梁式二维光子晶体微腔，其特征在于：呈周期性排列的孔体的直径范围为200~360纳米；周期为300~600纳米。

6.如权利要求5所述的锗悬臂梁式二维光子晶体微腔，其特征在于：孔体呈方形排列或六角形排列。

7.如权利要求1所述的锗悬臂梁式二维光子晶体微腔，其特征在于：所述埋氧层厚度为1至3微米。

8.一种制备权利要求1至7任一项锗悬臂梁式二维光子晶体微腔的方法，其特征在于包括步骤：

1）在具有埋氧层、且表层为锗材料层的半导体基底的所述锗材料层中掺杂以形成n型重掺杂层；

2）对所述重掺杂层进行微机械加工以便形成由周期性排列的孔体构成的光子晶体微腔，其中部分区域缺失孔体；

3）在具有光子晶体微腔的重掺杂层的部分区域进行光刻和刻蚀以暴露出部分埋氧层；

4）对具有暴露的埋氧层的结构进行湿法腐蚀，以去除所述光子晶体微腔下的埋氧层，并同时实现悬臂梁结构的释放；

所述锗材料层为n型重掺杂层，其厚度为180纳米到300纳米；掺杂的剂量为1×10¹⁷到5×10¹⁹cm^-2。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：掺杂工艺中采用快速热退火600-1000度20-180秒。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于：采用以光刻胶为掩膜的刻蚀工艺对所述重掺杂层进行刻蚀以形成光子晶体微腔。

11.如权利要求8所述的方法，其特征在于：采用聚焦离子束刻蚀工艺对所述重掺杂层直接进行刻蚀以形成光子晶体微腔。

12.如权利要求8所述的方法，其特征在于：采用电子束曝光和干法刻蚀对所述重掺杂层直接进行刻蚀以形成光子晶体微腔。

13.如权利要求8所述的方法，其特征在于：所述半导体基底为GeOI衬底。

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