CN102590936B

CN102590936B - 锗悬浮膜式二维光子晶体微腔及制备方法

Info

Publication number: CN102590936B
Application number: CN 201110004002
Authority: CN
Inventors: 武爱民; 魏星; 薛忠营; 杨志峰; 甘甫烷; 张苗; 王曦
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS; Shanghai Simgui Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS; Shanghai Simgui Technology Co Ltd
Priority date: 2011-01-10
Filing date: 2011-01-10
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2031-01-10
Also published as: CN102590936A

Abstract

本发明提供一种锗悬浮膜式二维光子晶体微腔，包括：具有埋氧层、且表层为锗悬浮膜层的半导体基底，其中，所述锗悬浮膜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构成、但部分区域缺失孔体。此外，本发明还提供了该锗悬浮膜式二维光子晶体微腔的制备方法，即先在半导体基底的锗薄膜层中掺杂以形成n型重掺杂层，随后，对重掺杂层进行微机械加工以便在部分区域形成光子晶体微腔，最后，对整片器件进行湿法腐蚀，其中，可通过控制腐蚀时间以控制侧向腐蚀的程度，从而去除光子晶体微腔下的埋氧层实现悬浮膜。本发明的优点在于：能够通过调节悬浮的锗薄膜的应变从而实现锗向直接带隙的转变，并通过光子晶体微腔的增强作用实现发光效率的提高。

Description

锗悬浮膜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，特别涉及一种锗悬浮膜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者性能不稳定等因素，距离实用的片上光源仍有很大的差距。

锗材料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浮膜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，本发明提供的锗悬浮膜式二维光子晶体微腔，包括：具有埋氧层、且表层为锗悬浮膜层的半导体基底，其中，所述锗悬浮膜层包含有光子晶体微腔，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以形成光子晶体微腔，例如，连续缺失3个孔体等。

作为一种优选，缺失的孔体的两侧区域中的孔体相对于未缺失孔体的区域中的孔体向外平移5％～10％的周期长度。

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，各孔体可呈方形排列或六角形排列等。

作为一种优选，所述锗悬浮膜层可以为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锗悬浮膜式二维光子晶体微腔的方法，其包括步骤：1)在具有埋氧层、且表层为锗薄膜层的半导体基底的所述锗薄膜层中掺杂以形成n型重掺杂层；2)对所述重掺杂层进行刻蚀以便形成由周期性排列的孔体所构成的光子晶体，其中部分区域缺失孔体；3)在形成有光子晶体的半导体基底进行湿法腐蚀，以去除所述光子晶体下的埋氧层，并基于预先的设计来控制腐蚀时间，从而使所述重掺杂层为悬浮膜。

作为一种优选，掺杂的浓度可在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。

作为一种优选，可以采用各向同性的湿法腐蚀，以去除所述光子晶体微腔下的埋氧层。

作为一种优选，所述半导体基底可以为GeOI衬底等。

综上所述，本发明的锗悬浮膜式二维光子晶体微腔由于具备悬浮式锗薄膜，通过使悬浮式锗薄膜产生张应变来调节锗的能带，而且，在悬浮式锗薄膜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为本发明的锗悬浮膜式二维光子晶体微腔的侧视图。

图2a为本发明的具有L1型缺陷的锗悬浮膜式二维光子晶体微腔示意图。

图2b为本发明的具有L3型缺陷的锗悬浮膜式二维光子晶体微腔示意图。

图3a至3c为本发明的制备锗悬浮膜式二维光子晶体微腔的流程图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明的锗悬浮膜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薄膜层，所述锗薄膜层呈悬浮状，而且，在该悬浮区域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，所述锗薄膜层可以是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，从而光子晶体成了具有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多个孔体，如3个，由此光子晶体成了具有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，可使光子晶体中缺失的孔体两侧区域中的孔体相对于未缺失孔体的区域中的孔体向外侧平移，例如，如图2a和2b所示，使具有缺失孔体的第4行相对于没有缺失孔体的第3行，横向移动5％～10％的周期长度。

此外，作为另一种优选，上述各锗悬浮膜式二维光子晶体中，孔体的直径范围可以在200～360纳米之间，光子晶体的周期可以在300～600纳米之间。

再有，作为另一种优选，上述各锗悬浮膜式二维光子晶体中，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。

上述各锗悬浮膜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，由此获得要制备的锗薄膜悬空区域的几何尺寸等。

接着，在具有埋氧层、且表层为锗薄膜层的半导体基底的所述锗薄膜层中掺杂以形成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在部分区域形成光子晶体微腔。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微腔图形在GeOI正面进行电子束曝光，再随机进行深反应离子束刻蚀，去除电子束光刻胶，如图3a所示，形成的各孔体周期性呈六角格子排列，直径为240纳米，光子晶体的周期为460纳米，需要说明的是，如果根据预先的设计对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，此外，还可在设计图形的时候使光子晶体中缺失的孔体的两侧各向外侧移动20纳米。

接着，在形成有光子晶体微腔的半导体基底进行湿法腐蚀，以去除所述光子晶体微腔下的埋氧层，并根据设计延长腐蚀时间，从而使所述重掺杂层部分区域呈悬空状。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，腐蚀进行45分钟后，腐蚀深度为3微米，在此过程埋氧层将会被释放，侧向腐蚀形成的悬浮膜尺寸为15×10微米，如图3b和3c所示。

需要说明的是，由于采用的是各向同性的湿法腐蚀，腐蚀方向包括向下和向两侧进行，向下的腐蚀会受到衬底，例如硅，的限制，待二氧化硅埋层腐蚀完毕即停止，而侧向腐蚀能够形成悬浮的锗膜。具体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浮膜，完成器件的制备。这种办法制备的锗薄膜向下的位移受到衬底的阻挡，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浮膜式二维光子晶体微腔，如果对锗悬浮膜施加外力，包括静电力或机械力，就能够使锗薄膜发生垂直方向的位移，从而在锗薄膜中产生张应变，当张应变的值达到0.25％时，对应的发光波长达到1.55微米，当应变量超过2％时，锗材料会完全转变成直接带隙材料。此时光子晶体微腔对入射光形成振荡，能够大幅度提高发光增益。

综上所述，本发明制备方法所制备出的锗悬浮膜式二维光子晶体微腔通过在锗薄膜上产生张应变调节锗的能带，在锗薄膜上制作二维光子晶体微腔，能进一步提高器件的发光性能。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

1.一种锗悬浮膜式二维光子晶体微腔，其特征在于包括：

具有埋氧层、且表层为锗悬浮膜层的半导体基底，其中，所述锗悬浮膜层包含有光子晶体微腔，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；

所述锗悬浮膜层在具有埋氧层、且表层为锗薄膜层的半导体基底的所述锗薄膜层中掺杂以形成n型重掺杂层；然后所述锗悬浮膜层是在形成有光子晶体微腔的半导体基底进行湿法腐蚀，以去除所述光子晶体微腔下的埋氧层，并基于预先的设计控制腐蚀时间，从而使所述重掺杂层为锗悬浮膜层；所述锗悬浮膜层为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所述的锗悬浮膜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所述的锗悬浮膜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1至3任一项所述的锗悬浮膜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相对于未缺失孔体的区域中的孔体向外平移5%~10%的周期长度。

5.如权利要求1所述的锗悬浮膜式二维光子晶体微腔，其特征在于：呈周期性排列的各孔体的直径范围为200~360纳米；周期为300~600纳米。

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

7.如权利要求1所述的锗悬浮膜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任一项锗悬浮膜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、且表层为锗薄膜层的半导体基底的所述锗薄膜层中掺杂以形成n型重掺杂层；

2）对所述重掺杂层进行刻蚀以便形成由周期性排列的孔体所构成的光子晶体微腔，其中，部分区域缺失孔体；

3）在形成有光子晶体微腔的半导体基底进行湿法腐蚀，以去除所述光子晶体微腔下的埋氧层，并基于预先的设计控制腐蚀时间，从而使所述重掺杂层为锗悬浮膜层；所述锗悬浮膜层为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600-1000度快速热退火20-180秒以修复重掺杂造成的损伤。

10.如权利要求8或9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或9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：采用各向同性的湿法腐蚀，以去除所述光子晶体下的埋氧层。

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。