CN102662212B

CN102662212B - 一种光子晶体及其制备方法

Info

Publication number: CN102662212B
Application number: CN 201210174635
Authority: CN
Inventors: 姜海涛; 武爱民; 张苗; 狄增峰; 魏星; 陈龙
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2012-05-31
Filing date: 2012-05-31
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2032-05-31
Also published as: CN102662212A

Abstract

本发明提供一种光子晶体及其制备方法，首先提供包括铝基底和具有周期排列的多个孔道的氧化铝层的AAO模板，于各该孔道内填充光刻胶，并使所述光刻胶覆盖所述氧化铝层，然后去除所述铝基底，并去除各该孔道的底部以使所述孔道形成通孔，然后键合一半导体衬底及所述氧化铝层，去除光刻胶，接着于所述通孔内形成第一半导体柱并于所述氧化铝层表面形成第一半导体层，接着按上述步骤于所述第一半导体层上形成氧化铝层、第二半导体柱及第二半导体层，最后去除所述氧化铝层以完成制备。本发明利用AAO模板实现了光子晶体的制备，工艺简单，成本低、重复性好、且与半导体工艺兼容，采用本方法可制备出二维或三维纳米级的光子晶体，适用于工业生产。

Description

一种光子晶体及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体领域，特别是涉及一种光子晶体及其制备方法。

背景技术

光子晶体即光子禁带材料，是近十年来发展起来的一种新型光子学材料。从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波---当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构。能带与能带之间出现带隙，即光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。光子晶体的出现，使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。光子晶体的引入为微波领域提供了新的研究方向。光子晶体完全依靠自身结构就可实现带阻滤波，且结构比较简单，在微波电路、微波天线等方面均具有广阔的应用前景。

从器件结构上看，光子晶体是由不同的介电体周期地交替排列的一种栅结构材料。这种材料在激光器、光波导和集成光学等光电信息领域有着潜在的应用前景。

近年来，随着光通讯的迅速发展，尤其是波分复用(WDM)系统的推广应用，对于高密度、高性能的光集成电路的需求越发迫切。相对于微电子电路的集成度，光集成电路的集成度远远达不到微电子电路的集成度，这主要是传统截止波导的尺寸只能小到几毫米，且转弯角度不能太大，传统的介质波导虽然可以支持直线传播的光，但在拐弯处会导致极大的能量损失，从而成为在光集成电路中光传播的瓶颈。理想波导的材料应该具有电介质那样低的本征损耗，又要有金属的反射特性，光子晶体恰好满足上述两个条件。

目前制备光子晶体的方法主要有精密加工法、胶体自组装法、激光全息干涉法等。然而，对于精密加工法来说，其工艺复杂、造价昂贵，并且受现有半导体技术水平的限制，在制备更小波长尺度的三维光子晶体、晶体掺杂以及缺陷引入等方面存在着很大的挑战。对于胶体自组装法所制备的光子晶体，往往不具备高的介电比和合适的网络拓扑结构，因而并不能产生完全光子带隙。对于激光全息干涉法，现有激光干涉技术得到的结构周期往往大于激光波长，出于微米量级。周期结构的花样仅决定于激光干涉的强度分布，光束数量和空间位置确定后，周期结构随之确定。因此，这些技术难以获得纳米量级周期结构，且成本较高，难以得到广泛应用。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种光子晶体及其制备方法，用于实现一种工艺简单、成本低、与现有的半导体工艺兼容且性能良好的纳米量级的二维或三维光子晶体的制备。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种光子晶体的制备方法，所述制备方法至少包括：1）提供一AAO模板，所述AAO模板至少包括一铝基底及结合于所述铝基底表面的氧化铝层，所述氧化铝层具有多个周期排列且具有底部的孔道，于各该孔道内填充光刻胶，并使所述光刻胶覆盖所述氧化铝层的表面；2）采用选择性腐蚀技术去除所述铝基底；3）采用选择性腐蚀技术去除各该孔道的底部以使所述孔道形成通孔，以形成包括氧化铝层及光刻胶的第一结构；4）提供一半导体衬底，键合所述第一结构的氧化铝层及所述半导体衬底，然后去除覆盖于所述氧化铝层的表面的及所述通孔内的光刻胶；5）采用选择性外延技术于所述通孔内开始生长第一半导体材料，形成填充于各该通孔内的第一半导体柱及覆盖于所述氧化铝层及各该第一半导体柱的第一半导体层，并对所述第一半导体层进行抛光处理；6）提供一与所述第一结构的结构相同的第二结构，并键合所述第二结构的氧化铝层及所述第一半导体层；7）去除所述第二结构的光刻胶；8）于所述第二结构的通孔内开始生长第二半导体材料，形成填充于各该通孔内的第二半导体柱及覆盖于所述氧化铝层及各该第二半导体柱的第二半导体层，并对所述第二半导体层进行抛光处理；9）采用选择性腐蚀技术去除所述第一结构及第二结构的氧化铝层，以完成所述光子晶体的制备。

在本发明的光子晶体的制备方法中，所述AAO模板中孔道的排列方式为六角排列、长方形排列或正方形排列。

在本发明的光子晶体的制备方法所述步骤2）中，采用CuCl₂作为腐蚀剂去除所述铝基底。

在本发明的光子晶体的制备方法所述步骤3）中，采用磷酸作为腐蚀剂刻蚀所述氧化铝层的下表面，以去除各该孔道的底部，形成通孔。

在本发明的光子晶体的制备方法中，所述步骤3）还包括对去除各该孔道的底部后所得的表面进行机械化学抛光的步骤。

作为本发明的光子晶体的制备方法的一个优选方案，所述半导体衬底为Si衬底、Ge衬底或Ⅲ-Ⅴ族半导体衬底。

作为本发明的光子晶体的制备方法的一个优选方案，所述第一半导体材料及第二半导体材料为Si、Ge或Ⅲ-Ⅴ族半导体材料，且所述第一半导体材料及第二半导体材料相同或相异。

在本发明的光子晶体的制备方法中，所述光刻胶为聚甲基丙烯酸甲酯，所述步骤4）及步骤7）中，采用氯仿、乙酸、乙酸乙酯、丙酮、苯酚或苯甲醚溶液去除所述光刻胶。

在本发明的光子晶体的制备方法所述步骤6）中，先使所述第二结构的通孔与所述第一结构的通孔垂向对准，然后键合所述第二结构的氧化铝层及所述第一半导体层。

在本发明的光子晶体的制备方法中，重复进行所述步骤6）~步骤8），并于所述步骤9）去除所有的氧化铝层，以获得两层以上的光子晶体。

本发明还提供一种依据上述任意一项方案所述的光子晶体的制备方法所制备的光子晶体。

如上所述，本发明的光子晶体及其制备方法，具有以下有益效果：首先提供包括铝基底和具有周期排列的多个孔道的氧化铝层的AAO模板，于各该孔道内填充光刻胶，并使所述光刻胶覆盖所述氧化铝层，然后去除所述铝基底，并去除各该孔道的底部以使所述孔道形成通孔，然后键合一半导体衬底及所述氧化铝层，并去除光刻胶，接着于所述通孔内形成第一半导体柱并于所述氧化铝层表面形成第一半导体层，接着按上述步骤于所述第一半导体层上形成氧化铝层、第二半导体柱及第二半导体层，最后去除所述氧化铝层以完成制备。本发明利用AAO模板实现了光子晶体的制备，工艺简单，成本低、重复性好、且与半导体工艺兼容，采用本方法可制备出二维或三维纳米级的光子晶体，适用于工业生产。

附图说明

图1~图2显示为本发明的光子晶体的制备方法步骤1）所呈现的结构示意图。

图3显示为本发明的光子晶体的制备方法步骤2）所呈现的结构示意图。

图4显示为本发明的光子晶体的制备方法步骤3）所呈现的结构示意图。

图5~图6显示为本发明的光子晶体的制备方法步骤4）所呈现的结构示意图。

图7~图8显示为本发明的光子晶体的制备方法步骤5）所呈现的结构示意图。

图9显示为本发明的光子晶体的制备方法步骤6）所呈现的结构示意图。

图10显示为本发明的光子晶体的制备方法步骤7）所呈现的结构示意图。

图11显示为本发明的光子晶体的制备方法步骤8）所呈现的结构示意图。

图12显示为本发明的光子晶体的制备方法步骤9）所呈现的结构示意图。

元件标号说明

101 铝基底

102、107 氧化铝层

103 孔道

104、108 光刻胶

105 半导体衬底

106 第一半导体材料

107 通孔

109 第二半导体材料

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1~图12。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图1~图12，本实施例提供一种具有周期结构的半导体的制备方法，所述制备方法至少包括：

如图1~图2所示，首先进行步骤1），提供一AAO模板，所述AAO模板至少包括一铝基底101及结合于所述铝基底101表面的氧化铝层102，所述氧化铝层102具有多个周期排列且具有底部的孔道103，于各该孔道103内填充光刻胶104，并使所述光刻胶104覆盖所述氧化铝层102的表面。

在本实施例中，所述AAO模板孔道103的排列方式为高度规整的六角周期排列，所述AAO模板孔道103的截面为圆形，孔道103的直径均匀，孔道103的深度一致。所述孔道103的底部为氧化铝层102。当然，在其它的实施例中，所述AAO模板孔道103的排列方式可以是规整的长方形或正方形排列。然后于各该孔道103内填充光刻胶104，并使所述光刻胶104覆盖所述氧化铝层102的表面，在本实施例中，所述光刻胶104为聚甲基丙烯酸甲酯，当然，在其它的实施例中，所述光刻胶104可以是其它预期的聚合物胶体。

如图3所示，然后进行步骤2），采用选择性腐蚀技术去除所述铝基底101。

在本实施例中，采用CuCl₂作为腐蚀剂，以选择性去除所述铝基底101。当然，也可以采用预期的其它溶剂去除所述铝基底101。

如图4所示，接着进行步骤3），采用选择性腐蚀技术去除各该孔道103的底部以使所述孔道103形成通孔107，以形成包括氧化铝层102及光刻胶104的第一结构。

在本实施例中，采用磷酸作为腐蚀剂刻蚀去除所述铝基底101后露出的氧化铝层102的下表面，以去除各该孔道103底部的氧化铝层102，形成圆柱体状的通孔107，所述通孔107内填充有光刻胶104，去除所述孔道103的底部后，对该下表面进行抛光，使孔道103内的光刻胶104与氧化铝层102下表面处于同一平面，以形成包括氧化铝层102及光刻胶104的第一结构，以备进行后续的制备工艺。

如图5~图6所示，接着进行步骤4），提供一半导体衬底105，键合所述氧化铝层102及所述半导体衬底105，然后去除覆盖于所述氧化铝层102的表面的及所述通孔107内的光刻胶104。

在本实施例中，提供一半导体衬底105，所述半导体衬底105为Si衬底、Ge衬底或Ⅲ-Ⅴ族半导体衬底105。当然，也可以是N型导电类型掺杂或P型导电类型离子掺杂的Si衬底、Ge衬底或Ⅲ-Ⅴ族半导体衬底105。然后键合所述半导体衬底105及上述经过抛光后的氧化铝层102的下表面，接着采用采用氯仿、乙酸、乙酸乙酯、丙酮、苯酚或苯甲醚溶液去除覆盖于所述氧化铝层102的表面的及所述通孔107内的光刻胶104，当然，也可以采用预期的其它有机溶剂去除所述光刻胶104。

如图7~图8所示，接着进行步骤5），采用选择性外延技术于所述通孔107内开始生长第一半导体材料106，形成填充于各该通孔107内的第一半导体柱及覆盖于所述氧化铝层102及各该第一半导体柱的第一半导体层，并对所述第一半导体层进行抛光处理；

在本实施例中，采用选择性外延技术于所述通孔107内开始生长第一半导体材料106，形成填充于各该通孔107内的第一半导体柱及覆盖于所述氧化铝层102及各该第一半导体柱的第一半导体层，并对所述第一半导体层进行机械化学抛光处理。所述第一半导体材料106为Si、Ge或Ⅲ-Ⅴ族半导体材料106，且所述第一半导体材料106与所述半导体衬底105的材料相异。当然，在其它的实施例中，所述第一半导体材料106为Si、Ge或Ⅲ-Ⅴ族半导体材料106，且所述第一半导体材料106可以与所述半导体衬底105的材料相同。

如图9所示，最后进行步骤6），提供一与所述第一结构的结构相同的第二结构，并键合所述第二结构的氧化铝层107及所述第一半导体层；

所述第二结构与所述第一结构相同，包括具有周期排列通孔的氧化铝层107、填充于所述通孔的光刻胶108及覆盖于各该通孔及氧化铝层107表面的光刻胶108。然后使所述第二结构的各该通孔与所述第一结构的通孔垂向对准，并采用低温键合技术键合所述第二结构的氧化铝层107及所述第一半导体层

如图10所示，接着进行步骤7），去除所述第二结构的光刻胶108。

采用采用氯仿、乙酸、乙酸乙酯、丙酮、苯酚或苯甲醚溶液去除覆盖于所述第二结构氧化铝层107的表面的及所述通孔内的光刻胶108，当然，也可以采用预期的其它有机溶剂去除所述光刻胶108。

如图11所示，接着进行步骤8），于所述第二结构的通孔内开始生长第二半导体材料109，形成填充于各该通孔内的第二半导体柱及覆盖于所述氧化铝层107及各该第二半导体柱的第二半导体层，并对所述第二半导体层进行抛光处理；

在本实施例中，采用选择性外延技术于所述第二结构的通孔内开始生长第二半导体材料109，形成填充于各该通孔内的第二半导体柱及覆盖于所述氧化铝层107及各该第二半导体柱的第二半导体层，并对所述第二半导体层进行抛光处理。所述第二半导体材料109为Si、Ge或Ⅲ-Ⅴ族半导体材料，且所述第二半导体材料109与所述第一半导体材料106相同。当然，在其它的实施例中，所述半导体材料为Si、Ge或Ⅲ-Ⅴ族半导体材料，且所述第二半导体材料109与所述第一半导体材料106相异。

如图12所示，最后进行步骤9），采用选择性腐蚀技术去除所述第一结构及第二结构的氧化铝层102及107，以完成所述光子晶体的制备。

在本实施例中，采用CuCl₂作为腐蚀剂，以选择性去除所述第一结构及第二结构的氧化铝层102及107，保留所述第一半导体材料106及第二半导体材料109，以完成所述光子晶体的制备。当然，也可以采用预期的其它溶剂去除所述氧化铝层102及107。

在其它的实施例中，重复进行所述步骤6）~步骤8），并于所述步骤9）去除所有的氧化铝层，以获得两层以上的光子晶体。

请参阅图12，如图所示，本实施例还提供一种依据本实施例所述的光子晶体的制备方法所制备的光子晶体。

综上所述，本发明的光子晶体及其制备方法，首先提供包括铝基底和具有周期排列的多个孔道的氧化铝层的AAO模板，于各该孔道内填充光刻胶，并使所述光刻胶覆盖所述氧化铝层，然后去除所述铝基底，并去除各该孔道的底部以使所述孔道形成通孔，然后键合一半导体衬底及所述氧化铝层，并去除光刻胶，接着于所述通孔内形成第一半导体柱并于所述氧化铝层表面形成第一半导体层，接着按上述步骤于所述第一半导体层上形成氧化铝层、第二半导体柱及第二半导体层，最后去除所述氧化铝层以完成制备。本发明利用AAO模板实现了光子晶体的制备，工艺简单，成本低、重复性好、且与半导体工艺兼容，采用本方法可制备出二维或三维纳米级的光子晶体，适用于工业生产。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种光子晶体的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括：

1）提供一AAO模板，所述AAO模板至少包括一铝基底及结合于所述铝基底表面的氧化铝层，所述氧化铝层具有多个周期排列且具有底部的孔道，于各该孔道内填充光刻胶，并使所述光刻胶覆盖所述氧化铝层的表面；

2）采用选择性腐蚀技术去除所述铝基底；

3）采用选择性腐蚀技术去除各该孔道的底部以使所述孔道形成通孔，以形成包括氧化铝层及光刻胶的第一结构；

4）提供一半导体衬底，键合所述第一结构的氧化铝层及所述半导体衬底，然后去除覆盖于所述氧化铝层的表面的及所述通孔内的光刻胶；

5）采用选择性外延技术于所述通孔内开始生长第一半导体材料，形成填充于各该通孔内的第一半导体柱及覆盖于所述氧化铝层及各该第一半导体柱的第一半导体层，并对所述第一半导体层进行抛光处理；

6）提供一与所述第一结构的结构相同的第二结构，并键合所述第二结构的氧化铝层及所述第一半导体层；

7）去除所述第二结构的光刻胶；

8）于所述第二结构的通孔内开始生长第二半导体材料，形成填充于各该通孔内的第二半导体柱及覆盖于所述氧化铝层及各该第二半导体柱的第二半导体层，并对所述第二半导体层进行抛光处理；

9）采用选择性腐蚀技术去除所述第一结构及第二结构的氧化铝层，以完成所述光子晶体的制备。

2.根据权利要求1所述的光子晶体的制备方法，其特征在于：所述AAO模板中孔道的排列方式为六角排列、长方形排列或正方形排列。

3.根据权利要求1所述的光子晶体的制备方法，其特征在于：所述步骤2）中，采用CuCl2作为腐蚀剂去除所述铝基底。

4.根据权利要求1所述的光子晶体的制备方法，其特征在于：所述步骤3）中，采用磷酸作为腐蚀剂刻蚀所述氧化铝层的下表面，以去除各该孔道的底部，形成通孔。

5.根据权利要求1所述的光子晶体的制备方法，其特征在于：所述步骤3）还包括对去除各该孔道的底部后所得的表面进行机械化学抛光的步骤。

6.根据权利要求1所述的光子晶体的制备方法，其特征在于：所述半导体衬底为Si衬底或Ge衬底。

7.根据权利要求1所述的光子晶体的制备方法，其特征在于：所述第一半导体材料及第二半导体材料为Si或Ge，且所述第一半导体材料及第二半导体材料相同。

8.根据权利要求1所述的光子晶体的制备方法，其特征在于：所述光刻胶为聚甲基丙烯酸甲酯，所述步骤4）及步骤7）中，采用氯仿、乙酸、乙酸乙酯、丙酮、苯酚或苯甲醚溶液去除所述光刻胶。

9.根据权利要求1所述的光子晶体的制备方法，其特征在于：所述步骤6）中，先使所述第二结构的通孔与所述第一结构的通孔垂向对准，然后键合所述第二结构的氧化铝层及所述第一半导体层。

10.根据权利要求1所述的光子晶体的制备方法，其特征在于：重复进行所述步骤6）～步骤8），并于所述步骤9）去除所有的氧化铝层，以获得大于两层的光子晶体。

11.一种依据权利要求1～10任意一项所述的光子晶体的制备方法所制备的光子晶体。