CN102718180A - 同心环芯纳米硅微盘微腔器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同心环芯纳米硅微盘微腔器件及其制备方法，属于半导体光电子器件技术领域。该同心环芯纳米硅微盘微腔器件包括硅衬底和微盘，所述微盘包括同轴设置的外围微盘和内围微盘，内围微盘直接形成于外围微盘上，外围微盘与内围微盘的边缘部熔合形成环状盘腔结构，其中，内围微盘为含有硅纳米量子点结构的薄膜层。本发明将纳米硅量子点结构和微盘微腔结构有机结合，同时又把纳米硅发光区域与微盘环芯结构相分离，既利用了纳米硅良好的光增益特性，又减少了谐振过程中的非辐射自由载流子吸收，实现纳米硅同心环芯微腔的高效率的光发射，同时，该同心环芯纳米硅微盘微腔器件制备工艺简单，参数精确可调，与现行成熟的硅工艺相兼容。

Description

同心环芯纳米硅微盘微腔器件及其制备方法

技术领域

本发明特别涉及一种同心环芯纳米硅微盘器件及其制备方法，属于半导体光电子器件技术领域。

背景技术

与CMOS和MEMs工艺相兼容的“硅光子学”是当今众多芯片制造公司及科学研究机构关注的热点，硅基光子器件也无疑拥有巨大的成本优势。但硅基光子互联芯片体系也遇到了一瓶颈性的难题—高效硅基有源激光发射器的缺失。从Intel公司研发的利用Raman 效应的硅激光器到布朗大学在SOI片上引入A中心缺陷观察到的激射行为，许多科研机构都在致力于硅基光源及激光的研究。

制备基于量子限域效应的纳米硅量子点结构，是目前比较有效的改变体硅间接带隙结构的手段。通过提高电子-空穴对的辐射复合几率，纳米硅被证实具有明显的光增益特性。同时，光学微腔由于其内传输的光损耗极低，光场能量密度高，模式体积小及超高的品质因子等诸多优点，已被视为一种潜在的紧凑高效的低阈值激光器。如果把纳米硅和微盘微腔两结构结合起来，这就很有可能实现硅光子互联中最需要的激光发射器件。

2006年，Max Planck 研究所的Zacharias小组首先实现了含有纳米硅的微盘微腔结构设计，并在其中观察到耳语廊模式。但Pavesi小组的Pitanti 等人测得这种微盘微腔的Purcell 增强因子仅为1.4左右，这对于激光发射远远不够。这是由于微腔中纳米硅的自由载流子吸收的散射截面7倍于体硅，即纳米硅中的自发辐射几率和自由载流子吸收几乎同幅度地增强，因此很难得到高效率的激光发射。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种同心环芯纳米硅微盘微腔器件及其制备方法。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种同心环芯纳米硅微盘微腔器件，包括硅衬底和微盘，所述微盘经形成于硅衬底上微盘支柱与硅衬底连接，所述微盘包括同轴设置的外围微盘和内围微盘，所述内围微盘直接形成于外围微盘上，且所述外围微盘与内围微盘的边缘部熔合形成环状盘腔结构；所述的外围微盘为氧化硅薄膜层；所述内围微盘为含有硅纳米量子点结构的薄膜层。

优选的，所述硅衬底采用<100>晶向的硅片。

所述的外围微盘厚度为0.5～3μm，半径为10～100μm。

所述的内围微盘为含有硅纳米量子点结构的富硅氧化硅薄膜层、氮化硅薄膜层或碳化硅薄膜层；具体的，所述的内围微盘厚度为50～500nm，半径为5～95μm。

进一步的，所述的微盘支柱的高度为5～50μm，直径比所述微盘的盘面直径小10μm以上。

如上所述同心环芯纳米硅微盘微腔器件的制备方法，

首先，在清洗后的硅衬底上形成氧化硅薄膜层，进而在该氧化硅薄膜层上形成含有纳米硅量子点结构的薄膜层；

其后，采用微加工工艺在含有纳米硅量子点结构的薄膜层、氧化硅薄膜层和硅衬底上分别加工形成内围微盘和外围微盘和微盘支柱；

最后，将外围微盘与内围微盘的边缘部熔合形成环状盘腔结构，获得目标产物。

进一步的，所述的同心环芯纳米硅微盘微腔器件的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）清洗晶向为<100>的硅衬底；

（2）采用干法热氧化工艺，在硅衬底上形成氧化硅薄膜层，厚度为0.5～3μm；

（3）在上述的氧化硅薄膜上共形沉积工艺生长一层硅基薄膜；所述硅基薄膜为富硅氧化硅薄膜、氮化硅薄膜和碳化硅薄膜中的任意一种，厚度为50～500nm；

（4）对硅基薄膜进行退火处理，使硅纳米量子点析出，形成含有纳米硅量子点结构的薄膜层；

（5）应用光刻工艺以及反应离子刻蚀工艺在含有纳米硅量子点结构的薄膜层上加工形成内围微盘，所述内围微盘的半径为5～95μm；

（6）应用光刻工艺以及反应离子刻蚀工艺在氧化硅薄膜层上加工形成外围微盘，所述外围微盘的半径为10～100μm；

（7）利用深反应离子刻蚀工艺在硅衬底上加工形成微盘支柱，所述的微盘支柱的高度为5～50μm，直径比前述步骤形成的盘面的直径小10μm以上；所述微盘支柱的上部与外围微盘的底部相连接；

（8）应用激光烧熔工艺将前述步骤形成的外围微盘与内围微盘的边缘部熔合形成环状盘腔结构，获得目标产物。

前述步骤（3）所述的共形沉积工艺包括PECVD工艺、LPCVD工艺、MOCVD工艺、溅射工艺和热蒸发工艺中的任意一种。

    本发明将纳米硅量子点结构和高品质的微盘结构有机结合起来，同时，又把纳米硅发光区域与高品质的微盘环芯结构相分离，既利用了纳米硅良好的光增益特性，又减少了谐振过程中的非辐射自由载流子吸收，获得高品质的微腔模式发射，从而实现纳米硅同心环芯微腔的高效率的光发射。

    与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：

（1）本发明将纳米硅量子点结构和高品质的微盘微腔结构有机结合起来，与两者之间每个单一的结构相比都具有明显的性能优势，能实现更高的纳米硅光子发射效率。

（2）本发明中的把纳米硅发光区域与高品质的微盘环芯结构相分离这一独特创造，即利用了纳米硅良好的光增益特性，又减少了谐振过程中的非辐射自由载流子吸收，从而保持了微腔结构的高品质特性，在相互促进的前提下也减少了相互之间有可能造成的干扰。

（3） 本发明中利用激光烧熔工艺将微盘中的SiO₂微环烧熔，从而利用SiO₂熔融体的表面张力，通过自组织的形式形成表面极其光滑的环芯结构，这与先前的一般工艺相比可以极大地提高微腔的品质因子。同时，同心环芯结构比微环结构的模式体积更小，可获得更高的Purcell增强因子，并且其FSR（Free Spectral Range）更大，可以得到更接近于单模的光发射性能。

（4） 本发明与现代CMOS、MEMS等半导体工艺相兼容，工序简单易行，可行性、操作性和可重复性很强，便于产品的规模化生产和产业化推广，也可对传统相关产业产生示范作用，推动产业升级。

本发明对硅基激光器的研制以及光与物质相互作用的研究等领域具有借鉴和应用研究意义，且在硅基单片光电互联和全光互联应用中也具有重要意义。 

附图说明：

图1是本发明实施例的二维剖面结构示意图；

图2a~2f是本发明的制备方法中各个步骤的结构示意图；

图中各附图标记的含义为：1、硅衬底，2、外围微盘，2’氧化硅薄膜层，3、内围微盘，3’、含纳米硅量子点结构的薄膜层，4、微盘支柱。

具体实施方式

下面参照附图，结合实施例，进一步对本发明进行详细说明。

参阅图1，一种同心环芯纳米硅微盘微腔器件，包括硅衬底1和微盘，所述微盘经形成于硅衬底1上微盘支柱4与硅衬底1连接，所述微盘包括同轴设置的外围微盘2和内围微盘3，所述内围微盘3直接形成于外围微盘2上，且所述外围微盘2与内围微盘3的边缘部熔合形成环状盘腔结构；所述的外围微盘2为氧化硅薄膜层；所述内围微盘3为含有硅纳米量子点结构的薄膜层。

优选的，所述硅衬底1采用<100>晶向的硅片。

所述的外围微盘2的厚度为0.5～3μm，半径为10～100μm。

所述的内围微盘3为含有硅纳米量子点结构的富硅氧化硅薄膜、氮化硅薄膜或碳化硅薄膜；具体的，所述的内围微盘3的厚度为50～500nm，半径为5～95μm。

进一步的，所述的微盘支柱4的高度为5～50μm，直径比所述微盘的盘面直径小10μm以上。

参阅图2a~2f，该同心环芯纳米硅微盘微腔器件的制备方法为：

首先，在清洗后的硅衬底1上形成氧化硅薄膜层2’；进而在该氧化硅薄膜层2’上形成含有纳米硅量子点结构的薄膜层3’；

其后，采用微加工工艺在含有纳米硅量子点结构的薄膜层3’、 氧化硅薄膜层2’和硅衬底1上分别加工形成内围微盘3和外围微盘2和微盘支柱4；

最后，将外围微盘2与内围微盘3的边缘部熔合形成环状盘腔结构，获得目标产物。

该方法具体包括以下步骤：

（1）清洗晶向为<100>的硅衬底1；

（2）采用干法热氧化工艺，在硅衬底上1形成氧化硅薄膜层2’（如图2a）；所述氧化硅薄膜层2’的厚度为0.5～3μm；

上述的干法热氧化获得氧化硅薄膜的工艺过程，优先选择在氧化炉中进行，氧化前需要将硅片表面的自然氧化层去除掉，优先选择使用缓冲的HF酸溶液来去除。在氧化过程中通过对温度、保护气体流量、氧化气体流量、氧化时间等参数进行调节，来获得不同厚度的氧化硅薄膜。

本实施例的中，具体工艺如下，所使用的仪器为氧化炉HDC8000A；氧化前使用缓冲的HF酸溶液将硅片表面的自然氧化层去除掉，浸泡时间约为3min。

氧化过程中的参数控制为：保护气体为氮气，流量为5L/min，5分钟后开始送硅片进行氧化；氧化气体为氧气，流量为2L/min，氧化时间为15小时，温度为1200度；然后在氮气的保护下进行降温，整个过程中炉体的压力为2*10⁵Pa。

（3）在上述的氧化硅薄膜层2’上共形沉积工艺生长一层硅基薄膜；所述硅基薄膜为富硅氧化硅薄膜、氮化硅薄膜或和碳化硅薄膜中的任意一种，厚度为50～500nm；进而对硅基薄膜进行退火处理，使硅纳米量子点析出，形成含有纳米硅量子点结构的薄膜层3’（如图2b）；

所述的共形沉积工艺包括PECVD工艺、LPCVD工艺、MOCVD工艺、溅射工艺和热蒸发工艺中的任意一种。

上述应用PECVD工艺或LPCVD工艺或MOCVD工艺或溅射工艺或热蒸发工艺生长硅基薄膜的工艺过程，优选在功率源频率为13.56MHz，基片温度为350℃和2000mTorr的工作压强下进行，以SiH₄、N₂O、Ar为气源，通过调节不同气源之间的比例、沉积压强、沉积时间，可以实现调节该硅化合物薄膜层的组分和厚度。

上述的退火处理工艺，优选在Ar或N₂的保护下进行，先在400～500℃进行去氢处理，然后在800～1300℃进行保温退火处理，从而可以获得不同尺寸的硅纳米晶量子点结构。

以应用PECVD工艺生长富硅氧化硅薄膜为例，步骤（3）的具体工艺如下：

PECVD的工艺条件为：

沉积气源及流量：SiH₄  50sccm，N₂O  710sccm，Ar  180sccm；功率源频率：13.56 MHz；射频功率：20W；反应腔压力：2000mTorr；衬底温度：350℃； 沉积时间：125s。

退火处理工艺具体条件为：把前所制备的样品放入室温下的退火炉，升温至400℃并保温约半小时以达到除氢的目的；然后继续升温至800～1300℃并保温约半小时，从而使硅纳米量子点能均匀地析出，然后再自然降温至室温，整个退火过程使用Ar气进行保护。

（4）应用光刻工艺以及反应离子刻蚀工艺在含有纳米硅量子点结构的薄膜层3’上加工形成内围微盘3（如图2c），所述内围微盘3的半径为5～95μm；

（5）应用光刻工艺以及反应离子刻蚀工艺在氧化硅薄膜2’上加工形成外围微盘2（如图2d），所述外围微盘2的半径为10～100μm；

上述的步骤（4）和（5）所述的光刻工艺以及反应离子刻蚀工艺优选在紫外光刻机及功率源频率为13.56MHz的反应离子刻蚀机上进行。通过将外围微盘和内围微盘的结构图形化转移到对应的薄膜层上，进而以光刻胶为掩膜材料，再通过反应离子刻蚀工艺获得盘面。

本实施例的中，步骤（4）和（5）具体操作如下：

所使用的仪器为六英寸双面对准光刻机（SUSS MA6/BA6）和反应离子刻蚀机（Tegal 903e）； 

其中，两次光刻工艺的条件为：

光刻模式：Hard模式；曝光时间：4.5～7s；显影时间：30～50s；HMDS预处理：13min；光刻胶类型及厚度：AZ5214  1.5～4μm厚；前烘温度及时间：95℃  90s；后烘温度及时间：110℃  90s；

两次反应离子刻蚀工艺的条件为：

功率源频率：13.56MHz；刻蚀气源、流量：SF₆  5sccm， CHF₃   45sccm， He   120sccm；射频功率：250W；反应腔压力：1500mTorr；前后两次刻蚀时间分别为3min和15min；

以上每次刻蚀完成后都需用丙酮或异丙醇超声5～10min去除掩膜材料光刻胶。

（6）利用深反应离子刻蚀工艺在硅衬底1上加工形成微盘支柱4（如图2e），所述的微盘支柱4的高度为5～50μm，直径比所述盘面的直径小10μm以上；所述微盘支柱4的上部与外围微盘2的底部相连接；

上述的深反应离子刻蚀工艺，优选在功率源频率为13.56MHz，基底温度为-3～0℃的STS深反应离子刻蚀机中进行，以SF₆或XeF₂为刻蚀气源，以组成外围微盘和内围微盘的两层薄膜层为掩膜材料，通过调节刻蚀功率、射频功率及刻蚀时间，对盘面下面的硅衬底材料进行各向同性的刻蚀，从而获得不同尺寸的微盘支柱；

其中较为优选的工艺条件是：

刻蚀气源、流量：SF₆或XeF₂ 30～100sccm；刻蚀功率：1000～2500W；射频功率：10～40W；反应腔压力：82.2%；刻蚀总时间：10～30min。

本实施例的中，所使用的仪器为Oxford Systems Plasma Lab 380s。

具体刻蚀条件为：

刻蚀气源、流量：SF₆  50sccm；刻蚀功率：1500W；射频功率：20W；反应腔压力：82.2%；刻蚀总时间：15min。

（7）应用激光烧熔工艺将前述步骤形成的外围微盘2与内围微盘3的边缘部熔合形成环状盘腔结构（如图2f），获得目标产物。

上述的激光烧熔工艺，优选使用CO₂激光器；将汇聚后的CO₂激光垂直照射在前述获得的微盘上，从而将边缘受热且不能及时传热的氧化硅微环烧融，利用氧化硅熔融体的表面张力，通过自组织的形式在盘边缘形成表面极其光滑的环芯结构；

通过调节照射在盘面上的激光功率，可获得不同厚度及尺寸的边缘熔环。其中较为优选的工艺条件是：激光波长：约10.6μm；激光功率：50～200MWm^-2。

本发明将纳米硅量子点结构和高品质的微盘微腔结构有机结合起来，通过把纳米硅发光区域与高品质的微盘环芯结构相分离这一独特创造，即利用了纳米硅良好的光增益特性，又减少了谐振过程中的非辐射自由载流子吸收，保持了微腔结构的高品质特性，有利于实现更高的纳米硅光子发射效率，可以用于硅基激光器等的研究制备。器件制备工艺简单，参数精确可调，与现行成熟的硅工艺相兼容，同时也对推动硅激光器的研制以及研究光与物质的相互作用具有重要意义。

综上所述，通过实施例的具体描述，本发明制造工艺及产品结构已被详细地公示。然而，以上描述的实施例仅为深入理解本发明创新实质而提供，并非以此限制本发明具体实施方式的多样性，但凡基于上述实施例所作的等效替换或简单修改，均应该被包含于本发明专利请求的专利保护范围之内。

Claims (9)

1.一种同心环芯纳米硅微盘微腔器件，包括硅衬底和微盘，所述微盘经形成于硅衬底上微盘支柱与硅衬底连接，其特征在于，所述微盘包括同轴设置的外围微盘和内围微盘，所述内围微盘直接形成于外围微盘上，且所述外围微盘与内围微盘的边缘部熔合形成环状盘腔结构；所述的外围微盘为氧化硅薄膜层；所述内围微盘为含有硅纳米量子点结构的薄膜层。

2.根据权利要求1所述的同心环芯纳米硅微盘微腔器件，其特征在于：所述硅衬底采用<100>晶向的硅片。

3.根据权利要求1所述的同心环芯纳米硅微盘微腔器件，其特征在于：所述外围微盘厚度为0.5～3μm，半径为10～100μm。

4.根据权利要求1所述的同心环芯纳米硅微盘微腔器件，其特征在于：所述内围微盘为含有硅纳米量子点结构的富硅氧化硅薄膜层、氮化硅薄膜层和碳化硅薄膜层中的任意一种。

5.根据权利要求1或4所述的同心环芯纳米硅微盘微腔器件，其特征在于：所述内围微盘厚度为50～500nm，半径为5～95μm。

6.根据权利要求1所述的同心环芯纳米硅微盘微腔器件，其特征在于：所述微盘支柱的高度为5～50μm，直径比所述微盘的盘面直径小10μm以上。

7.如权利要求1所述的同心环芯纳米硅微盘微腔器件的制备方法，其特征在于，该方法为： 

首先，在清洗后的硅衬底上形成氧化硅薄膜层，进而在该氧化硅薄膜层上形成含有纳米硅量子点结构的薄膜层；

其后，采用微加工工艺在含有纳米硅量子点结构的薄膜层、氧化硅薄膜层和硅衬底上分别加工形成内围微盘和外围微盘和微盘支柱；

最后，将外围微盘与内围微盘的边缘部熔合形成环状盘腔结构，获得目标产物。

8.根据权利要求7所述的同心环芯纳米硅微盘微腔器件的制备方法，其特征在于，该方法具体包括一下步骤：

（1）清洗晶向为<100>的硅衬底；

（2）采用干法热氧化工艺，在硅衬底上形成氧化硅薄膜层，厚度为0.5～3μm；

（3）在上述的氧化硅薄膜上共形沉积工艺生长一层硅基薄膜：所述的硅基薄膜为富硅氧化硅薄膜、氮化硅薄膜和碳化硅薄膜中的任意一种，厚度为50～500nm；

（4）对硅基薄膜进行退火处理，使硅纳米量子点析出，形成含有纳米硅量子点结构的薄膜层；

（5）应用光刻工艺以及反应离子刻蚀工艺在含有纳米硅量子点结构的薄膜层上加工形成内围微盘，所述内围微盘的半径为5～95μm；

（6）应用光刻工艺以及反应离子刻蚀工艺在氧化硅薄膜层上加工形成外围微盘，所述外围微盘的半径为10～100μm；

（7）利用深反应离子刻蚀工艺在硅衬底上加工形成微盘支柱，所述的微盘支柱的高度为5～50μm，直径比前述步骤形成的盘面的直径小10μm以上；所述微盘支柱的上部与外围微盘的底部相连接；

（8）应用激光烧熔工艺将前述步骤形成的外围微盘与内围微盘的边缘部熔合形成环状盘腔结构，获得目标产物。

9.根据权利要求7或8所述的同心环芯纳米硅微盘微腔器件的制备方法，其特征在于，所述的共形沉积工艺包括PECVD工艺、LPCVD工艺、MOCVD工艺、溅射工艺和热蒸发工艺中的任意一种。

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