CN104466664A - 纳米硅同心微环芯掺铒激光器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种纳米硅同心微环芯掺铒激光器件及其制备方法。所述激光器件包括硅衬底和微盘，所述微盘经形成于所述硅衬底上的微盘支柱与所述硅衬底连接，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，所述外围微盘的边缘烧熔形成微环芯结构，所述外围微盘为边缘掺铒的氧化硅薄膜层，所述内围微盘为含有硅纳米量子点结构的薄膜层。本发明的纳米硅同心微环芯掺铒激光器件利用纳米硅良好的光增益特性，对铒离子进行较高效的光泵浦，既提高了自发辐射几率，同时又不会把纳米硅中载流子的吸收和其他损耗因素引入到微环芯边缘铒离子的增益激光模式中去，从而可以获得高品质的通讯波段微腔模式发射光。

Description

纳米硅同心微环芯掺铒激光器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件技术领域，更具体地讲，涉及一种纳米硅同心微环芯掺铒激光器件及其制备方法。

背景技术

随着微电子行业的迅速发展，电互联中一些不可避免的缺陷也显得日益严重，窄带宽、漏电现象、信号串联成了人们必须要面临的问题，与此同时，摩尔定律也将逐渐走向尽头。此时，用来代替电互联的光互联技术开始受到越来越多的关注。与CMOS和MEMS工艺相兼容的“硅光子学”也成为了当今众多芯片制造公司及科学研究机构关注的热点，但硅基光子互联芯片体系也遇到了一瓶颈性的难题，即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和界面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。把纳米硅和微盘微腔两结构结合起来，可以实现更高的纳米硅光子发射效率。

但是纳米硅的发光区域在可见光波段，这与现代信息传输所需的通讯波段还有很大一段距离。为此，人们需要寻找发光区域在通讯波段的其它增益材料。而Er³⁺从第一激发态跃迁到基态所辐射能量为0.8eV，对应的波长为1540nm，对应的是标准石英光纤的最小吸收窗口，即通讯波段。因此，掺铒硅材料在通讯波段的应用前景将十分光明。但是，掺铒硅材料的光增益受限于其非常小的光吸收截面和很差的电导性。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种能够将纳米硅量子点、掺铒硅材料和微环芯微腔三者有机结合起来，以实现硅光子互联中最需要的通讯波段的激光发射器件。该激光发射器件利用纳米硅良好的光增益特性，对铒离子进行较高效的光泵浦，既提高了自发辐射几率，又不会把纳米硅中载流子的吸收和其他损耗因素引入到微环芯边缘铒离子的增益激光模式中去，从而获得高品质的通讯波段微腔模式发射光。

为了实现上述目的，本发明提供了一种纳米硅同心微环芯掺铒激光器件，其包括硅衬底和微盘，所述微盘经形成于所述硅衬底上的微盘支柱与所述硅衬底连接，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，所述外围微盘的边缘烧熔形成微环芯结构，其中，所述外围微盘为边缘掺铒的氧化硅薄膜层，所述内围微盘为含有硅纳米量子点结构的薄膜层。

进一步地，所述外围微盘边缘掺铒的氧化硅薄膜层中铒离子的注入量为0.5×10¹⁶～5×10¹⁷cm^-2。

进一步地，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、氮化硅薄膜层或碳化硅薄膜层中的任意一种。

进一步地，所述内围微盘的厚度为50～500nm，所述内围微盘的半径为5～135μm。

进一步地，所述外围微盘的厚度为0.5～3μm，所述外围微盘的半径为10～140μm。

进一步地，所述微盘支柱的高度为5～60μm，所述微盘支柱的直径至少比所述微盘的盘面直径小10μm。

进一步地，所述硅衬底采用<100>晶向的硅片。

本发明还提供了一种纳米硅同心微环芯掺铒激光器件的制备方法，其包括：在清洗后的硅衬底上形成氧化硅薄膜层，并对氧化硅薄膜层的边缘进行铒离子注入；在所述氧化硅薄膜层上形成含有纳米硅量子点结构的薄膜层；采用微加工工艺在含有纳米硅量子点结构的薄膜层、边缘铒掺杂的氧化硅薄膜层和硅衬底上分别加工形成内围微盘、外围微盘和微盘支柱；将所述外围微盘的边缘部熔合形成微环芯结构。

进一步地，所述制备方法具体包括步骤：A、清洗晶向为<100>的硅衬底；B、采用干法热氧化工艺，在所述硅衬底上形成氧化硅薄膜层，所述氧化硅薄膜层的厚度为0.5～3μm；C、采用金属离子注入机在所述氧化硅薄膜层的边缘进行铒离子的注入，所述铒离子的注入量为0.5×10¹⁶～5×10¹⁷cm^-2；D、在所述氧化硅薄膜层上采用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、氮化硅薄膜或碳化硅薄膜中的任意一种，所述硅基薄膜的厚度为50～500nm；并对所述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；E、应用光刻工艺和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5～135μm；F、应用光刻工艺和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10～140μm；G、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，所述微盘支柱的直径至少比所述微盘的盘面直径小10μm，并且所述微盘支柱的顶部与所述外围微盘的底部相连接；H、应用激光烧熔工艺将所述外围微盘的边缘部烧熔形成微环芯结构。

进一步地，所述共形沉积工艺包括PECVD工艺、LPCVD工艺、MOCVD工艺、溅射工艺或热蒸发工艺中的任意一种。

本发明将纳米硅量子点、掺铒硅材料和微环芯微腔三者有机地结合起来，能实现更高的发射效率和更优质的模式提取；同时纳米硅与掺铒硅、微环芯微腔又有适当分离，即利用了纳米硅良好的光增益特性，对铒离子进行较高效的光泵浦，提高了自发辐射几率，同时又不会把纳米硅中载流子的吸收和其他损耗因素引入到微环芯边缘铒离子的增益激光模式中去，避免对激光模式造成干扰，从而获得高品质的通讯波段微腔模式发射光。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的纳米硅同心微环芯掺铒激光器件的二维剖面结构示意图。

图2a—2g是本发明一实施例提供的纳米硅同心微环芯掺铒激光器件的制备方法各个步骤的二维结构示意图。

具体实施方式

现在对本发明的实施例进行详细的描述，其示例表示在附图中，其中，相同的标号始终表示相同部件。下面通过参照附图对实施例进行描述以解释本发明。在附图中，为了清晰起见，可以夸大层和区域的厚度。在下面的描述中，为了避免公知结构和/或功能的不必要的详细描述所导致的本发明构思的混淆，可省略公知结构和/或功能的不必要的详细描述。

图1是本发明一实施例提供的纳米硅同心微环芯掺铒激光器件的二维剖面结构示意图。

参阅图1，本实施例提供的纳米硅同心微环芯掺铒激光器件包括硅衬底10和微盘20，其中，微盘20经形成于硅衬底10上的微盘支柱11与硅衬底10连接，微盘20包括同轴设置的外围微盘21和内围微盘22，内围微盘22直接形成于外围微盘21上，且外围微盘21的边缘被烧熔合形成微环芯结构；外围微盘21包括位于外围微盘21边缘的掺杂部（即微环芯结构）211和位于外围微盘21中心的未掺杂部212，其中掺杂部211为掺铒的氧化硅薄膜层，未掺杂部212为本征的氧化硅薄膜层（即未掺杂的氧化硅薄膜层）；内围微盘22为含有硅纳米量子点结构的薄膜层。

具体地，掺杂部211中铒离子的注入量为0.5×10¹⁶～5×10¹⁷cm^-2。

具体地，内围微盘22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中的任意一种，并且内围微盘22的厚度为50～500nm，内围微盘22的半径为5～135μm。外围微盘21厚度为0.5～3μm，并且其半径为10～140μm。微盘支柱11的高度为5～60μm，并且其直径至少比微盘20的盘面直径小10μm。

具体地，硅衬底10可采用晶向为<100>的硅片。

下文将对上述的纳米硅同心微环芯掺铒激光器件的制备方法进行详细的描述。

图2a—2g是本发明一实施例提供的纳米硅同心微环芯掺铒激光器件的制备方法各个步骤的二维结构示意图。

参阅图2a至2g，本实施例提供的一种纳米硅同心微环芯掺铒激光器件的制备方法包括：在清洗后的硅衬底10上形成氧化硅薄膜层21’，并对掺杂部211的氧化硅薄膜进行铒离子注入；在氧化硅薄膜层21’上形成含有纳米硅量子点结构的薄膜层22’；采用微加工工艺在含有纳米硅量子点结构的薄膜层22’、部分铒掺杂的氧化硅薄膜层21’和硅衬底10上分别加工形成内围微盘22、外围微盘21和微盘支柱11；将外围微盘21的边缘烧熔形成微环芯结构。

具体而言，本实施例提供的一种纳米硅同心微环芯掺铒激光器件的制备方法包括以下步骤：

A、清洗硅衬底10，其中硅衬底10的晶向为<100>；

B、采用干法热氧化工艺，在硅衬底10上形成氧化硅薄膜层21’，其中氧化硅薄膜层21’的厚度为0.5～3μm，如图2a所示；

在步骤B中，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。

本实施例的步骤B的具体工艺如下：所使用的仪器为氧化炉HDC8000A；氧化前可例如使用缓冲的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。氧化过程中的优选参数为：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，氧化时间可为0.5～20小时，本实施例中氧化时间优选为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。

C、采用金属离子注入机进行铒离子的注入，铒离子的注入量为0.5×10¹⁶～5×10¹⁷cm^-2，并在氩气保护中1000℃退火15s，如图2b所示。

在步骤C中，对部分氧化硅薄膜进行铒离子注入的工艺过程是，优选在紫外光刻机MA6和MEVVA（金属蒸汽真空弧）源强流金属离子注入机上进行。通过将光刻板上的图形向已获得的氧化硅薄膜上的转移，进而以光刻胶为掩膜材料，最后通过MEVVA源强流金属离子注入机对裸露在外面的氧化硅进行铒离子的注入。其中，束流密度为2～90μA·cm^-2，铒离子注入的加速电压为45KV，平均电荷为2.4，注入量为0.5×10¹⁶～5×10¹⁷cm^-2。离子注入完成后需用丙酮、异丙醇超声5～10min去除掩膜材料光刻胶，最后在氩气保护中1000℃退火15s。

D、在氧化硅薄膜21’上采用共形沉积工艺生长一层硅基薄膜，其中，硅基薄膜为富硅氧化硅薄膜、氮化硅薄膜或碳化硅薄膜中的任意一种，硅基薄膜的厚度为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22’，如图2c所示。

在步骤D中，共形沉积工艺包括PECVD工艺、LPCVD工艺、MOCVD工艺、溅射工艺或热蒸发工艺中的任意一种。

以富硅氧化硅薄膜的PECVD法生长工艺为例，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，可以实现调节该富硅氧化硅薄膜的组分和厚度。其中一种较为优选的工艺条件是：沉积气源：SiH₄、N₂O、Ar；沉积气源流量对应分别为：3～55sccm、710sccm、180sccm；射频功率：20W；反应腔压力：2000mTorr。

步骤D中的退火处理工艺优选在Ar或N₂的保护下进行，先在400～500℃的温度下进行去氢处理，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。以富硅氧化硅薄膜的退火工艺为例，其中一种较为优选的工艺的条件是：在N₂的保护下，把样品在退火炉中升温至450℃并保温约半小时以达到除氢的目的，然后继续升温至1200℃并保温约半至一小时，从而使硅纳米晶量子点能均匀地析出，然后再自然降温至室温。

E、应用光刻工艺和反应离子刻蚀工艺在含有纳米硅量子点结构的薄膜层22’上加工形成内围微盘22，内围微盘的半径为5～135μm，如图2d所示；

F、应用光刻工艺和反应离子刻蚀工艺在氧化硅薄膜层21’上加工形成外围微盘21，外围微盘的半径为10～140μm，如图2e所示；

步骤E和F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，其具体操作如下：

所使用的仪器为六英寸双面对准光刻机（SUSSMA6/BA6）和反应离子刻蚀机（Tegal903e）；

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；

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、4～10sccm，CHF₃、20～50sccm，He、50～200sccm；射频功率：50～400W；反应腔压力：1000～2000mTorr；前后两次刻蚀时间分别为2～5min和15～40min；第一次刻蚀完成后需用丙酮、异丙醇超声5～10min去除掩膜材料光刻胶，第二次刻蚀完成后光刻胶先不去除，用于后面的深反应离子刻蚀。

G、利用深反应离子刻蚀工艺在硅衬底10上加工形成微盘支柱11，其中，微盘支柱11的高度为5～50μm，其直径比外围微盘21的盘面直径至少小10μm；微盘支柱11的顶部与外围微盘21的底部相连接，如图2f所示；

步骤G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，以前述反应离子刻蚀后剩余的光刻胶为掩膜材料，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：5mTorr；刻蚀总时间：10～30min。

刻蚀完成后需用丙酮、异丙醇、去离子水各浸泡5～10min去除掩膜材料光刻胶。

H、应用激光烧熔工艺将外围微盘21的边缘烧熔形成微环芯结构，获得目标产物，如图2g所示。

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盘面上，从而将外围微盘21的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。

综上所述，本发明提供的纳米硅同心微环芯掺铒激光器件将纳米硅量子点、掺铒硅材料和微环芯微腔三者有机地结合起来，能实现更高的发射效率和更优质的模式提取；同时纳米硅与掺铒硅、微环芯微腔又有适当分离，即利用了纳米硅良好的光增益特性，对铒离子进行较高效的光泵浦，提高了自发辐射几率，同时又不会把纳米硅中载流子的吸收和其他损耗因素引入到微环芯边缘铒离子的增益激光模式中去，避免对激光模式造成干扰，从而获得高品质的通讯波段微腔模式发射光。

虽然本发明是参照其示例性的实施例被具体描述和显示的，但是本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种改变。

Claims (10)

1.一种纳米硅同心微环芯掺铒激光器件，包括硅衬底和微盘，所述微盘经形成于所述硅衬底上的微盘支柱与所述硅衬底连接，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，所述外围微盘的边缘烧熔形成微环芯结构，其特征在于，所述外围微盘为边缘掺铒的氧化硅薄膜层，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所述的纳米硅同心微环芯掺铒激光器件，其特征在于，所述外围微盘边缘掺铒的氧化硅薄膜层中铒离子的注入量为0.5×10¹⁶～5×10¹⁷cm^-2。

3.根据权利要求1所述的纳米硅同心微环芯掺铒激光器件，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、氮化硅薄膜层或碳化硅薄膜层中的任意一种。

4.根据权利要求1或3所述的纳米硅同心微环芯掺铒激光器件，其特征在于，所述内围微盘的厚度为50～500nm，所述内围微盘的半径为5～135μm。

5.根据权利要求1所述的纳米硅同心微环芯掺铒激光器件，其特征在于，所述外围微盘的厚度为0.5～3μm，所述外围微盘的半径为10～140μm。

6.根据权利要求1所述的纳米硅同心微环芯掺铒激光器件，其特征在于，所述微盘支柱的高度为5～60μm，所述微盘支柱的直径至少比所述微盘的盘面直径小10μm。

7.根据权利要求1所述的纳米硅同心微环芯掺铒激光器件，其特征在于，所述硅衬底采用<100>晶向的硅片。

8.如权利要求1所述的纳米硅同心微环芯掺铒激光器件的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

在清洗后的硅衬底上形成氧化硅薄膜层，并对氧化硅薄膜层的边缘进行铒离子注入；

在所述氧化硅薄膜层上形成含有纳米硅量子点结构的薄膜层；

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

将所述外围微盘的边缘部熔合形成微环芯结构。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法具体包括步骤：

A、清洗晶向为<100>的硅衬底；

B、采用干法热氧化工艺，在所述硅衬底上形成氧化硅薄膜层，所述氧化硅薄膜层的厚度为0.5～3μm；

C、采用金属离子注入机在所述氧化硅薄膜层的边缘进行铒离子的注入，所述铒离子的注入量为0.5×10¹⁶～5×10¹⁷cm^-2。

D、在所述氧化硅薄膜层上采用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、氮化硅薄膜或碳化硅薄膜中的任意一种，所述硅基薄膜的厚度为50～500nm；并对所述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；

E、应用光刻工艺和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5～135μm；

F、应用光刻工艺和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10～140μm；

G、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，所述微盘支柱的直径至少比所述微盘的盘面直径小10μm，并且所述微盘支柱的顶部与所述外围微盘的底部相连接；

H、应用激光烧熔工艺将所述外围微盘的边缘部烧熔形成微环芯结构。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述共形沉积工艺包括PECVD工艺、LPCVD工艺、MOCVD工艺、溅射工艺或热蒸发工艺中的任意一种。