CN111564534A - 一种单光子源的制备方法及单光子源和集成光学器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单光子源的制备方法及单光子源和集成光学器件，本发明通过在SiC晶圆<0001>面形成氧化硅保护层；在氧化硅保护层上制备掩膜；对SiC晶圆进行离子注入形成缺陷层；去除掩膜；将注入结构沿氧化硅保护层表面与另一带介质层的衬底键合；对键合结构退火；对剥离得到的表面SiC薄膜做后处理，再进行离子注入的方法步骤，将SiC薄膜经离子注入转移至衬底上，有利于避免注入损伤，有效克服了现有的SOI工艺制备的SiC薄膜因离子注入缺陷造成薄膜质量差、无法制备单光子源以及光损耗严重的问题，得到的单晶SiC薄膜和可控单光子源阵列具有高均匀性，高质量性，有利于制备高性能SiC基集成光学器件。
Description
技术领域
本发明涉及电子信息功能材料与器件技术领域，尤其涉及一种单光子源的制备方法及单光子源和集成光学器件。
背景技术
作为第三代半导体中的代表性材料，SiC(碳化硅)结合了宽带隙(2.4eV-3.2eV)，高物理强度(莫氏硬度9.5，努氏硬度2480kg/mm2)，高热导率(480W/mK)，高抗腐蚀性，高熔点，高光学二阶三阶非线性系数，宽透光窗口(0.37-5.6μm)，广域缺陷发光窗口(可见光至中红外)等多方面的优异特性于一身，是集成光学、非线性和光机械器件的理想材料。高折射率实现了光学模式的高限制，在色散领域将带来更大的灵活性；宽带隙使得在大功率下的光吸收损失最小化；高二阶和三阶使得SiC在非线性光学应用中具有出色的性能；而广域缺陷发光窗口又使其是用作光源的理想材料。
SiC材料具有200多种晶型，其中应用最多的是3C-SiC，4H-SiC和6H-SiC。3C-SiC薄膜主要是利用常压化学气相沉积(APCVD)和减压化学气相沉积(RPCVD)的方法，在Si衬底表面沉积SiC薄膜。用这种方法制备的3C-SiC薄膜主要是多晶薄膜，晶体质量无法达到单晶。然而，由于4H-SiC和6H-SiC的生长温度大于硅的熔点温度，无法通过传统薄膜沉积异质外延的方法在硅衬底生长单晶SiC薄膜，而在SiC上异质外延SiC薄膜，则由于没有中间氧化层的阻隔，造成光学器件性能下降。因此，这造成了SiC薄膜在针对集成光学应用的生长上的难题。而且，由于SiC具有自身硬度大和耐腐蚀等特性，直接加工体材料同样十分困难。目前，现有技术中已知的高均匀性的SiC异质集成薄膜的制备方法主要有两种，一种是利用离子注入智能剥离的方法，另一种是利用键合后机械研磨减薄的方法。前者由于离子注入的损伤会造成器件性能下降的问题，而后者则因为减薄工艺对薄膜厚度控制极差，而薄膜厚度偏差大易造成器件间性能差距大，从而无法可控制备的问题。
有鉴于此，有必要提出一种单光子源的制备方法及单光子源和集成光学器件，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单光子源的制备方法及单光子源和集成光学器件，用以克服上述背景技术中的技术问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明第一方面提供一种单光子源的制备方法，所述制备方法至少包括以下步骤：
提供一SiC晶圆，在所述SiC晶圆的<0001>面形成氧化硅保护层；
利用光刻方法在所述氧化硅保护层上形成掩膜，所述掩膜由圆形掩膜图案组成的阵列形成；
对所述SiC晶圆进行离子注入，形成在所述SiC晶圆内部具有缺陷层的注入结构；
采用剥离工艺去除所述掩膜；
提供一带介质层的衬底，将所述注入结构沿所述氧化硅保护层表面与所述介质层键合，形成键合结构；
对所述键合结构进行退火剥离，所述键合结构在所述缺陷层处分离，得到表面SiC薄膜；
对所述表面SiC薄膜做后处理，而后进行离子注入，从而制备得到单光子源。
进一步地，在提供一SiC晶圆，在所述SiC晶圆的<0001>面形成氧化硅保护层的步骤中，所述氧化硅保护层的厚度为200nm～3μm，所述氧化硅保护层的形成方法为湿法热氧化，热氧化温度为1000～1150℃，氧化时间为30min～12h。
进一步地，在利用光刻方法在所述氧化硅保护层上形成掩膜，所述掩膜由圆形掩膜图案组成的阵列形成的步骤中，所述掩膜的厚度为1～5μm，所述圆形掩膜图案的直径为0.5μm～5mm，相邻两个所述圆形掩膜图案间隔为100nm～5mm。
进一步地，在对所述SiC晶圆进行离子注入，形成在所述SiC晶圆内部具有缺陷层的注入结构的步骤中，注入离子沿所述SiC晶圆的<0001>面注入，注入离子为H或He，注入剂量为1×1015～1×1018cm-2，注入能量为20keV～2MeV。
进一步地，在采用剥离工艺去除所述掩膜的步骤中，所述剥离工艺采用的溶液为去胶液、浓硫酸、丙酮和酒精中的任意一种。
进一步地，在提供一带介质层的衬底，将所述注入结构沿所述氧化硅保护层表面与所述介质层键合，形成键合结构构的步骤中，所述衬底的材料为Si、SiC、Al2O3和金刚石中的任意一种；所述介质层为氧化硅、氧化铝和氮化硅中的任意一种，所述介质层的厚度为0nm～5μm，键合方式为直接键合，键合温度为室温至800℃。
进一步地，在提供一带介质层的衬底，将所述注入结构沿所述氧化硅保护层表面与所述介质层键合，形成键合结构的步骤中，在键合前所述注入结构和所述衬底均采用等离子激活处理，等离子激活所用气体为N2、O2和Ar中的任意一种。
进一步地，在对所述键合结构进行退火剥离，所述键合结构在所述缺陷层处分离，得到表面SiC薄膜的步骤中，退火温度为500～1300℃，退火时间为0.5～24h，退火气氛为氮气、氩气、氢气和真空中的任意一种。
进一步地，在对所述表面SiC薄膜做后处理，而后进行离子注入，从而制备得到单光子源的步骤中，后处理方法为高温退火、化学机械抛光、反应离子刻蚀、离子束刻蚀和离子束掠入射抛光中的任意一种，其中，高温退火温度为900～1500℃；注入离子为H、He、N、V、Al、中子和电子中的任意一种，注入能量为20keV～10MeV，注入剂量为1×1013～1×1019cm-2。
进一步地，在对所述表面SiC薄膜做后处理，而后进行离子注入，从而制备得到单光子源的步骤中，离子注入之后还包括后退火处理，退火温度为室温，或800～1500℃，退火气氛为氮气、氩气、氢气和真空中的任意一种。
本发明第二方面提供一种单光子源，所述单光子源采用上述的单光子源的制备方法制备得到。
本发明第三方面提供一种集成光学器件，所述集成光学器件基于上述的单光子源制备得到。
进一步地，所述集成光学器件的高度不大于5μm，宽度不大于10μm。
进一步地，在所述集成光学器件上对应的SiC薄膜表面覆盖有SiO2层，所述SiO2层用于限制光学模场，所述SiO2层的厚度不大于5μm。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明将SiC薄膜经离子注入转移至衬底上，能够有效避免注入损伤，可以有效克服传统SOI工艺制备的SiC薄膜因离子注入缺陷造成薄膜质量差、无法制备单光子源以及光损耗严重的问题，本发明实现制备高质量SiC单晶薄膜和阵列化可控制备高性能光子学器件，制备得到的单晶SiC薄膜和可控单光子源阵列具有高均匀性、高质量的优点，从而有利于制备高性能SiC基集成光学器件；本发明方法制备的的SiC薄膜材料和目前的硅基工艺兼容，易于和主流硅基微纳产品集成，有利于推动SiC薄膜材料在集成光子学器件领域的发展与应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，需说明的是，附图并未按照比例绘制，附图均采用非常简化的形式，仅用以方便、明晰地辅助说明本实施例的目的。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取其它附图。
图1是本发明实施例的单光子源的制备方法的方法流程图；
图2是本发明实施例的单光子源的制备方法中步骤S1对应的结构示意图；
图3是本发明实施例的单光子源的制备方法中步骤S2对应的结构示意图；
图4是本发明实施例的单光子源的制备方法中步骤S3对应的结构示意图；
图5是本发明实施例的单光子源的制备方法中步骤S4对应的结构示意图；
图6是本发明实施例的单光子源的制备方法中步骤S5对应的结构示意图；
图7是本发明实施例的单光子源的制备方法中步骤S6对应的结构示意图；
图8是本发明实施例的单光子源的制备方法中步骤S7对应的结构示意图；
图9是基于本发明实施例中的单光子源制备集成光学器件的示意图；
其中，图中附图标记对应为：1-SiC晶圆、2-氧化硅保护层、3-掩膜、4-缺陷层、5-衬底、6-介质层、7-键合结构、8-SiC薄膜。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种单光子源的制备方法，本实施例中的制备方法至少包括以下步骤：
S1、提供一SiC晶圆，在SiC晶圆1的<0001>面形成氧化硅保护层2，其中，氧化硅保护层2的厚度为3μm，氧化硅保护层2的形成方法为湿法热氧化，热氧化温度为1000℃，氧化时间12h；
S2、利用光刻方法在氧化硅保护层2上形成掩膜3，掩膜3由圆形掩膜图案组成的阵列形成，其中，掩膜3的厚度为5μm，圆形掩膜图案的直径为500μm，相邻两个圆形掩膜图案间隔5mm；
S3、对SiC晶圆1进行离子注入，形成在SiC晶圆1内部具有缺陷层4的注入结构，其中，注入离子沿SiC晶圆1的<0001>面注入，注入离子为H，注入剂量为1×1018cm-2，注入能量为20keV；
S4、采用剥离工艺去除掩膜3，其中，剥离工艺采用的溶液为去胶液；
S5、提供一带氧化硅介质层6的Si衬底5，将注入结构沿氧化硅保护层2表面与氧化硅介质层6键合，形成键合结构7，其中，氧化硅介质层6的厚度为5μm，键合方式为直接键合，键合温度为700℃；在键合前注入结构和衬底5均采用等离子激活处理，等离子激活所用气体为N2；
S6、对键合结构7进行退火剥离，退火温度为800℃，退火时间为24h，退火气氛为氮气，键合结构在缺陷层处分离，得到表面SiC薄膜8；
S7、对表面SiC薄膜8做高温退火处理，高温退火温度为1000℃，而后进行离子注入，注入离子为H，注入能量为20keV，注入剂量为1×1014cm-2，从而制备得到单光子源。
本实施例中，通过在SiC晶圆<0001>面形成氧化硅保护层；在氧化硅保护层上制备掩膜；对SiC晶圆进行离子注入形成缺陷层；去除掩膜；将注入结构沿氧化硅保护层表面与另一带介质层的衬底键合；对键合结构退火剥离，得到的表面SiC薄膜，则原掩膜覆盖区域的SiC没有离子注入造成的缺陷损伤，本实施将SiC薄膜经离子注入转移至衬底上，能够有效避免注入损伤，可以有效克服传统SOI工艺制备的SiC薄膜因离子注入缺陷造成薄膜质量差、无法制备单光子源以及光损耗严重的问题，本发明实现制备高质量SiC单晶薄膜和阵列化可控制备高性能光子学器件，制备得到的单晶SiC薄膜和可控单光子源阵列具有高均匀性、高质量的优点，从而有利于制备高性能SiC基集成光学器件；本发明方法制备的的SiC薄膜材料和目前的硅基工艺兼容，易于和主流硅基微纳产品集成，有利于推动SiC薄膜材料在集成光子学器件领域的发展与应用。
实施例2
本实施例提供了一种单光子源的制备方法，本实施例中的制备方法至少包括以下步骤：
S1、提供一SiC晶圆1，在SiC晶圆1的<0001>面形成氧化硅保护层2，其中，氧化硅保护层2的厚度为1μm，氧化硅保护层2的形成方法为湿法热氧化，热氧化温度为1150℃，氧化时间1h；
S2、利用光刻方法在氧化硅保护层2上形成掩膜3，掩膜3由圆形掩膜图案组成的阵列形成，其中，掩膜3的厚度为4μm，圆形掩膜图案的直径为5mm，相邻两个圆形掩膜图案间隔100nm；
S3、对SiC晶圆1进行离子注入，形成在SiC晶圆1内部具有缺陷层4的注入结构，注入离子沿所述SiC晶圆1的<0001>面注入，注入离子为He，注入剂量为1×1015cm-2，注入能量为2MeV；
S4、采用剥离工艺去除掩膜3，其中，剥离工艺采用的溶液为浓硫酸；
S5、提供一带氧化铝介质层6的SiC衬底5，将注入结构沿氧化硅保护层2表面与氧化铝介质层6键合，形成键合结构7，其中，氧化铝介质层6的厚度为3μm，键合方式为直接键合，键合温度为400℃；在键合前注入结构和衬底5均采用等离子激活处理，等离子激活所用气体为O2；
S6、对键合结构7进行退火剥离，退火温度为1000℃，退火时间为0.5h，退火气氛为氩气，键合结构7在缺陷层处分离，得到表面SiC薄膜8；
S7、对表面SiC薄膜8做高温退火处理，高温退火温度为1300℃，而后进行离子注入，注入离子为H，注入能量为200keV，注入剂量为1×1016cm-2，从而制备得到单光子源。
实施例3
本实施例提供了一种单光子源的制备方法，本实施例中的制备方法至少包括以下步骤：
S1、提供一SiC晶圆1，在SiC晶圆1的<0001>面形成氧化硅保护层2，其中，氧化硅保护层2的厚度为3μm，氧化硅保护层2的形成方法为等离子体增强化学的气相沉积法；
S2、利用光刻方法在氧化硅保护层2上形成掩膜3，所述掩膜3由圆形掩膜图案组成的阵列形成，其中，掩膜3的厚度为3μm，圆形掩膜图案的直径为3mm，相邻两个圆形掩膜图案间隔4mm；
S3、对SiC晶圆1进行离子注入，形成在SiC晶圆1内部具有缺陷层4的注入结构，注入离子沿所述SiC晶圆1的<0001>面注入，注入离子为He，注入剂量为1×1016cm-2，注入能量为300keV；
S4、采用剥离工艺去除掩膜3，其中，剥离工艺采用的溶液为丙酮；
S5、提供一带氮化硅介质层6的Al2O3衬底5，将注入结构沿氧化硅保护层2表面与氮化硅介质层6键合，形成键合结构7，其中，氮化硅介质层6的厚度为4μm，键合方式为直接键合，键合温度为室温；在键合前注入结构和衬底5均采用等离子激活处理，等离子激活所用气体为Ar；
S6、对键合结构7进行退火剥离，退火温度为1000℃，退火时间为1h，退火气氛为氢气得到表面SiC薄膜8；
S7、对表面SiC薄膜8做高温退火处理，高温退火温度为900℃，而后进行离子注入，注入离子为N，注入能量为1MeV，注入剂量为1×1015cm-2，从而制备得到单光子源。
实施例4
本实施例提供一种单光子源的制备方法，本实施例中的制备方法至少包括以下步骤：
S1、提供一SiC晶圆1，在SiC晶圆1的<0001>面形成氧化硅保护层2，其中，氧化硅保护层2的厚度为3μm，氧化硅保护层2的形成方法为低压力化学气相沉积法；
S2、利用光刻方法在氧化硅保护层2上形成掩膜3，掩膜3由圆形掩膜图案组成的阵列形成，其中，掩膜3的厚度为4μm，圆形掩膜图案的直径为2mm，相邻两个圆形掩膜图案间隔3mm；
S3、对SiC晶圆1进行离子注入，形成在SiC晶圆1内部具有缺陷层4的注入结构，注入离子沿SiC晶圆1的<0001>面注入，注入离子为H，注入剂量为1×1016cm-2，注入能量为200keV；
S4、采用剥离工艺去除掩膜3，剥离工艺采用的溶液为酒精；
S5、提供一带氧化硅介质层6的金刚石衬底5，将所述注入结构沿所述氧化硅保护层2表面与氧化硅介质层6键合，形成键合结构7，氧化硅介质层6的厚度为0nm，键合方式为直接键合，键合温度为200℃；在键合前注入结构和衬底5均采用等离子激活处理，等离子激活所用气体为N2；
S6、对键合结构7进行退火剥离，退火温度为1300℃，退火时间为10h，退火气氛为真空，得到表面SiC薄膜8；
S7、对表面SiC薄膜8做高温退火处理，高温退火温度为1500℃，而后进行离子注入，注入离子为V，注入能量为2MeV，注入剂量为1×1015cm-2，再进行后退火处理，退火温度为800℃，退火气氛为氩气，从而制备得到单光子源。
实施例5
本实施例提供一种单光子源的制备方法，本实施例中的制备方法至少包括以下步骤：
S1、提供一SiC晶圆1，在SiC晶圆1的<0001>面形成氧化硅保护层2，其中，氧化硅保护层2的厚度为2μm，氧化硅保护层2的形成方法为低压力化学气相沉积法；
S2、利用光刻方法在氧化硅保护层2上形成掩膜3，掩膜3由圆形掩膜图案组成的阵列形成，其中，掩膜3的厚度为2μm，圆形掩膜图案的直径为1mm，相邻两个圆形掩膜图案间隔2mm；
S3、对SiC晶圆1进行离子注入，形成在SiC晶圆1内部具有缺陷层4的注入结构，注入离子沿SiC晶圆的<0001>面注入，注入离子为H，注入剂量为1×1017cm-2，注入能量为1MeV；
S4、采用剥离工艺去除掩膜3，其中，剥离工艺采用的溶液为酒精；
S5、提供一带氧化硅介质层6的Si衬底5，将所述注入结构沿所述氧化硅保护层2表面与氧化硅介质层6键合，形成键合结构7，其中，氧化硅介质层6的厚度为2μm，键合方式为直接键合，键合温度为100℃；在键合前注入结构和Si衬底5均采用等离子激活处理，等离子激活所用气体为O2；
S6、对键合结构7进行退火剥离，退火温度为900℃，退火时间为5h，退火气氛为真空，键合结构7在缺陷层处分离，得到表面SiC薄膜8；
S7、对表面SiC薄膜8做离子束刻蚀处理，而后进行离子注入，注入离子为Al，注入能量为0.5MeV，注入剂量为1×1014cm-2，再进行后退火处理，退火温度为1100℃，退火气氛为氢气，从而制备得到单光子源。
实施例6
本实施例提供一种单光子源的制备方法，本实施例中的制备方法至少包括以下步骤：
S1、提供一SiC晶圆1，在SiC晶圆1的<0001>面形成氧化硅保护层2，其中，氧化硅保护层2的厚度为1μm，氧化硅保护层2的形成方法为湿法热氧化法，热氧化温度为1100℃，氧化时间10h；
S2、利用光刻方法在所述氧化硅保护层2上形成掩膜3，掩膜3由圆形掩膜图案组成的阵列形成，其中，掩膜3的厚度为1.5μm，圆形掩膜图案的直径10μm，相邻两个圆形掩膜图案间隔1mm；
S3、对SiC晶圆1进行离子注入，形成在SiC晶圆1内部具有缺陷层4的注入结构，注入离子沿所述SiC晶圆的<0001>面注入，注入离子为H，注入剂量为1×1019cm-2，注入能量为2MeV；
S4、采用剥离工艺去除掩膜3，其中，剥离工艺采用的溶液为去胶液；
S5、提供一带氧化铝介质层6的SiC衬底5，将所述注入结构沿所述氧化硅保护层2表面与氧化铝介质层6键合，形成键合结构7，其中，氧化铝介质层6的厚度为0.5μm，键合方式为直接键合，键合温度为100℃；在键合前注入结构和SiC衬底5均采用等离子激活处理，等离子激活所用气体为Ar；
S6、对键合结构7进行退火剥离，退火温度为900℃，退火时间为15h，退火气氛为真空，键合结构7在缺陷层处分离，得到表面SiC薄膜8；
S7、对表面SiC薄膜8做离子束掠入射抛光处理，而后进行离子注入，注入离子为中子，注入能量为5MeV，注入剂量为1×1019cm-2，再进行后退火处理，退火温度为1500℃，退火气氛为真空，从而制备得到单光子源。
实施例7
本实施例提供了一种单光子源的制备方法，本实施例中的制备方法至少包括以下步骤：
S1、提供一SiC晶圆1，在SiC晶圆1的<0001>面形成氧化硅保护层2厚度为200nm，形成氧化硅保护层2的湿法热氧化法，热氧化温度为1150℃，其氧化时间30min；
S2、利用光刻方法在氧化硅保护层2上形成掩膜3，掩膜3由圆形掩膜图案组成的阵列形成，其中，掩膜3的厚度为1μm，圆形掩膜图案的直径0.5μm，相邻两个圆形掩膜图案间隔0.5mm；
S3、对SiC晶圆1进行离子注入，形成在SiC晶圆1内部具有缺陷层4的注入结构，注入离子沿SiC晶圆的<0001>面注入，注入离子为He，注入剂量为1×1016cm-2，注入能量为0.5MeV；
S4、采用剥离工艺去除掩膜3，其中，剥离工艺采用的溶液为去胶液；
S5、提供一带氧化硅介质层6的金刚石衬底5，将注入结构沿氧化硅保护层2表面与氧化硅介质层6键合，形成键合结构7，其中，氧化硅介质层6的厚度为1μm，键合方式为直接键合，键合温度为800℃；在键合前注入结构和衬底5均采用等离子激活处理，等离子激活所用气体为N2；
S6、对键合结构7进行退火剥离，退火温度为500℃，退火时间为20h，退火气氛为真空，键合结构7在缺陷层处分离，得到表面SiC薄膜8；
S7、对表面SiC薄膜8做离子束掠入射抛光处理，而后进行离子注入，注入离子为电子，注入能量为10MeV，注入剂量为1×1013cm-2，再进行后退火处理，退火温度为1000℃，退火气氛为氮气，从而制备得到单光子源。
需要说明的是，在上述实施例中，在步骤S2中，图形范围直径的设置大于整个器件的尺寸。在步骤S3中，SiC的剥离工艺一般使用轻离子，通常使用H，He，实际上，H的使用更为普遍和容易，对于剥离机制来说，注入能量越大，则剥离所需离子剂量越高。在步骤S5中，室温为键合的常规工艺，而高温键合则是为了平衡SiC与衬底间的热应力做出的改进工艺，是的键合结构的衬底弯曲度更小，衬底更平。在步骤S6中，根据温度选择的不同，退火过程所需时间有着巨大差别。高温下很快，低温下极慢。需要指出的是，退火温度需要高于键合温度低于后退火温度，工艺参数的规律是，退火温度越高，则所需时间越短，而这两个参数又与注入离子种类、剂量、能量密切关联。在步骤S7中，注入离子种类的不同可以形成不同波长的单光子源，在器件设计中需要详细考虑到，进行针对性设计。注入能量与单光子源在薄膜中的分布相关，注入剂量与离子种类相关。注入离子后进行后退火处理的退火温度可以为室温，即不经过退火处理。
实施例8
本实施例提供一种单光子源，本实施例中的单光子源采用上述实施例中的单光子源的制备方法制备得到。
实施例9
本实施例提供一种集成光学器件，本实施例中的集成光学器件基于上述实施例中的单光子源制备。
作为一种具体的实施方式，在掩膜覆盖的对应位置的SiC薄膜上有单光子源区域制备集成光学器件，如调制器、波导、微腔等器件结构。
作为一种具体的实施方式，制备方法为电子束曝光或等离子反应刻蚀等，等离子反应刻蚀所用气体为SF6、CF4、O2和Ar中的任意一种。
作为一种具体的实施方式，制备的单个SiC器件结构的总尺度为0～200μm，高度不大于5μm，宽度不大于10μm。
作为一种具体的实施方式，在器件结构制备完毕后在键合结构SiC薄膜表面覆盖SiO2层用于限制光学模场，SiO2厚度不大于5μm，生长方法为等离子体增强化学的气相沉积法或低压力化学气相沉积法，处理方法为化学机械抛光。
本发明的上述实施例，具有如下有益效果：
本发明将SiC薄膜经离子注入转移至衬底上，能够有效避免注入损伤，可以有效克服传统SOI工艺制备的SiC薄膜因离子注入缺陷造成薄膜质量差、无法制备单光子源以及光损耗严重的问题，本发明实现制备高质量SiC单晶薄膜和阵列化可控制备高性能光子学器件，制备得到的单晶SiC薄膜和可控单光子源阵列具有高均匀性、高质量的优点，从而有利于制备高性能SiC基集成光学器件；本发明方法制备的的SiC薄膜材料和目前的硅基工艺兼容，易于和主流硅基微纳产品集成，有利于推动SiC薄膜材料在集成光子学器件领域的发展与应用。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (14)
1.一种单光子源的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括以下步骤：
提供一SiC晶圆，在所述SiC晶圆的<0001>面形成氧化硅保护层；
利用光刻方法在所述氧化硅保护层上形成掩膜，所述掩膜由圆形掩膜图案组成的阵列形成；
对所述SiC晶圆进行离子注入，形成在所述SiC晶圆内部具有缺陷层的注入结构；
采用剥离工艺去除所述掩膜；
提供一带介质层的衬底，将所述注入结构沿所述氧化硅保护层表面与所述介质层键合，形成键合结构；
对所述键合结构进行退火剥离，所述键合结构在所述缺陷层处分离，得到表面SiC薄膜；
对所述表面SiC薄膜做后处理，而后进行离子注入，从而制备得到单光子源。
2.根据权利要求1所述的单光子源的制备方法，其特征在于，在提供一SiC晶圆，在所述SiC晶圆的<0001>面形成氧化硅保护层的步骤中，所述氧化硅保护层的厚度为200nm～3μm，所述氧化硅保护层的形成方法为湿法热氧化，热氧化温度为1000～1150℃，氧化时间为30min～12h。
3.根据权利要求1所述的单光子源的制备方法，其特征在于，在利用光刻方法在所述氧化硅保护层上形成掩膜，所述掩膜由圆形掩膜图案组成的阵列形成的步骤中，所述掩膜的厚度为1～5μm，所述圆形掩膜图案的直径为0.5μm～5mm，相邻两个所述圆形掩膜图案间隔为100nm～5mm。
4.根据权利要求1所述的单光子源的制备方法，其特征在于，在对所述SiC晶圆进行离子注入，形成在所述SiC晶圆内部具有缺陷层的注入结构的步骤中，注入离子沿所述SiC晶圆的<0001>面注入，注入离子为H或He，注入剂量为1×1015～1×1018cm-2，注入能量为20keV～2MeV。
5.根据权利要求1所述的单光子源的制备方法，其特征在于，在采用剥离工艺去除所述掩膜的步骤中，所述剥离工艺采用的溶液为去胶液、浓硫酸、丙酮和酒精中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的单光子源的制备方法，其特征在于，在提供一带介质层的衬底，将所述注入结构沿所述氧化硅保护层表面与所述介质层键合，形成键合结构的步骤中，所述衬底的材料为Si、SiC、Al2O3和金刚石中的任意一种；所述介质层为氧化硅、氧化铝和氮化硅中的任意一种，所述介质层的厚度为0nm～5μm，键合方式为直接键合，键合温度为室温～800℃。
7.根据权利要求1所述的单光子源的制备方法，其特征在于，在提供一带介质层的衬底，将所述注入结构沿所述氧化硅保护层表面与所述介质层键合，形成键合结构的步骤中，在键合前所述注入结构和所述衬底均采用等离子激活处理，等离子激活所用气体为N2、O2和Ar中的任意一种。
8.根据权利要求1所述的单光子源的制备方法，其特征在于，在对所述键合结构进行退火剥离，所述键合结构在所述缺陷层处分离，得到表面SiC薄膜的步骤中，退火温度为500～1300℃，退火时间为0.5～24h，退火气氛为氮气、氩气、氢气和真空中的任意一种。
9.根据权利要求1所述的单光子源的制备方法，其特征在于，在对所述表面SiC薄膜做后处理，而后进行离子注入，从而制备得到单光子源的步骤中，后处理方法为高温退火、化学机械抛光、反应离子刻蚀、离子束刻蚀和离子束掠入射抛光中的任意一种，其中，高温退火温度为900～1500℃；注入离子为H、He、N、V、Al、中子和电子中的任意一种，注入能量为20keV～10MeV，注入剂量为1×1013～1×1019cm-2。
10.根据权利要求1所述的单光子源的制备方法，其特征在于，在对所述表面SiC薄膜做后处理，而后进行离子注入，从而制备得到单光子源的步骤中，离子注入之后还包括后退火处理，退火温度为室温，或800～1500℃，退火气氛为氮气、氩气、氢气和真空中的任意一种。
11.一种单光子源，其特征在于，所述单光子源采用如权利要求1-10中任一所述的单光子源的制备方法制备得到。
12.一种集成光学器件，其特征在于，所述集成光学器件基于权利要求11所述的单光子源制备得到。
13.根据权利要求12所述的集成光学器件，其特征在于，所述集成光学器件的高度不大于5μm，宽度不大于10μm。
14.根据权利要求12所述的集成光学器件，其特征在于，在所述集成光学器件上对应的SiC薄膜表面覆盖有SiO2层，所述SiO2层用于限制光学模场，所述SiO2层的厚度不大于5μm。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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