硅基氮化物材料的氧化铪悬空谐振光子器件及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种硅基氮化物材料的氧化铪悬空谐振光子器件及其制备方法，实现载体为硅衬底III族氮化物晶片外延生长一层纳米级厚度的氧化铪薄膜，包括硅衬底层，设置在硅衬底层上的氮化物层，以及外延生长在氮化物层上的氧化铪薄膜层。硅衬底层具有一个贯穿至氮化物层下表面的长方体空腔；氮化物层位于空腔上部的悬空部分从其下表面进行减薄处理；氮化物层和氧化铪薄膜层位于空腔上部的部分具有相同的纳米光子器件结构。本发明还公开了一种硅基氮化物材料的氧化铪悬空谐振光子器件的制备方法，该器件实现了激发光和纳米结构之间的交互作用，并且便于与硅基微电子加工技术集成，实现集成式硅基光电子系统。
【专利说明】硅基氮化物材料的氧化铪悬空谐振光子器件及其制备方法
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明属于信息材料与器件领域，涉及硅基氮化物材料的氧化铪悬空谐振光子器件及其制备方法。
[0003]【背景技术】
[0004]氧化铪材料是一种具有宽带隙(~6eV)和高介电常数的材料，激光损伤阈值高，耐热性好，化学性质稳定，在近红外和可见光波段透明，光学性能优良。氧化铪材料硬度高，在微加工工艺中还可以作为掩膜层，应用广泛。
[0005]氮化物材料，特别是氮化镓材料，具有较高的折射率2.5)，在近红外和可见光波段透明，是一种性能优异的光学材料，应用前景广泛。生长在高阻硅衬底上的氮化物材料，利用深硅刻蚀技术，可以解决硅衬底和氮化物材料的剥离问题，实现悬空的氮化物薄膜；利用氮化物和空气之间的大的折射率差异，可以实现对光场有很强的限制作用的氮化物微纳光子器件，为实现微型化、高密度的微纳光子器件提供了物理基础。本发明利用氮化物中的量子阱结构以及悬空氮化物纳米结构，可以实现激发光和纳米结构之间的交互作用，从而发展高性能、新型氮化物薄膜光子器件。
[0006]
【发明内容】
[0007]技术问题:本发明提供一种能够实现激发光和纳米结构之间交互作用，便于与硅微电子技术集成，实现集成硅基光电子器件的硅基氮化物材料的氧化铪悬空谐振光子器件，同时提供一种该光子器件的制备方法。
技术方案:本发明的硅基氮化物材料的氧化铪悬空谐振光子器件，以硅基氮化物晶片为载体，包括硅衬底层、设置在硅衬底层上的氮化物层、外延生长在氮化物层上侧的氧化铪薄膜层，氮化物层包括由下至上依次连接的缓冲层、η型氮化镓层、量子阱层和P型氮化镓层，硅衬底层中设置有一个贯穿至氮化物层下表面的长方体空腔，氮化物层和氧化铪薄膜层中均设置有位于长方体空腔上方的超薄悬空谐振光子器件结构，两处的纳米光子器件结构相同。
[0008]本发明硅基氮化物材料的氧化铪悬空谐振光子器件中，纳米光子器件结构为圆形光栅结构、二维光子晶体结构或线形光栅结构。
[0009]本发明的制备上述硅基氮化物材料的氧化铪悬空谐振光子器件的方法，包括如下步骤:
(I)在硅基氮化物晶片上侧外延生长的氧化铪薄膜层上表面旋涂一层电子束胶层，采用电子束曝光技术在电子束胶层定义纳米光子器件结构； (2)采用离子束轰击刻蚀技术将步骤(I)中定义的纳米光子器件结构从电子束胶层转移到氧化铪薄膜层上，形成氧化铪器件层，然后利用氧气等离子灰化方法去除残余的电子束胶层，转移过程中，将氧化铪薄膜层刻蚀穿透；
(3)在氧化铪器件层上旋涂一层光刻胶层，采用光刻对准技术，在光刻胶层上定义隔离槽，采用离子束轰击刻蚀技术将定义的隔离槽转移至氧化铪器件层，然后利用氧气等离子灰化方法去除残余光刻胶，转移过程中，将氧化铪器件层刻蚀穿透；
(4)在氧化铪器件层的上表面再次旋涂一层光刻胶层，用以保护步骤(2)中转移到氧化铪薄膜层上的纳米光子器件结构和步骤(3)中转移到氧化铪薄膜层上的隔离槽；
(5)在硅基氮化物晶片的硅衬底层下表面旋涂一层光刻胶层，利用背后对准技术，在硅衬底层下表面的光刻胶层上打开一个刻蚀窗口 ；然后将氮化物层作为刻蚀阻挡层，利用深硅刻蚀技术，通过刻蚀窗口将硅衬底层贯穿刻蚀至氮化物层的下表面，在硅衬底层中形成一个位于氮化物层下方的长方体空腔；
(6)通过II1- V族材料感应耦合等离子体刻蚀技术，将氮化物层位于长方体空腔上部的悬空部分，从下表面向上进行减薄处理，实现基于硅衬底氮化物材料的超薄悬空谐振光子器件，然后采用氧气等离子体灰化方法去除残余的光刻胶层；
(7)通过II1- V族材料感应耦合等离子体刻蚀技术，利用氧化铪薄膜层作为掩膜，从氮化物层上表面向下刻蚀，直至刻穿，实现硅基氮化物材料的完全悬空的谐振光子器件。
[0010]本发明的制备方法中，步骤(I)中定义的纳米光子器件结构为圆形光栅结构、二维光子晶体结构或线形光栅结构。
有益效果:本发明与现有技术相比，具有以下优点:
(I)本发明是生长在硅材料上的氮化镓LED器件，通过量子阱调节能带宽度可使其发光峰值在420nm,其制备技术便于与娃微电子技术集成,实现集成娃基光电子器件。
[0011]( 2 )本发明发展背后工艺，通过光刻技术以及深硅刻蚀技术，完全刻蚀器件下方硅衬底材料，实现悬空器件，解决了硅材料的对出射光的吸收散射问题。
[0012](3)本发明通过进行悬空氮化物薄膜背后减薄技术，获得厚度可调的超薄硅基氮化物材料的氧化铪谐振光子器件，降低了厚膜氮化物材料的内部光损耗。
[0013](4)本发明中所用晶片顶层为外延生长在氮化物层上方的氧化铪薄膜层，可以利用其作为掩膜层，解决了氮化物加工的难题，通过II1- V族材料感应耦合等离子体刻蚀技术，获得完全悬空的谐振光子器件。
[0014](5)本发明中采用光刻技术定义隔离槽，有效解决了氧化铪薄膜层在刻蚀中产生的应力释放问题。
[0015](5)本发明中所用晶片氮化物层包括量子阱结构，可以利用光致发光技术，实现激发光和纳米结构之间的交互作用，为发展新颖集成氮化物光子器件开辟新思路。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为硅基氮化物晶片外延生长氧化铪薄膜层的结构侧视示意图；
图2为本发明硅基氮化物材料的氧化铪悬空谐振光子器件的侧视示意图；
图3为本发明硅基氮化物材料的氧化铪悬空谐振光子器件的制备工艺流程图。
[0017]图中有:硅衬底层1、氮化物层2、缓冲层21、n型氮化镓层22、量子阱层23、p型氮化镓层、氧化铪薄膜层3。
[0018]
【具体实施方式】
[0019]下面结合说明书附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明:
如图1所示为本发明中所用晶片的分层结构侧视示意图，包括硅衬底层1、设置在硅衬底层上的氮化物层2、外延生长在氮化物层上侧的氧化铪薄膜层3，氮化物层包括由下至上依次连接的缓冲层21、η型氮化镓层22、量子阱层23和ρ型氮化镓层24。
[0020]本发明中所用的晶片是在硅基氮化物晶片的基础上，利用外延生长技术在氮化物层2上方生长了一层氧化铪薄膜层3。氧化铪材料激光损伤阈值高，化学性质稳定，在近红外和可见光波段透明，光学性能优良。并且，氧化铪硬度高，可以利用其作为掩膜层，解决了氮化物加工的难题，通过II1-V族材料感应耦合等离子体刻蚀技术，获得完全悬空的谐振光子器件。
[0021]如图2所示，本发明的硅基氮化物材料的氧化铪悬空谐振光子器件，实现载体为硅衬底晶片，包括硅衬底层1、设置在硅衬底层上的氮化物层2、外延生长在氮化物层上侧的氧化铪薄膜层3，氮化物层包括由下至上依次连接的缓冲层21、η型氮化镓层22、量子阱层23和ρ型氮化镓层24。
[0022]硅衬底层I中设置有一个贯穿至氮化物层2下表面的长方体空腔，氮化物层2中设置有位于长方体空腔上方的超薄悬空谐振光子器件，氮化物层2和氧化铪薄膜层3位于空腔上部的部分具有相同的纳米光子器件结构。
[0023]本发明中纳米光子器件结构为圆形光栅结构、二维光子晶体结构或线形光栅结构。
[0024]本发明中的硅基氮化物材料的氧化铪悬空谐振光子器件，利用深硅刻蚀技术，解决硅衬底层I和氮化物层2的剥离问题，实现了悬空的谐振光子器件；进一步利用II1- V族材料感应耦合等离子体刻蚀技术从背后减薄氮化物层2，实现了超薄悬空谐振光子器件；此外，利用具有光子器件结构的氧化铪薄膜层3和氮化物层2与空气之间的大的折射率差异，可以对光场起到很强的限制作用，为实现微型化、高密度的微纳光子器件提供了物理基础。
[0025]本发明中的氮化物层2包括量子阱层23，而且顶层的氧化铪薄膜层3具有较高的激光损伤阈值，可以利用较高能量的光激发量子阱来实现光致发光现象，进一步实现激发光和纳米结构之间的交互作用，从而发展高性能、新型氮化物薄膜光子器件。
[0026]如图3所示:本发明的制备上述硅基氮化物材料的氧化铪悬空谐振光子器件的方法，以上侧外延生长有氧化铪薄膜层的硅基氮化物晶片为载体，包括如下步骤:
(1)在硅基氮化物晶片上侧外延生长的氧化铪薄膜层3上表面旋涂一层电子束胶层，采用电子束曝光技术在电子束胶层定义纳米光子器件结构；
(2)采用离子束轰击刻蚀技术将步骤(I)中定义的纳米光子器件结构从电子束胶层转移到氧化铪薄膜层3上，形成氧化铪器件层，然后利用氧气等离子灰化方法去除残余的电子束胶层，转移过程中，将氧化铪薄膜层3刻蚀穿透；
(3)在氧化铪器件层上旋涂一层光刻胶层，采用光刻对准技术，在光刻胶层上定义隔离槽，采用离子束轰击刻蚀技术将定义的隔离槽转移至氧化铪器件层，然后利用氧气等离子灰化方法去除残余光刻胶，转移过程中，将氧化铪器件层刻蚀穿透；
(4)在氧化铪器件层的上表面再次旋涂一层光刻胶层，用以保护步骤(2)中转移到氧化铪薄膜层3上的纳米光子器件结构和步骤(3)中转移到氧化铪薄膜层3上的隔离槽；
(5)在硅基氮化物晶片的硅衬底层I下表面旋涂一层光刻胶层，利用背后对准技术，在硅衬底层I下表面的光刻胶层上打开一个刻蚀窗口 ；然后将氮化物层2作为刻蚀阻挡层，利用深硅刻蚀技术，通过刻蚀窗口将硅衬底层I贯穿刻蚀至氮化物层2的下表面，在硅衬底层I中形成一个位于氮化物层2下方的长方体空腔；
(6)通过II1- V族材料感应耦合等离子体刻蚀技术，将氮化物层2位于长方体空腔上部的悬空部分，从下表面向上进行减薄处理，实现基于硅衬底氮化物材料的超薄悬空谐振光子器件，然后采用氧气等离子体灰化方法去除残余的光刻胶层；
(7)通过II1- V族材料感应耦合等离子体刻蚀技术，利用氧化铪薄膜层3作为掩膜，从氮化物层2上表面向下刻蚀，直至刻穿，实现硅基氮化物材料的完全悬空的谐振光子器件。
[0027]本发明中步骤(I)中纳米光子器件结构为圆形光栅结构、二维光子晶体结构或线形光栅结构。
【权利要求】
1.一种硅基氮化物材料的氧化铪悬空谐振光子器件，其特征在于，该光子器件以硅基氮化物晶片为载体，包括硅衬底层(I )、设置在所述硅衬底层(I)上的氮化物层(2)、外延生长在所述氮化物层(2 )上侧的氧化铪薄膜层(3 )，所述氮化物层(2 )包括由下至上依次连接的缓冲层(21)、η型氮化镓层(22 )、量子阱层(23 )和P型氮化镓层(24 )，所述硅衬底层(I)中设置有一个贯穿至氮化物层(2)下表面的长方体空腔，所述氮化物层(2)和氧化铪薄膜层(3)中均设置有位于所述长方体空腔上方的超薄悬空谐振纳米光子器件结构，两处的纳米光子器件结构相同。
2.根据权利要求1所述的硅基氮化物材料的氧化铪悬空谐振光子器件，其特征在于，所述纳米光子器件结构为圆形光栅结构、二维光子晶体结构或线形光栅结构。
3.一种制备权利要求1、2或3所述硅基氮化物材料的氧化铪悬空谐振光子器件的方法，其特征在于，该方法以上侧外延生长有氧化铪薄膜层的硅基氮化物晶片为载体，包括如下步骤: (I)在硅基氮化物晶片上侧外延生长的氧化铪薄膜层(3)上表面旋涂一层电子束胶层，采用电子束曝光技术在所述电子束胶层定义纳米光子器件结构； (2 )采用离子束轰击刻蚀技术将所述步骤(I)中定义的纳米光子器件结构从电子束胶层转移到氧化铪薄膜层(3)上，形成氧化铪器件层，然后利用氧气等离子灰化方法去除残余的电子束胶层，所述的转移过程中，将氧化铪薄膜层(3)刻蚀穿透； (3)在所述氧化铪器件层上旋涂一层光刻胶层，采用光刻对准技术，在所述光刻胶层上定义隔离槽，采用离子束轰击刻蚀技术将定义的隔离槽转移至氧化铪器件层，然后利用氧气等离子灰化方法去除残余光刻胶，所述的转移过程中，将氧化铪器件层刻蚀穿透； (4)在所述氧化铪器件层的上表面再次旋涂一层光刻胶层，用以保护步骤(2)中转移到氧化铪薄膜层(3)上的纳米光子器件结构和步骤(3)中转移到氧化铪薄膜层(3)上的隔离槽； (5)在硅基氮化物晶片的硅衬底层(I)下表面旋涂一层光刻胶层，利用背后对准技术，在硅衬底层(I)下表面的光刻胶层上打开一个刻蚀窗口 ；然后将氮化物层(2)作为刻蚀阻挡层，利用深硅刻蚀技术，通过刻蚀窗口将所述硅衬底层(I)贯穿刻蚀至氮化物层(2)的下表面，在硅衬底层(I)中形成一个位于氮化物层(2)下方的长方体空腔； (6)通过II1- V族材料感应耦合等离子体刻蚀技术，将氮化物层(2)位于所述长方体空腔上部的悬空部分，从下表面向上进行减薄处理，实现基于硅衬底氮化物材料的超薄悬空谐振光子器件结构，然后采用氧气等离子体灰化方法去除残余的光刻胶； (7)通过II1- V族材料感应耦合等离子体刻蚀技术，利用氧化铪薄膜层(3)作为掩膜，从氮化物层(2)上表面向下刻蚀，直至刻穿，实现硅基氮化物材料的完全悬空的谐振光子器件。
4.根据权利要求3所述的硅基氮化物材料的氧化铪悬空谐振光子器件的制备方法，其特征在于，所述步骤(I)中定义的纳米光子器件结构为圆形光栅结构、二维光子晶体结构或线形光栅结构。
【文档编号】H01L33/02GK103811598SQ201310672969
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2013年12月12日 优先权日:2013年12月12日
【发明者】王永进, 高绪敏, 施政, 李欣, 陈佳佳, 白丹 申请人:南京邮电大学