[发明专利]锗悬浮膜式二维光子晶体微腔及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电子领域，特别涉及一种锗悬浮膜式二维光子晶体微腔及制备方法。

背景技术

目前，基于硅光子技术的光互连技术被认为是解决极大规模集成电路持续发展所面临的互连瓶颈的理想方案。经过Intel、IBM等半导体巨头的不懈努力，硅光子技术的诸多关键器件得以在集成电路平台上实现，包括高速硅光调制器、探测器和波导元件都得到了突破。然而由于硅是间接带隙材料不能直接发光，片上光源没有得到实现，这是硅光子技术一直以来面临的最大难题。

III-V族与硅混合集成是比较有效的实现光源和无源器件结合的方案，然而III-V族材料存在与硅加工平台不兼容，而且存在III-V族器件性能降低和高成本的问题。针对硅材料自身的发光，有多种技术方案被提出来，包括采用硅纳米团簇、多孔硅、掺铒等手段，以上办法都受限于发光效率低或者性能不稳定等因素，距离实用的片上光源仍有很大的差距。

锗材料是一种能够与集成电路工艺兼容的材料，基于锗的高迁移率晶体管已经在深亚微米集成电路技术中得到了广泛的应用，而基于锗和锗硅的光电探测器和光调制器同样也得以在CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)标准工艺平台上得到了实现。锗同硅一样，也是间接带隙，然而锗能够通过引入张应变实现向直接带隙的转变，研究表明大于2％的张应变就能够使锗转变成完全直接带隙，然而此时的带隙对应的发光波长已经到了几个微米的量级，偏离了1.55微米的通信窗口。当引入适量的张应变使带隙发生转变，而且将波长控制在通信波段时，带隙不足以实现完全直接带隙，此时需要采用n型重掺杂提高直接带隙的电子能带填充率，从而提高锗材料的发光特性。

目前制备发光的锗材料所采用的一般方法是CVD(化学气相沉积)生长的办法。在体硅或SOI(绝缘体上的硅)上热生长一层薄层的硅，然后再生长锗，利用两者的热膨胀系数差异，在冷却后自然产生张应变。这种方法能够在材料生长阶段就引入张应变，但是具有品格失配，应变大小不能任意调节等局限性。更重要的问题是，即便进行充分的应变调节和n型掺杂，锗本身的光学增益仍然远达不到实现激光的要求。

因此，极有必要对现有技术进行改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锗悬浮膜式二维光子晶体微腔及制备方法。

为了达到上述目的及其他目的，本发明提供的锗悬浮膜式二维光子晶体微腔，包括：具有埋氧层、且表层为锗悬浮膜层的半导体基底，其中，所述锗悬浮膜层包含有光子晶体微腔，所述光子晶体微腔由周期性排列的孔体所构成、但部分区域缺失孔体。

作为一种优选，部分区域缺失单个或连续缺失多个孔体以形成光子晶体微腔，例如，连续缺失3个孔体等。

作为一种优选，缺失的孔体的两侧区域中的孔体相对于未缺失孔体的区域中的孔体向外平移5％～10％的周期长度。

作为一种优选，孔体的直径范围可在200～360纳米之间；周期可在300～600纳米之间。

作为一种优选，各孔体可呈方形排列或六角形排列等。

作为一种优选，所述锗悬浮膜层可以为n型重掺杂层，其厚度在180纳米到300纳米之间；所述埋氧层厚度在1至3微米之间等。

本发明还提供一种制备锗悬浮膜式二维光子晶体微腔的方法，其包括步骤：1)在具有埋氧层、且表层为锗薄膜层的半导体基底的所述锗薄膜层中掺杂以形成n型重掺杂层；2)对所述重掺杂层进行刻蚀以便形成由周期性排列的孔体所构成的光子晶体，其中部分区域缺失孔体；3)在形成有光子晶体的半导体基底进行湿法腐蚀，以去除所述光子晶体下的埋氧层，并基于预先的设计来控制腐蚀时间，从而使所述重掺杂层为悬浮膜。

作为一种优选，掺杂的浓度可在1×10¹⁷到5×10¹⁹cm^-2之间等。

作为一种优选，掺杂工艺中可采用600-1000度的快速热退火20-180秒等。

作为一种优选，可以采用以光刻胶为掩膜的刻蚀工艺对所述重掺杂层进行刻蚀以形成光子晶体微腔；也可以采用聚焦离子束刻蚀工艺对所述重掺杂层直接进行刻蚀以形成光子晶体微腔等。

作为一种优选，可以采用各向同性的湿法腐蚀，以去除所述光子晶体微腔下的埋氧层。

作为一种优选，所述半导体基底可以为GeOI衬底等。