[发明专利]基于硅衬底的硅锗合金微盘的制备方法

说明书

本发明属于半导体微纳米结构制备技术领域，具体为一种基于硅衬底的硅锗合金微盘的制备方法。本发明在Si(001)单晶衬底上，通过分子束外延设备或其他生长设备生长硅锗合金薄膜，然后利用模板图形转移和化学选择性刻蚀，得到高质量的硅锗微盘。本发明提供了一种简单易行经济适用的方法，来获得高质量的硅锗合金微盘。此发明解决了现有技术在硅衬底上直接制备硅基光学微盘的困难。该发明所制备的硅衬底上的硅锗微盘为硅基光电器件的发展提供了新思路。

技术领域

本发明属于半导体微纳结构制备技术领域，具体涉及一种基于硅衬底的制备高质量硅锗合金微盘的方法。

背景技术

硅基光电一体化集成是解决目前微电子集成芯片信息传输速度低、能量消耗大等问题的一个有效途径。因为和电信号相比，光信号信息传输速度更快，能量消耗更小。但是高性能的硅基光源器件的缺失限制了芯片光电一体化集成的发展。因为一般硅基材料是间接带隙半导体，其光电转换的效率非常低。为了有效提高硅基材料的发光效率，将可能作为光源的硅基材料（如硅锗量子阱、量子点等）和光学微腔组合是一种非常有前景的发展方向，因为光学微腔能有效地限制光场的空间分布和调控局域光子态密度，从而极大地增强光与物质的相互作用，提高微腔中相关介质的光电转换效率。微盘，是一种具备回音壁共振模式的光学微腔。由于其易制备和高品质因子等优点，硅基微盘被广泛地研究。

目前，硅基光学微腔主要被制备在SOI（Silicon On Insulator）衬底上，这种衬底对实现硅基光电一体化集成具有一些非常不利的因素，如：导热性差，工业集成成本高，不容易制备电注入器件等。而直接在硅衬底上制备硅锗合金微盘能解决SOI衬底的现有不足，有效提高硅基材料的发光效率。因此，基于硅衬底的硅锗合金微盘是实现硅基光电集成器件的新途径。

发明内容

为了解决基于SOI衬底的硅基光学微腔在硅基光电集成方面的限制，本发明的目的在于提供一种基于硅衬底的制备硅锗合金光学微腔的方法。

本发明利用Si(001)晶片为衬底，利用分子束外延技术或其他生长方法，生长一层硅锗合金薄膜，通过光刻或电子束刻蚀或纳米球刻蚀等技术得到硅锗合金/硅微柱，再通过化学选择性刻蚀硅锗合金下方的部分硅衬底，最后制备出高质量的硅锗合金微盘。本发明可以得到直接基于硅衬底的硅锗合金微盘，而且微盘的质量高，在制备过程中引入的缺陷少。

本发明提出的一种基于硅衬底的硅锗合金微盘的制备方法，以Si(001)单晶片为衬底，经过化学清洗后，放入分子束外延设备或其他生长设备生长硅锗合金层，然后通过图形模板转移和化学选择性刻蚀，从而得到高质量的硅锗合金微盘；具体步骤如下：

（1）在Si(001)衬底上用分子束外延或其他设备生长硅锗合金层，得到硅锗合金层/硅衬底，硅锗合金层中锗的体积分数为10%-100%，硅锗合金层的厚度为50nm-1000nm；

（2）制备微盘图形模板，所得微盘图形模板的直径为50nm-100μm，之后经过干法刻蚀，将微盘图形模板转移到步骤（１）所得硅锗合金层/硅衬底上，得到硅锗合金/硅微柱，最后去除微盘图形模板，得到处理后的硅锗合金/硅微柱；

（3）经过KOH溶液选择性刻蚀，步骤（２）得到的处理后的硅锗合金/硅微柱下方的部分硅微柱衬底被KOH溶液刻蚀，而硅锗合金层被保留，最终制备出硅衬底上的硅锗合金微盘。

本发明中，步骤（3）中，在KOH溶液选择性刻蚀过程中，KOH溶液温度为25℃-80℃，KOH溶液的浓度为0.1mol/L-5mol/L。

本发明中，步骤（3）中，经过KOH溶液选择性刻蚀制备的硅锗合金微盘，其直径为50nm-100μm，厚度为50nm-1000nm，锗的体积分数为10%-100%。

本发明中，步骤（２）中，在制作微盘图形模板之前，在生长好的硅锗合金层/硅衬底上先蒸镀一层二氧化硅保护硅锗合金层表面，二氧化硅厚度为20nm-100nm。