一种硅基电光材料制造技术

本发明专利技术公开了一种硅基电光材料，该硅基电光材料是一种多周期结构的量子阱或超晶格材料，所述量子阱或超晶格材料的每个周期结构至少包括三个组分彼此不同的层，所述每个层含有硅或者硅和至少一种除硅以外的其它Ⅳ族元素。本发明专利技术提供的这种硅基电光材料，在亚微观结构上打破了硅材料的空间反演对称性，从而具有了较大的线性电光系数，满足了硅基光电子技术发展对硅基电光材料要求具有较大线性电光系数的需求。另外，本发明专利技术提供的这种硅基电光材料是制备在硅衬底上的，并且含有硅作为其主要的成分之一，因此容易实现与硅基材料和器件的光电子集成。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体材料
，尤其涉及一种在硅衬底上制备的具 有较大线性电光系数的硅基电光材料。
技术介绍
随着数字化、信息化社会的来临，高速率、大容量信息网络体系的发 展将是国家信息基础设施的核心内容。光子器件及其集成芯片将在高速率 大容量信息网络系统中发挥不可替代的关键作用，成为光网络发展的基 础，而光网络的发展又对光子集成不断提出新的要求。电光开关和电光调制器件在计算机、通信、光信息处理等领域里将会 得到越来越广泛的应用，这些电光器件性能的不断改进，对提高整个光电 子集成系统的效率和稳定性将起到十分关键的作用。这些电光器件利用的 是材料的电光效应。电光效应是指在直流电场或低频电场的作用下引起材料介质折射率 明显变化的一种现象。其中，线性电光效应，即材料折射率的变化与所施 加的电场成正比的效应具有较大的电光系数，利用这种效应，可以实现光 开关的快速响应和调制器件的快速调制。只有不具有对称中心的材料才具 有线性电光效应。硅是目前最重要的，也是应用最广的半导体材料。在微电子领域，硅 工艺已经相当成熟，然而，遗憾的，硅由于其自身结构的立方反演对称性， 并不具有线性电光效应。因此，目前绝大多数电光器件都是用化合物半导 体材料制作的，工艺复杂，价格昂贵，而且基本上不能与现有的硅工艺兼容。随着硅基光电子技术的发展，也出现了一些硅基的光开关和光调制 器。它们都是基于硅所具有的热光效应或者自由载流子的等离子色散效 应，要么响应速度慢，要么结构复杂，制作成本很高，无法满足硅基光电 子技术发展对硅基电光材料要求具有较大线性电光系数的需求。
技术实现思路
(一) 要解决的技术问题有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种硅基电光材料，以满足硅 基光电子技术发展对硅基电光材料要求具有较大线性电光系数的需求。(二) 技术方案为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的一种硅基电光材料，该硅基电光材料是一种多周期结构的量子阱或超 晶格材料，所述量子阱或超晶格材料的每个周期结构至少包括三个组分彼 此不同的层，所述每个层含有硅或者硅和至少一种除硅以外的其它IV族 元素。所述量子阱或超晶格材料每个周期结构的三个层中，至少一个层采用非金属元素硼B和/或非金属元素磷P掺杂。所述量子阱或超晶格材料每个周期结构的三个层中，每个层的厚度小于10nm。所述除硅以外的其它IV族元素为锗，或为碳，或为锡。所述硅基电光材料采用外延方法在硅衬底上外延制备，或采用涂层方 法在硅衬底上涂覆制备。所述外延方法包括分子束外延(MBE)或超高真空化学气相淀积 (UHV/CVD)，所述涂层方法包括离子溅射、溶胶凝胶、旋涂或热处理。该硅基电光材料进一步包括至少一层预先生长在硅衬底上的缓冲层 结构，用于消除或者减小这种材料与硅衬底之间可能存在的晶格失配。所述量子阱或超晶格材料结构上进一步包括至少一个表面保护层，用 于消除表面效应。(三)有益效果 从上述技术方案可以看出，本专利技术具有以下有益效果1、 本专利技术提供的这种硅基电光材料，是一种多周期结构的量子阱或 超晶格材料，该量子阱或超晶格材料的每个周期结构至少包括三个组分彼 此不同的层，每个层含有硅或者硅和至少一种除硅以外的其它IV族元素， 在亚微观结构上打破了硅材料的空间反演对称性，从而具有了较大的线性 电光系数，满足了硅基光电子技术发展对硅基电光材料要求具有较大线性 电光系数的需求。2、 本专利技术提供的这种硅基电光材料，是制备在硅衬底上的，并且含有硅作为其主要的成分之一，因此容易实现与硅基材料和器件的光电子集 成。3、 本专利技术提供的这种硅基电光材料，可以釆用与当前的硅微电子加 工相兼容的工艺制备各种电光器件，制备成本低。4、 本专利技术提供的这种硅基电光材料，与硅衬底之间，具有相容的热 稳定性和机械稳定性，可以保证后续电光器件的性能稳定性，延长使用寿附图说明图1为本专利技术提供的硅基电光材料的结构示意图2为依照本专利技术实施例提供的硅基电光材料的显微结构图。具体实施例方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。如图1所示，图1为本专利技术提供的硅基电光材料的结构示意图。其中， N为周期数，n为每个周期中的层数。该硅基电光材料是一种多周期结构 的量子阱或超晶格材料，该量子阱或超晶格材料的每个周期结构至少包括 三个组分彼此不同的层。这样，在每个周期中的单个层两边的界面是不等价的，不等价的界面 对不同的载流子(如电子或空穴)具有不同的限制能力，并且这种限制能 力会在外加电场的作用下发生变化，从而使材料呈现出电光效应。为了使这种不等价界面效应变得明显，所希望的，材料具有尽可能多的周期数，并且，优选的，每个层的厚度在10nm以下。在这种硅基电光材料中，每个层都含有硅，此外还可以进一步含有其 它的一种或者多种IV族元素，比如锗，碳，锡以及其它类似的元素。在 一些实施方案中，在每个或者多个周期的所述至少三层的结构中，有些层 或者全部层是采用非金属元素硼B和/或非金属元素磷P掺杂的。这种硅基电光材料一般采用外延方法在硅衬底上外延制备，或采用涂 层方法在硅衬底上涂覆制备。外延方法一般为分子束外延(MBE)、超高 真空化学气相淀积(UHV/CVD)，或者其它传统的外延方法，涂层方法一 般为离子溅射、溶胶凝胶、旋涂、热处理或者其它常用的涂层方法。在一些具体实施方案中，为了消除或者减小这种材料与硅衬底之间可能存在的晶格失配，该硅基电光材料可进一步包括一层或者多层预先生长 在硅衬底上的缓冲层结构。另外，可选的，为了消除表面效应，该硅基电光材料还可以在周期结 构上进一步包括一个或者多个表面保护层。基于图l所述的硅基电光材料的结构示意图，以下结合具体的实施例 和附图对本专利技术提供的硅基电光材料进一步详细说明。 实施例如图2所示，图2为依照本专利技术实施例提供的硅基电光材料的显微结 构图。在本实施例中，采用传统的UHV/CVD方法，在硅(001)衬底上 外延生长硅基电光材料，具体生长过程如下首先，生长一层大约250nrn的硅缓冲层，然后生长10个周期的5.5 nm-Sio.75Geo.25/10.3 nm-Si/2.5 nm-Sio.sGeo.s超晶格结构，在此结构上最后 生长约20nm的Si盖层，其结构如图2所示。在这种结构中，电子局域在Si层中，两边硅锗合金是势垒层，而空穴 被束缚在Sio.5Geo.5层中，Sio.sGeo.5层和Si层提供势垒的作用。不同的界面 对电子和空穴的束缚能力是不相同的，电子和空穴从各自的阱中往两边势 垒层中的穿透深度就不相同，造成电子和空穴的第一子带包络函数之间的 重叠主要发生在3"81。.50^5界面上。也就是说，第一空穴子带和第一电子 子带之间的光学跃迁矩阵元的贡献主要来自于Si-Si。.5Ge().5界面。从晶体几何结构来看，在Si-Sio.sGe。.5界面两侧的化学键的性质和方向 是不同的。 一侧是Si-Si键，另外一侧是Sio,5Ge。.5-Sio.5Geo.5键，指向分别 是方向和方向。也就说从Si-Sia5Geo.5界面来看，和 方向是不等价的。由于第一空穴子带和第一电子子带的重叠主要发生在Si-Si。.5GeQ.5这 个界面上，所以该材料在和方向上的光学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅基电光材料，其特征在于，该硅基电光材料是一种多周期结构的量子阱或超晶格材料，所述量子阱或超晶格材料的每个周期结构至少包括三个组分彼此不同的层，所述每个层含有硅或者硅和至少一种除硅以外的其它Ⅳ族元素。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵雷，左玉华，王启明，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]