一种基于连续域束缚态的硅基发光芯片及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于连续域束缚态的硅基发光芯片及其制备方法，包括硅衬底，二氧化硅绝缘层以及III

【技术实现步骤摘要】
一种基于连续域束缚态的硅基发光芯片及其制备方法


[0001]本专利技术属于硅基光电子器件领域，特别涉及一种基于连续域束缚态的硅基发光芯片及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，硅光子技术已广泛应用于电信和数据通信的光互连领域，而片上光源仍是进一步降低成本和实现超大规模光子集成和光电集成的世界级科学难题。目前国际上，最具有潜力的解决方法是硅基III
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V量子点激光器，但是由于硅和III
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V材料之间存在较大的晶格失配，容易在外延材料中产生反向畴引入较大的缺陷损耗，而且通过分子束外延技术在硅上直接生长III
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V材料是困难的。因此，制备硅基III
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V量子点激光器时需要在硅衬底和III
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V材料之间生长较厚的缓冲层或者是需要在硅衬底上制备特殊的切角，这使得工艺难度大，器件结构大，难以与波导进行耦合，增加了光电集成的难度。
[0003]因此，具有活性材料的高折射率介质的纳米谐振结构已成为纳米光子学应用于高效片上光源的一个新的有前途的平台。与之前基于等离子体的设计相比，高折射率介质的纳米谐振结构具有低欧姆损耗和CMOS兼容性，以及纳米级别的结构尺寸，这使得它们在工业应用中特别有吸引力。迄今为止，介质纳米天线中利用Mie共振或者磁共振等物理共振方式激发的低阶模具有较小的品质因数(Q因子)，这导致片上光源大多局限于几个微米量级的空间扩展系统。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于连续域束缚态的硅基发光芯片及其制备方法，该芯片具有良好的光致发光特性，器件结构简单，结构纳米级别且易于制作，能实现大规模集成，在解决硅基片上光源方面有着巨大的潜力。
[0005]本专利技术提供了一种基于连续域束缚态的硅基发光芯片，包括硅衬底，二氧化硅绝缘层以及III
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V纳米盘/柱结构。
[0006]所述III
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V纳米盘/柱结构包括GaAs下覆盖层、InAs量子点/阱层、GaAs上覆盖层。
[0007]所述III
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V纳米盘/柱结构为横轴对称、纵轴对称。
[0008]应当注意，其他几何形状(例如正方形、多边形)也可以实现类似的性能，但是需要细致的优化几何参数，并且实现与偏振无关的发光，需要要求形状是横轴、纵轴对称的。选择圆柱形状，因为它很容易制造并且各向同性。
[0009]本专利技术还提供了一种基于连续域束缚态的硅基发光芯片的制备方法，包括：
[0010]在衬底上通过分子束外延技术生长缓冲层、牺牲层和多层膜结构形成的发光层；随后腐蚀牺牲层，再把多层膜结构转移到氧化片上，旋涂光刻胶层，通过电子束曝光技术将要制备的结构图形转移在光刻胶层，将显影后的光刻胶层作为掩模版，利用电感耦合等离子体刻蚀将多层膜结构刻蚀成圆盘/柱结构，去除光刻胶，即得基于连续域束缚态的硅基发光芯片；
[0011]或者将在SOI基片上旋涂胶体量子点，利用薄膜生长技术在胶体量子点薄膜上低温生长非晶硅，旋涂光刻胶层，通过电子束曝光技术将要制备的结构图形转移在光刻胶层，将显影后的光刻胶层作为掩模版，利用电感耦合等离子体刻蚀将多层膜结构刻蚀成圆盘/柱结构，去除光刻胶，即得基于连续域束缚态的硅基发光芯片。
[0012]连续域束缚态，即BIC是非辐射态，能将光完全局域在结构内部，在辐射空间是完全受到限制的，因此在空间上是完全受限的。在实践中，BIC受到有限样本大小、材料吸收和结构缺陷的限制，它们表现为具有高Q因子的共振态，也称为准BIC或超腔模式。将具有超高Q因子的BIC态与高效发光中心量子点相结合就可以有效减小片上光源系统的尺寸大小，有利于实现超紧凑的硅基片上光源系统，直接实现硅基的片上光源。
[0013]有益效果
[0014]本专利技术具有良好的光致发光特性，器件结构简单，结构纳米级别且易于制作，能实现大规模集成，在解决硅基片上光源方面有着巨大的潜力；可以实现与CMOS工艺兼容的SOI基片上制备量子点或者量子阱激光器，适合于硅基光电集成缺少核心光源的研制，具有广泛的应用前景。
附图说明
[0015]图1a
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i为实施例1的制备过程示意图；
[0016]图2为实施例1产品的电镜扫描图(SEM图)；其中，(a)为产品，(b)为产品平面，(c)为52
°
下的视图；
[0017]图3(a)为实施例1产品的结构示意图，(b)为测试光路图，(c)为光致发光谱(PL谱)；
[0018]图4(a)为理论仿真结果，(b)为最优尺寸下xy平面的电场分布图，(c)为yz平面电场分布图；
[0019]图5a
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h为实施例2的制备过程示意图。
具体实施方式
[0020]下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
[0021]实施例1
[0022]按图1所示，制备基于连续域束缚态的硅基发光芯片：
[0023]步骤1在GaAs衬底上通过分子束外延技术生长GaAs缓冲层，AlAs牺牲层，多层膜结构(GaAs下覆盖层、InAs量子点/阱层、GaAs上覆盖层)；
[0024]步骤2用HF溶液腐蚀掉AlAs牺牲层；
[0025]步骤3将多层膜结构转移到氧化片上(硅衬底上有二氧化硅氧化层的基片)；
[0026]步骤4将大约150nm厚的HSQ光刻胶旋涂在步骤3制备的多层膜结构表面；
[0027]步骤5通过电子束曝光技术将要制备的结构图形转移在光刻胶层；
[0028](为了找到高Q的连续域束缚态的结构尺寸，制备了半径变化的圆柱结构，变化间
隔为5nm，两个圆柱结构之间的距离为50um)
[0029]步骤6将显影后的光刻胶层作为掩模版，利用电感耦合等离子体刻蚀，将多层膜结构刻蚀成圆柱结构；
[0030]步骤7用丙酮去掉表面的光刻胶。
[0031]通过使用有限差分时域方法(FDTD)(Lumerical FDTD Solutions)来模拟提出的结构。构建3D模型，网格精度设置为3，收敛精度设置为1*10
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5。所提出的结构为圆柱形，各向同性，因此结构的性能与入射光的偏振取向无关。在模拟中，偏振光(沿y轴偏振)从基板沿x方向入射到结构上，激发本征模式。通过改变圆柱的尺寸，找到在通讯波段范围内高Q的准BIC模式，此时的结构尺寸参数为：H＝570nm，D＝806nm，共振波长为：1273nm。模拟结果如图4所示，根据xy平面和yz平面的电场分布图可以看出，电场基本局域在结构内部。
[0032]实施例2
[0033]按图2所示，制备基于连续域束缚态的硅基发光芯片：
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于连续域束缚态的硅基发光芯片，其特征在于：包括硅衬底，二氧化硅绝缘层以及III
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V纳米盘/柱结构。2.根据权利要求1所述的硅基发光芯片，其特征在于：所述III
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V纳米盘/柱结构包括GaAs下覆盖层、InAs量子点/阱层、GaAs上覆盖层。3.根据权利要求1所述的硅基发光芯片，其特征在于：所述III
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V纳米盘/柱结构为横轴对称、纵轴对称。4.一种基于连续域束缚态的硅基发光芯片的制备方法，包括：在衬底上通过分子束外延技术生长缓冲层、牺牲层和多层膜结构形...

【专利技术属性】
技术研发人员：武爱民，刘丽，王茹雪，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：