气相共形薄膜生长制备光子量子点的方法

摘要

气相共形薄膜生长制备的光子量子点，在玻璃和硅衬底先设有横向尺寸为0.5－5μm，高度为0.4－2μm的柱形平台；在其上设有以共形薄膜生长制备有源层为a－SiNz的受DBR三维限制微腔；其中设有两个DBR位于有源层两侧，微腔的谐振波长为λ，DBR包括6±2个周期的低折射率层和高折射率层的a－SiNx/a－SiNy薄膜，每个折射层厚度为λ/(4n)；n是折射率，有源层是折射率在低折射率层和高折射率层之间a－SiNx薄膜，厚度为λ/(2n)。

说明书

一、技术领域：

本发明涉及气相共形薄膜生长制备光子量子点的方法，尤其是利用共形薄膜生长技术制备分布布拉格反射(DBR)三维限制硅基光学微腔的新方法。这种新方法使微腔的尺寸不仅在纵向而且可以在横向与发光体波长相当，该结构构成光子量子点。由共形生长形成的侧面布拉格反射层替代由常规刻蚀法形成的侧面空气界面反射面，显著提高了微腔的光子横向限制的效率，实现了光子的三维限制。

二、背景技术：

光学微腔是一种将谐振光限制在一个亚微米尺度的小空间(光波长量级)的光学微结构。根据Purcell效应，光学微腔结构可以极大地提高发光材料自发辐射的效率及光发射的品质因子，从而在激光器研制以及光与物质相互作用研究等领域都具有很高的应用前景和潜在的研究价值。

随着Yablonovitch([1]E.Yablonovitch，Phys.Rev.Lett.58，2059(1987))提出光子晶体的概念以及现代微电子制造技术的逐步成熟，人们将光子晶体概念和光学微腔概念有机结合，研制出了超高品质因子、低阈值甚至零阈值的半导体光子晶体微腔激光器，其中利用III-V族化合物半导体材料制作的激光器已经投向市场。出于研发半导体面发射激光器的需要，人们也开始了微柱微腔的制作和研究。另一方面，随着近年来量子光学理论和实验的成熟和完善，人们意识到可以利用光学微腔对单量子点发射光子的调控作用更有效地实现单光子源器件结构，这在基于线性光学的量子计算、量子密码学以及量子信息的其他领域都拥有广阔的潜在应用前景。这种情况下，制备三维限制的光学微腔，不仅可以使得微腔体积进一步缩小，使辐射效率进一步提高；同时也可以有效地达到限制单个量子点的目的，为制作单光子源打下基础。

2002年，美国斯坦福大学的Yamamoto小组([2]C.Santori，D.Fattal，J.Vuckovic，G.S.Solomon，and Y.Yamamoto，Nature 419，594(2002))率先实现了基于III-V族半导体材料的微柱微腔结构的单光子源，体现了良好的单光子特性。由于其制作过程是在制备好的一维分布式布拉格反射器(DBR)微腔上通过刻蚀的方法自上而下形成微柱结构(参看图1)，使得其侧壁不能保证光滑，从而使得这种结构的品质因子受侧壁限制而无法提高；同时，因为这种结构对于光的横向限制是全反射实现，所以这种结构还不是真正意义上的三维光限制。

硅材料居于现代微电子工业的主流地位，在硅材料中实现光增益乃至激光一直是微电子行业所关注的。从Intel公司研发的利用Raman效应的硅激光器到布朗大学在SOI片上引入A中心缺陷观察到的激射行为，全世界许多实验室都在致力于硅基光源及激光的研究。由于DBR微腔在缩短辐射寿命(即提高发光效率)方面的显著作用，这一结构也被应用在了硅基半导体发光器件中。一维和二维的硅基微腔已经在许多实验室实现，而并没有报道显示已经实现了真正意义上的三维DBR限制的硅基光学微腔。

三、发明内容：

本发明的目的是：提出一种新思路实现微腔中光子的三维限制，即气相共形薄膜生长制备光子量子点的方法；利用共形薄膜生长技术制备分布布拉格反射(DBR)三维限制硅基光学微腔的新方法。这种新方法使微腔的尺寸不仅在纵向而且可以在横向与发光体波长相当，该结构构成光子量子点。在光发射效果上，实现了光子量子点的本征模式劈裂效应，实现了显著的依赖于微腔尺寸的光调制效应。本发明的目的还在于：所述构成硅基光学微腔布拉格反射器的基本材料是由两种不同组分从而折射率不同的非晶氮化硅薄膜组成，有源层也选用非晶氮化硅薄膜。

本发明的目的还在于：材料制备方法为在图形衬底上利用等离子体化学气相淀积(PECVD)技术周期性共形生长组分不同、厚度可控的氮化硅薄膜。由共形生长形成的侧面布拉格反射替代由常规刻蚀法形成的空气界面反射面，提高微腔的光子横向限制的效率，实现了光子的三维限制。

本发明的技术方案是：气相共形薄膜生长制备的光子量子点，在玻璃和硅衬底设有尺寸为0.5-5μm，高度为0.4-2μm的柱形平台(见图2a)。并以共形薄膜生长制备有源层为a-SiN_z的受a-SiN_x/a-SiN_yDBR三维限制的微腔(见图2b)：即形成DBR三维限制结构的微腔；设有两个DBR位于有源层两侧，微腔的谐振波长为λ，DBR包括4±10个周期的低折射率层和高折射层的a-SiN_x/a-SiN_y薄膜，每个折射层厚度为λ/(4n)；n是折射率，有源层是折射率在低折射率层和高折射层的折射率之间a-SiN_z薄膜，厚度为λ/(2n)。

所述微腔的谐振波长调谐至730nm，由两个对称的6周期DBR加中间一层有源层构成；DBR中低折射率层的折射率n为1.9，光学带隙Eg为3.8eV，厚度为λ/(4n)；高折射率n为2.8，Eg为2.0eV，厚度为λ/(4n)；有源层n为2.1，Eg为2.5eV，厚度为λ/(2n)。

气相共形薄膜生长制备光子量子点的制备方法，先以模版以及光刻和反应离子刻蚀(RIE)在玻璃和硅衬底上制作高度为0.4-2μm的柱形平台作为图形衬底；在所述图形衬底上利用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)的方法共形生长制备有源层为a-SiN_z的受a-SiN_x/a-SiN_yDBR三维限制的微腔；设有两个DBR位于有源层两侧，微腔的谐振波长为λ，DBR包括6±2个周期的低折射率层和高折射层的a-SiN_x薄膜，每个折射层厚度为λ/(4n)；n是折射率，有源层是折射率在低折射率层和高折射层的折射率之间a-SiN_z薄膜，厚度为λ/(2n)。这种共形生长方法使微腔的尺寸不仅在纵向而且在横向与发光体波长相当，该结构构成光子量子点。

利用特定设计的模版以及光刻和反应离子刻蚀(RIE)技术，在平板玻璃或抛光硅衬底上制作横向尺寸为0.5-5μm，高度为0.4-2μm的柱形平台(见图2a)。然后采用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)方法气相共形薄膜生长制备有源层为a-SiN₂的受a-SiN_x/a-SiN_yDBR三维限制的微腔(见图2b)。

1.利用光刻和反应离子刻蚀(RIE)技术，在玻璃和硅衬底上制作横向尺寸为0.5-5μm，高度为0.4-2μm的柱形平台。

a)模版设计：利用微电子平面工艺制版技术制备光刻模版，图形为方形(边长0.5-5μm)或圆形(直径0.5-5μm)。

b)图形转移I：利用微电子平面工艺光刻技术将模版图形转移到分别涂敷于玻璃或硅衬底上的Cr和Al膜上。

腐蚀Cr掩模腐蚀液配方：Ce(NO₃)₄·2NH₄NO₃∶HClO₄∶H₂O＝100g∶25ml∶650ml。腐蚀温度为室温。

腐蚀Al掩模腐蚀液配方：浓H₃PO₄适量。腐蚀温度为80℃。

c)图形转移II：利用反应离子刻蚀(RIE)技术光刻胶上的图形转移到玻璃或硅衬底上，形成横向尺寸为0.5-5μm，高度为0.4-2μm的柱形平台。

RIE的具体条件如下：

刻蚀气源及流量：CHF₃  30sccm；        O₂，5sccm

功率源频率为：13.56MHz；              功率为：300W

反应腔压力：4.0Pa；RIE完成后，腐蚀去除柱形平台上Cr和Al膜掩模。

2.采用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)方法制备非晶氮化硅微腔。

通过共形生长微腔过程，在制作好的衬底的柱形平台上形成对有源层的DBR三维限制。设计微腔的谐振波长为λ，两个DBR位于有源层两侧。DBR中低折射率层的折射率n为1.9，光学带隙Eg为3.8eV，厚度为λ/(4n)；高折射率n为2.8，Eg为2.0eV，厚度为λ/(4n)；有源层n为2.1，Eg为2.5eV，厚度为λ/(2n)。通过控制NH₃和SiH₄两种气体流量比(R＝[NH₃]/[SiH₄])来实现薄膜的组分控制。从而达到设计要求的n值和Eg值。上述三种情况分别选用R＝8±2，0.5±0.2，2±0.5。固定SiH₄流量为6sccm，根据流量比R调节NH₃流量。

PECVD中薄膜生长的具体工艺条件如下：

功率源频率：13.56MHz；        功率密度：0.6W/cm²

反应腔压力：40Pa；            衬底温度：250℃

图3(a)为在图形衬底上共形生长微腔的剖面透射电子显微镜(TEM)照片；图3(b)和(c)为横向尺寸2μm和1μm、高度为600nm微柱上共形生长的光子量子点的扫描电子显微镜(SEM)照片。

本发明原理：发明原理是由共形生长形成的侧面布拉格反射层替代由常规刻蚀法形成的横向空气界面反射面，显著提高了微腔的光子侧面限制的效率，实现了光子的三维限制。当微腔的尺寸与发光体波长相当时即构成光子量子点。微腔的横向尺寸由衬底图形的尺寸所决定。这既在制备过程中避免了刻蚀引入的缺陷，又可以简化整个制作流程。通过光致荧光(PL)测试表明，该方法所制备的光子量子点的发射谱具有显著的横向限制效果，进一步缩小微腔的横向尺寸，可以达到单模发射。

在三维限制微腔的模式限制效应上，根据光子量子点理论，其模式本征值拥有明显的尺寸依赖关系，这一点上可以类比相对于电子的量子点的特征。

模式的本征值理论计算公式如下：

E_Ph为光量子点的光子能量本征值；k₀＝2πn/λ₀代表微腔的纵向波矢分量；k_x和k_y是与微腔尺寸相关的横向波矢分量： $>>>k>>x>,>y>\; >=>>(>>m>>x>,>y>\; >+>1>)>\frac{}{}$

m_x，y＝0，1，2，3，…代表微腔数值模型中的横向量子数；L代表微腔的横向尺寸。从图4的不同横向尺寸的光子量子点的室温PL谱中的峰值能量(M₀₀₀，M₀₁₀，M₀₁₁…)以及图5的光量子点模式本征值随横向尺寸的变化曲线，室温PL峰值(点)和理论计算值(实线)对比图，可以看到我们用共形生长方法制备的分布布拉格反射(DBR)三维限制硅基光学微腔具有明显的光子量子点特征，这使其拥有在量子信息领域的应用的可能性。随着尺寸的缩小，模式数目将进一步减少，有望实现硅基微腔的单模光发射。

本发明的技术优点：在图形衬底上自下而上的采用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)方法共形生长非晶氮化硅光子量子点的制备方法具有如下优点：

1.三维DBR光限制：共形生长方法形成对于有源层各个方向上的DBR光限制。相对于自上而下刻蚀方法制备的微腔侧壁空气界面反射而言，侧面DBR具有更高的反射率，从而可以实现更强的光子限制。

2.尺寸依赖的光子量子点特征：当微腔的横向尺寸与发光体波长相当时即构成光子量子点。尺寸依赖的光子量子点特征使这种结构在硅基单模激光器的研制和应用于量子信息领域的硅基单光子源的研究都具有重要意义。

3.避免工艺过程中引入缺陷的几率：相对于自上而下刻蚀方法制备的微腔而言，由于减少了刻蚀过程，可以减少削弱发光的悬挂键的形成，从而保证了微腔的品质。

4.工序简单易行，便于大规模生产：由于其方法简单，工序少，一旦大规模工业生产，将会大大节约成本，且产品的重复性高。

5.在硅基单片电光互联和全光互联应用中都有重要作用。对于进一步研制硅基单模激光器及研究硅基单光子源在量子信息领域应用的具有重要意义。

本发明并没有采用已报导的自上而下的方法制备微柱微腔，而是在图形衬底上自下而上的采用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)方法在特定制作的图形模板上共形制备非晶氮化硅微腔。由于非晶态材料中不存在应力的作用，所制备的微腔可通过依附于图形衬底的共形生长过程在有源层的上下方向形成分布式布拉格反射器(DBR)的光限制，在横向方向也有DBR可以对光进行限制，从而实现真正意义上的三维光限制，参看图2。这种方法制备的三维微腔，也可称为光子量子点。微腔的横向尺寸由衬底图形的尺寸所决定。这既在制备过程中避免了刻蚀引入的缺陷，又可以简化整个制作流程。通过光致荧光(PL)测试表明，该方法所制备的微腔的发射谱具有显著的横向限制效果，进一步缩小微腔的横向尺寸，可以达到单模发射。这为研制硅基单模激光器以及研究硅基单光子源在量子信息领域应用的可能性打下了坚实的基础。

四、附图说明：

图1：自上而下采用刻蚀方法形成的微柱微腔示意图。

图2：本发明在图形衬底上共形生长光子量子点的剖面示意图。图2(a)刻有柱形平台的图形衬底；图2(b)在图形衬底上用PECVD法共形生长光学微腔薄膜结构。

图3：本发明中图3(a)在图形衬底上气相共形生长微腔的剖面透射电子显微镜(TEM)照片；在横向尺寸为2μm(图3(b))和1μm(图3(c))的高度为600nm微柱上共形生长的微腔的扫描电子显微镜(SEM)照片。

图4：本发明不同横向尺寸的光子量子点的室温光致发光(PL)谱。

图5：光量子点模式本征值随横向尺寸的变化曲线，室温PL峰值(点)和理论计算值(实线)对比图。

五、具体实施方式：

利用特定设计的模版以及光刻和反应离子刻蚀(RIE)技术，在平板玻璃衬底上制作横向尺寸为2μm，高度为1μm的柱形平台(见图2a)。然后采用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)方法气相共形薄膜生长制备三维限制的非晶氮化硅光学光子量子点(见图2b)。

1.利用光刻和反应离子刻蚀(RIE)技术，在玻璃衬底上制作横向尺寸为2μm，高度为1μm的柱形平台。

a)模版设计：利用微电子平面工艺制版技术制备光刻模版，图形是边长为2μm正方形。

b)图形转移I：利用微电子平面工艺光刻技术将模版图形转移到涂敷于玻璃衬底上的Cr膜上。

Cr掩模腐蚀液配方：Ce(NO₃)₄·2NH₄NO₃∶HClO₄∶H₂O＝100g∶25ml∶650ml。腐蚀温度为室温。

c)图形转移II：利用反应离子刻蚀(RIE)技术把Cr膜上的图形转移到玻璃上，形成横向尺寸为2μm，高度为1μm的柱形平台。

RIE的具体条件如下：

刻蚀气源及流量：CHF₃  30sccm     O₂    5sccm

功率源频率：13.56MHz             功率：300W

反应腔压力：4.0Pa

RIE完成后，腐蚀去除在柱形平台上的Cr膜掩模。腐蚀液配方同上。

2.微腔结构设计

设计微腔的谐振波长为730nm，由两个对称的6周期DBR加中间一层有源层构成。

DBR中低折射率a-SiN_x层R＝8，折射率为1.9，光学带隙为3.8eV，厚度为96nm；DBR中高折射率a-SiN_y层R＝0.5，折射率为2.8，光学带隙为2.0eV，厚度为65nm。低折射率a-SiN_x层和高折射率a-SiN_y层交替生长6次。

有源层a-SiN_z层R＝2，折射率为2.1，光学带隙为2.5eV，厚度为173nm。

谐振波长在730nm的由以有源层和对称的两个6周期DBR构成的光学微腔的设计参数如表1所示。

3.在图形衬底上淀积6周期光学微腔。

3-1、固定SiH₄流量为6sccm，根据流量比R调节NH₃流量，在图形衬底上PECVD法淀积6周期的a-SiN_x/a-SiN_y薄膜。

(a)生长R＝8的a-SiN_x层，NH₃流量为48sccm，生长时间为9’40”，厚度为96nm；

(b)生长R＝0.5的a-SiN_y层，NH₃流量为3sccm，生长时间为6’28”，厚度为65nm；

重复(a)、(b)过程，总共生长6个周期的DBR。

PECVD中薄膜生长的具体工艺条件如下：

功率源频率：13.56MHz

功率密度：0.6W/cm²

反应腔压力：40Pa

衬底温度：250℃

3-2、固定SiH₄流量为6sccm，根据流量比R调节NH₃流量，在6周期的a-SiN_x/a-SiN_y薄膜上形成a-SiN_x有源层。

PECVD法生长R＝2的a-SiN_x有源层，NH₃流量为12sccm，生长时间为16’50”，厚度为173nm。

PECVD法薄膜生长的具体工艺条件如下：

功率源频率：13.56MHz；功率密度：0.6W/cm²

反应腔压力：40Pa；    衬底温度：250℃

3-3、固定SiH₄流量为6sccm，根据流量比R调节NH₃流量，在有源层上PECVD法再淀积6周期的a-SiN_x/a-SiN_y薄膜。淀积条件同3-1。

通过以上的工序我们完成了共形生长的光子量子点薄膜样品，其形貌如图3(a)(b)(c)所示；光子量子点样品本征值的PL测量结果及理论值如图4、5所示。

参见表1：谐振波长在730nm的由以有源层和对称的两个6周期DBR构成的光学微腔的设计参数。

表1

  NH₃/SiH₄  流量比(R)  折射率  (n)  厚度  (nm)  光学带隙  (eV)  λ/4 a-SiH_x  8  1.9  96  3.8  λ/4 a-SiH_y  0.5  2.8  65  2.0  λ/2 a-SiH_z  2  2.1  173  2.5