CN116169562B - 一种胶体量子点光源集成结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种胶体量子点光源集成结构及其制备方法，涉及光源集成技术领域，解决现有的光源集成技术存在生成的半导体材料质量较差的问题，包括硅衬底，硅衬底上沉积二氧化硅层，二氧化硅层上沉积非晶硅层，非晶硅层上沉积氮化硅下包层，氮化硅下包层上生成胶体量子点增益层，胶体量子点增益层上沉积氮化硅上包层；氮化硅上包层上设置光栅结构；氮化硅上包层、胶体量子点增益层、氮化硅下包层形成尺寸为(8‑12)μm*(5‑8)μm的SiN/CQDs/SiN结构；非晶硅层位于氮化硅下包层正下方，非晶硅层的尺寸为(2‑6)μm*(5‑8)μm；硅衬底和二氧化硅层的尺寸均为(18‑22)*(18‑22)μm。
Description
技术领域
本发明涉及光源集成技术领域，更具体的是涉及胶体量子点光源集成结构及其制备方法技术领域。
背景技术
量子点是一种重要的低维半导体材料，其三个维度上的尺寸都不大于其对应的半导体材料的激子玻尔半径的两倍。量子点一般为球形或类球形，其直径常在2-20nm之间，常见的量子点由IV、II-VI，IV-VI或III-V元素组成。量子点是一种纳米级别的半导体，通过对这种纳米半导体材料施加一定的电场或光压，它们便会发出特定频率的光，而发出的光的频率会随着这种半导体的尺寸的改变而变化，因而通过调节这种纳米半导体的尺寸就可以控制其发出的光的颜色，由于这种纳米半导体拥有限制电子和电子空穴的特性，这一特性类似于自然界中的原子或分子，因而被称为量子点。胶体量子点是一种分散在溶液中的无机半导体纳米材料，其三维尺寸通常在1-30nm之间，在溶液中化学合成得到，由核心、壳层以及配体三部分组成。
光源是硅光芯片的关键部件之一，由于硅材料本身不能发光，因此如何将光源与硅基集成是研发光收发模块的关键。目前的光源集成技术主要有三种，一是单片集成，即在硅衬底上生长III-V族半导体材料，然后在III-V族半导体材料上做激光器件；二是异质集成，即通过III-V族半导体材料对硅基晶圆键合的方式将其与硅基进行异质集成，然后制备III-V激光器；三是混合集成，即首先制备好III-V族激光器，然后通过倒装焊或者外接激光器的方式将激光器与硅光芯片进行集成。上述三种集成方式存在以下缺点：
1.采用单片集成，由于III-V族半导体材料和硅具有很大的晶格失配量(如GaAs、InP和Si分别具有4％和8％的晶格失配量)和热膨胀系数失配量，以及极性/非极性界面的失配，在硅基材料上直接生长III-V族半导体材料非常困难，通过这种方式获得的III-V族半导体材料质量较差。
2.采用异质集成和混合集成的方式进行集成，需要将III-V族半导体材料键合到硅基晶圆上，这对于精确度的要求较高，大规模生产时存在成本较高的问题。
发明内容
本发明的目的在于解决现有的光源集成技术存在生成的半导体材料质量较差或精度要求较高、不适于大规模生产的问题，为了解决上述技术问题，本发明提供一种胶体量子点光源集成结构及其制备方法。
本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
一种胶体量子点光源集成结构，包括硅衬底，所述硅衬底上方沉积有二氧化硅层，所述二氧化硅层上方沉积有非晶硅层，所述非晶硅层上方沉积有氮化硅下包层，所述氮化硅下包层上方生成致密的胶体量子点增益层，所述胶体量子点增益层上方沉积有氮化硅上包层；
所述氮化硅上包层上设置有光栅结构；
由所述氮化硅上包层、胶体量子点增益层、氮化硅下包层形成SiN/CQDs/SiN结构，所述非晶硅层位于所述氮化硅下包层的正下方，所述非晶硅层两端向内缩进一定距离形成悬空结构。
进一步的，二氧化硅层的厚度为2-5μm。
进一步的，非晶硅层的厚度为180-220nm；光栅结构的深度为65-75nm。
进一步的，氮化硅下包层的厚度为90-110nm；胶体量子点增益层的厚度为25-35nm；氮化硅上包层的厚度为140-160nm。
进一步的，所述SiN/CQDs/SiN结构的尺寸为(8-12)μm*(5-8)μm；
所述非晶硅层位于所述氮化硅下包层的正下方，所述非晶硅层的尺寸为(2-6)μm*(5-8)μm；
所述硅衬底和二氧化硅层的尺寸均为(18-22)*(18-22)μm。
进一步的，SiN/CQDs/SiN结构的具体制作方法为：首先在氮化硅上包层进行均匀涂胶，然后通过曝光显影的方法将选定的区域用光刻胶保护，最后通过RIE干法刻蚀，得到SiN/CQDs/SiN结构。
本申请中使用的氮化硅材料具有高折射率、宽波长且透明的光学性质，结合氮化硅上包层的光栅结构和氮化硅下包层的悬空结构的设计，使胶体量子点在微腔中的增益效果进一步增强，同时实现了在氮化硅平台芯片上胶体量子点光源的集成。而且光栅结构和悬空结构的设计均会产生折射率差，由于这种折射率差的存在，使得胶体量子点在被泵浦光激发后的发射光能在胶体量子点增益层的微腔中形成共振，因此能更好地增强胶体量子点在微腔中的增益效果，为后续直接在硅基底上制备高集成度的硅光子器件，提供一种高量子产率、发光波长可调且具有潜在的低成本优势的大规模集成方案。
本申请的集成结构无需将半导体材料键合到硅基晶圆上，同时采用胶体量子点作为光源，也解决了目前单片集成中存在的III-V族半导体材料与硅基之间存在较大的晶格失配量、热膨胀系数失配量、以及极性/非极性界面的失配导致在硅基材料上直接生长III-V族半导体材料非常困难的问题，而且采用胶体量子点作为增益层，还可以通过改变胶体量子点的尺寸、组分、以及形貌来调节光源发射的波长。
为了实现上述目的，本申请还提出了一种胶体量子点光源集成结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在硅衬底上沉积二氧化硅层；
步骤2：在二氧化硅层上沉积非晶硅层；
步骤3：在非晶硅层上沉积氮化硅下包层；
步骤4：在氮化硅下包层上通过旋涂工艺和有机物交联材料生产致密的胶体量子点增益层；
步骤5：在胶体量子点增益层上沉积氮化硅上包层；
步骤6：使用RIE干法刻蚀的方法制作SiN/CQDs/SiN结构；
步骤7：在氮化硅上包层上设置光栅结构；
步骤8：通过湿法刻蚀工艺，使用碱性溶液将非晶硅层的两侧均向内刻蚀2-3μm。
进一步的，步骤4中胶体量子点增益层的制作方法为：在惰性气体的保护下，将六烷基甲胺、十八烯和羧酸镉组成的Cd先驱体加热到290-310℃，充分溶解搅拌至溶液澄清，并通过热注射法将准备好的Se先驱体TOP-Se快速注入，通过控制反应时间，得到目标尺寸的胶体量子点后，迅速将溶液温度降到170-190℃，再分批定量加入提前准备好的Cd先驱体和S先驱体ODE-S，在180-210℃下反应形成壳层，重复上述步骤，直到得到目标尺寸。
进一步的，步骤7中光栅结构的制作方法为：在氮化硅上包层上均匀涂胶，然后通过曝光显影将光栅结构图形转移到光刻胶上，再通过RIE干法刻蚀工艺在氮化硅上包层表面形成光栅结构。
进一步的，步骤8中使用的碱性溶液包括四甲基氢氧化铵。
本发明的有益效果如下：
(1)本申请中使用的氮化硅材料具有高折射率、宽波长且透明的光学性质，结合氮化硅上包层的光栅结构和氮化硅下包层的悬空结构的设计，使胶体量子点在微腔中的增益效果进一步增强，同时实现了在氮化硅平台芯片上胶体量子点光源的集成；
(2)本申请中的光栅结构和悬空结构的设计均会产生折射率差，由于这种折射率差的存在，使得胶体量子点在被泵浦光激发后的发射光能在胶体量子点增益层的微腔中形成共振，因此能更好地增强胶体量子点在微腔中的增益效果，为后续直接在硅基底上制备高集成度的硅光子器件，提供一种高量子产率、发光波长可调且具有潜在的低成本优势的大规模集成方案；
(3)本申请的集成结构无需将半导体材料键合到硅基晶圆上，同时采用胶体量子点作为光源，也解决了目前单片集成中存在的III-V族半导体材料与硅基之间存在较大的晶格失配量、热膨胀系数失配量、以及极性/非极性界面的失配导致在硅基材料上直接生长III-V族半导体材料非常困难的问题，而且采用胶体量子点作为增益层，还可以通过改变胶体量子点的尺寸、组分、以及形貌来调节光源发射的波长。
附图说明
图1是本发明中一种胶体量子点光源集成结构的结构示意图；
图2是本发明中一种胶体量子点光源集成结构制备流程中的结构示意图。
附图标记：01-硅衬底，02-二氧化硅层，03-非晶硅层，04-氮化硅下包层，05-胶体量子点增益层，06-氮化硅上包层，07-光栅结构。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
如图1和图2所示，本实施例提供一种胶体量子点光源集成结构及其制备方法，胶体量子点光源集成结构包括硅衬底01，硅衬底01上方沉积有二氧化硅层02，二氧化硅层02上方沉积有非晶硅层03，非晶硅层03上方沉积有氮化硅下包层04，氮化硅下包层04上方生成致密的胶体量子点增益层05，胶体量子点增益层05上方沉积有氮化硅上包层06；
氮化硅上包层06上设置有光栅结构07；
氮化硅上包层06、胶体量子点增益层05、氮化硅下包层04形成SiN/CQDs/SiN结构，所述SiN/CQDs/SiN结构的尺寸为8μm*5μm；
非晶硅层03位于氮化硅下包层04的正下方，非晶硅层03的尺寸为2μm*5μm；
硅衬底01和二氧化硅层02的尺寸均为18*18μm。
胶体量子点光源集成结构的制备方法包括以下步骤：
步骤1：在硅衬底01上沉积厚度为2μm的二氧化硅层02；
步骤2：在二氧化硅层02上沉积厚度为180nm的非晶硅层03；
步骤3：在温度为260℃的条件下，在非晶硅层03上沉积厚度为90nm的氮化硅下包层04；
步骤4：在惰性气体氮气的保护下，将六烷基甲胺、十八烯和羧酸镉组成的Cd先驱体加热到290℃，充分溶解搅拌至溶液澄清，并通过热注射法将准备好的Se先驱体TOP-Se快速注入，通过控制反应时间，得到直径为9nm的胶体量子点后，迅速将溶液温度降到170℃，再分批加入提前准备好的Cd先驱体和S先驱体ODE-S，在180℃下反应形成壳层，重复上述步骤，直到得到厚度为25nm的胶体量子点增益层05；
步骤5：在胶体量子点增益层05上沉积140nm的氮化硅上包层06；
步骤6：在氮化硅上包层06进行均匀涂胶，然后通过曝光显影的方法将选定的区域用光刻胶保护，最后通过RIE干法刻蚀，得到SiN/CQDs/SiN结构，尺寸为8μm x5μm；
步骤7：在氮化硅上包层06上均匀涂胶，然后通过曝光显影将光栅结构07图形转移到光刻胶上，再通过RIE干法刻蚀工艺在氮化硅上包层06表面形成光栅结构07；深度为65nm；
步骤8：通过湿法刻蚀工艺，使用四甲基氢氧化铵将非晶硅层03的两侧均向内刻蚀3μm。
实施例2
如图1和图2所示，基于实施例1，该实施例的胶体量子点光源集成结构的制备方法包括以下步骤：
步骤1：在硅衬底01上沉积厚度为3μm的二氧化硅层02；
步骤2：在二氧化硅层02上沉积厚度为190nm的非晶硅层03；
步骤3：在温度为280℃的条件下，在非晶硅层03上沉积厚度为95nm的氮化硅下包层04；
步骤4：在惰性气体氮气的保护下，将六烷基甲胺、十八烯和羧酸镉组成的Cd先驱体加热到300℃，充分溶解搅拌至溶液澄清，并通过热注射法将准备好的Se先驱体TOP-Se快速注入，通过控制反应时间，得到直径为9nm的胶体量子点后，迅速将溶液温度降到180℃，再分批加入提前准备好的Cd先驱体和S先驱体ODE-S，在190℃下反应形成壳层，重复上述步骤，直到得到厚度为30nm的胶体量子点增益层05；
步骤5：在胶体量子点增益层05上沉积145nm的氮化硅上包层06；
步骤6：在氮化硅上包层06进行均匀涂胶，然后通过曝光显影的方法将选定的区域用光刻胶保护，最后通过RIE干法刻蚀，得到SiN/CQDs/SiN结构，尺寸为9μm x6μm；
步骤7：在氮化硅上包层06上均匀涂胶，然后通过曝光显影将光栅结构07图形转移到光刻胶上，再通过RIE干法刻蚀工艺在氮化硅上包层06表面形成光栅结构07；深度为70nm；
步骤8：通过湿法刻蚀工艺，使用四甲基氢氧化铵将非晶硅层03的两侧均向内刻蚀3μm。
实施例3
如图1和图2所示，基于实施例1，该实施例的胶体量子点光源集成结构的制备方法包括以下步骤：
步骤1：在硅衬底01上沉积厚度为3.5μm的二氧化硅层02；
步骤2：在二氧化硅层02上沉积厚度为190nm的非晶硅层03；
步骤3：在温度为280℃的条件下，在非晶硅层03上沉积厚度为100nm的氮化硅下包层04；
步骤4：在惰性气体氮气的保护下，将六烷基甲胺、十八烯和羧酸镉组成的Cd先驱体加热到300℃，充分溶解搅拌至溶液澄清，并通过热注射法将准备好的Se先驱体TOP-Se快速注入，通过控制反应时间，得到直径为9nm的胶体量子点后，迅速将溶液温度降到190℃，再分批加入提前准备好的Cd先驱体和S先驱体ODE-S，在200℃下反应形成壳层，重复上述步骤，直到得到厚度为35nm的胶体量子点增益层05；
步骤5：在胶体量子点增益层05上沉积150nm的氮化硅上包层06；
步骤6：在氮化硅上包层06进行均匀涂胶，然后通过曝光显影的方法将选定的区域用光刻胶保护，最后通过RIE干法刻蚀，得到SiN/CQDs/SiN结构，尺寸为10μm x7μm；
步骤7：在氮化硅上包层06上均匀涂胶，然后通过曝光显影将光栅结构07图形转移到光刻胶上，再通过RIE干法刻蚀工艺在氮化硅上包层06表面形成光栅结构07；深度为75nm；
步骤8：通过湿法刻蚀工艺，使用四甲基氢氧化铵将非晶硅层03的两侧均向内刻蚀3μm。
实施例4
如图1和图2所示，该实施例的胶体量子点光源集成结构的制备方法包括以下步骤：
步骤1：在硅衬底01上沉积厚度为5μm的二氧化硅层02；
步骤2：在二氧化硅层02上沉积厚度为200nm的非晶硅层03；
步骤3：在温度为280℃的条件下，在非晶硅层03上沉积厚度为105nm的氮化硅下包层04；
步骤4：在惰性气体氮气的保护下，将六烷基甲胺、十八烯和羧酸镉组成的Cd先驱体加热到310℃，充分溶解搅拌至溶液澄清，并通过热注射法将准备好的Se先驱体TOP-Se快速注入，通过控制反应时间，得到直径为9nm的胶体量子点后，迅速将溶液温度降到190℃，再分批加入提前准备好的Cd先驱体和S先驱体ODE-S，在200℃下反应形成壳层，重复上述步骤，直到得到厚度为30nm的胶体量子点增益层05；
步骤5：在胶体量子点增益层05上沉积155nm的氮化硅上包层06；
步骤6：在氮化硅上包层06进行均匀涂胶，然后通过曝光显影的方法将选定的区域用光刻胶保护，最后通过RIE干法刻蚀，得到SiN/CQDs/SiN结构，尺寸为11μm x8μm；
步骤7：在氮化硅上包层06上均匀涂胶，然后通过曝光显影将光栅结构07图形转移到光刻胶上，再通过RIE干法刻蚀工艺在氮化硅上包层06表面形成光栅结构07；深度为70nm；
步骤8：通过湿法刻蚀工艺，使用四甲基氢氧化铵将非晶硅层03的两侧均向内刻蚀3μm。
实施例5
如图1和图2所示，该实施例的胶体量子点光源集成结构的制备方法包括以下步骤：
步骤1：在硅衬底01上沉积厚度为5μm的二氧化硅层02；
步骤2：在二氧化硅层02上沉积厚度为220nm的非晶硅层03；
步骤3：在温度为280℃的条件下，在非晶硅层03上沉积厚度为110nm的氮化硅下包层04；
步骤4：在惰性气体氮气的保护下，将六烷基甲胺、十八烯和羧酸镉组成的Cd先驱体加热到310℃，充分溶解搅拌至溶液澄清，并通过热注射法将准备好的Se先驱体TOP-Se快速注入，通过控制反应时间，得到直径为11nm的胶体量子点后，迅速将溶液温度降到190℃，再分批加入提前准备好的Cd先驱体和S先驱体ODE-S，在210℃下反应形成壳层，重复上述步骤，直到得到厚度为35nm的胶体量子点增益层05；
步骤5：在胶体量子点增益层05上沉积160nm的氮化硅上包层06；
步骤6：在氮化硅上包层06进行均匀涂胶，然后通过曝光显影的方法将选定的区域用光刻胶保护，最后通过RIE干法刻蚀，得到SiN/CQDs/SiN结构，尺寸为12μm x8μm；
步骤7：在氮化硅上包层06上均匀涂胶，然后通过曝光显影将光栅结构07图形转移到光刻胶上，再通过RIE干法刻蚀工艺在氮化硅上包层06表面形成光栅结构07；深度为75nm；
步骤8：通过湿法刻蚀工艺，使用四甲基氢氧化铵将非晶硅层03的两侧均向内刻蚀3μm。
Claims (10)
1.一种胶体量子点光源集成结构，其特征在于，包括硅衬底(01)，所述硅衬底(01)上方沉积有二氧化硅层(02)，所述二氧化硅层(02)上方沉积有非晶硅层(03)，所述非晶硅层(03)上方沉积有氮化硅下包层(04)，所述氮化硅下包层(04)上方生成致密的胶体量子点增益层(05)，所述胶体量子点增益层(05)上方沉积有氮化硅上包层(06)；
所述氮化硅上包层(06)上设置有光栅结构(07)；
由所述氮化硅上包层(06)、胶体量子点增益层(05)、氮化硅下包层(04)形成SiN/CQDs/SiN结构，所述非晶硅层(03)位于所述氮化硅下包层(04)的正下方，所述非晶硅层(03)两端向内缩进一定距离形成悬空结构。
2.根据权利要求1所述的胶体量子点光源集成结构，其特征在于，二氧化硅层(02)的厚度为2-5μm。
3.根据权利要求1所述的胶体量子点光源集成结构，其特征在于，非晶硅层(03)的厚度为180-220nm；光栅结构(07)的深度为65-75nm。
4.根据权利要求1所述的胶体量子点光源集成结构，其特征在于，氮化硅下包层(04)的厚度为90-110nm；胶体量子点增益层(05)的厚度为25-35nm；氮化硅上包层(06)的厚度为140-160nm。
5.根据权利要求1所述的胶体量子点光源集成结构，其特征在于，所述SiN/CQDs/SiN结构的尺寸为(8-12)μm*(5-8)μm；
所述非晶硅层(03)位于所述氮化硅下包层(04)的正下方，所述非晶硅层(03)的尺寸为(2-6)μm*(5-8)μm；
所述硅衬底(01)和二氧化硅层(02)的尺寸均为(18-22)*(18-22)μm。
6.根据权利要求1所述的胶体量子点光源集成结构，其特征在于，SiN/CQDs/SiN结构的具体制作方法为：首先在氮化硅上包层(06)进行均匀涂胶，然后通过曝光显影的方法将选定的区域用光刻胶保护，最后通过RIE干法刻蚀，得到SiN/CQDs/SiN结构。
7.一种权利要求1所述的胶体量子点光源集成结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在硅衬底(01)上沉积二氧化硅层(02)；
步骤2：在二氧化硅层(02)上沉积非晶硅层(03)；
步骤3：在非晶硅层(03)上沉积氮化硅下包层(04)；
步骤4：在氮化硅下包层(04)上通过旋涂工艺和有机物交联材料生产致密的胶体量子点增益层(05)；
步骤5：在胶体量子点增益层(05)上沉积氮化硅上包层(06)；
步骤6：使用RIE干法刻蚀的方法制作SiN/CQDs/SiN结构；
步骤7：在氮化硅上包层(06)上设置光栅结构(07)；
步骤8：通过湿法刻蚀工艺，使用碱性溶液将非晶硅层(03)的两侧均向内刻蚀2-3μm。
8.根据权利要求7所述的一种胶体量子点光源集成结构的制备方法，其特征在于，步骤4中胶体量子点增益层(05)的制作方法为：在惰性气体的保护下，将六烷基甲胺、十八烯和羧酸镉组成的Cd先驱体加热到290-310℃，充分溶解搅拌至溶液澄清，并通过热注射法将准备好的Se先驱体TOP-Se快速注入，通过控制反应时间，得到目标尺寸的胶体量子点后，迅速将溶液温度降到170-190℃，再分批定量加入提前准备好的Cd先驱体和S先驱体ODE-S，在180-210℃下反应形成壳层，重复上述步骤，直到得到目标尺寸。
9.根据权利要求7所述的一种胶体量子点光源集成结构的制备方法，其特征在于，步骤7中光栅结构(07)的制作方法为：在氮化硅上包层(06)上均匀涂胶，然后通过曝光显影将光栅结构(07)图形转移到光刻胶上，再通过RIE干法刻蚀工艺在氮化硅上包层(06)表面形成光栅结构(07)。
10.根据权利要求7所述的一种胶体量子点光源集成结构的制备方法，其特征在于，步骤8中使用的碱性溶液包括四甲基氢氧化铵。
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