CN118281129A - 发光器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了发光器件及其制造方法。所述发光器件包括衬底、增益层和分布式反馈谐振腔。所述增益层包括光增益层，所述光增益层的组成材料包括硅氯酸铒纳米晶和硅纳米晶，硅纳米晶作为敏化剂能够将吸收的能量传递给硅氯酸铒纳米晶实现敏化发光，且由于硅氯酸铒材料的发光波长为1.5微米左右，能够对应于硅基光电集成中波导的最低损耗窗口，可以作为通信波段的硅基发光材料来制备光源，从而满足通讯波段的应用。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及发光器件及其制造方法。
背景技术
经过多年发展，硅基光电集成技术已经实现了波导、调制器、探测器等主要光学元件的制备。为满足工艺集成度的要求，希望能够将光源、光波导、光开关、光调制等有源或无源器件全部集成在同一基片中。由于体硅是间接带隙半导体材料，作为硅基光源使用的话发射效率很低，且外置光源虽然可以保证高发光效率，但是光对准过程中会带来较大的耦合损耗，且工艺复杂，不能满足硅基单片集成的最终目标。
现有技术通过在氧化硅基质中制备硅纳米晶实现了光增益，表明硅纳米晶材料具有用作光学增益材料的潜力。然而硅纳米晶具有较宽的发射光谱，且不能通讯波段方面的应用。
因此，有必要开发新型的发光器件以解决现有技术中存在的上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发光器件及其制造方法，以满足通讯波段应用。
为实现上述目的，本发明的所述发光器件包括：
衬底；
增益层，设置于所述衬底顶面，所述增益层包括光增益层，所述光增益层的组成材料包括硅氯酸铒纳米晶和硅纳米晶；
分布式反馈谐振腔，设置于所述增益层顶面。
本发明的所述发光器件有益效果在于：所述增益层包括光增益层，所述光增益层的组成材料包括硅氯酸铒纳米晶和硅纳米晶，硅纳米晶作为敏化剂能够将吸收的能量传递给硅氯酸铒纳米晶实现敏化发光。进一步的，由于硅氯酸铒材料的发光波长为1.5微米左右，能够对应于硅基光电集成中波导的最低损耗窗口，可以作为通信波段的硅基发光材料来制备光源，从而满足通讯波段的应用。
优选的，所述增益层还包括设置于所述光增益层顶面的电子传输层和设置于所述光增益层和所述衬底之间的空穴传输层。
进一步优选的，所述发光器件还包括设置于所述电子传输层顶面的阴极和设置于所述衬底底面的阳极，所述分布式反馈谐振腔设置于所述阴极顶面。
优选的，所述分布式反馈谐振腔的占空比为0.3-0.7且刻蚀深度为80-100纳米，并配置为满足公式2neffΛ＝mλ，其中，neff为所述光增益层的有效折射率，Λ为所述分布式反馈谐振腔的周期，m为所述分布式反馈谐振腔的阶数，λ为谐振波长。
优选的，所述衬底包括电阻率为0.1欧姆.厘米-0.2欧姆.厘米的P型单晶硅衬底。
本发明所述发光器件的制造方法包括：
S1：提供衬底，在所述衬底顶面制备增益层，所述增益层的制备过程包括使用含硅氧烷和氯化铒的有机溶胶进行旋涂、固化和高温退火以制备组成材料包括硅氯酸铒纳米晶和硅纳米晶的光增益层；
S2：在所述增益层上沉积介质材料后去除部分所述介质材料，形成分布式反馈谐振腔。
本发明所述发光器件的有益效果在于：所述步骤S1中使用含硅氧烷和氯化铒的有机溶胶进行旋涂、固化和高温退火以制备组成材料包括硅氯酸铒纳米晶和硅纳米晶的光增益层，使所述光增益层能够对应于硅基光电集成中波导的最低损耗窗口，可以作为通信波段的硅基发光材料来制备光源，从而满足通讯波段的应用。
优选的，所述步骤S1中，在所述衬底顶面制备增益层的步骤包括：
使用空穴传输材料在所述衬底上进行成膜反应以形成设置于所述衬底顶面的空穴传输层；
使用所述含硅氧烷和氯化铒的有机溶胶在所述空穴传输层顶面顺次进行所述旋涂、所述固化和所述高温退火以形成设置于所述空穴传输层顶面的所述光增益层；
使用电子传输材料在所述光增益层上进行成膜反应以形成设置于所述光增益层顶面的电子传输层。
优选的，所述步骤S2还包括使用阴极材料在所述增益层上沉积形成设置于所述增益层顶面的阴极，以及使用阳极材料在所述衬底底面进行成膜反应形成设置于所述衬底底面的阳极；
所述步骤S2中，在所述增益层上沉积介质材料后去除部分所述介质材料的步骤包括使用所述介质材料在所述阴极上进行沉积后去除部分所述介质材料以形成设置于所述阴极顶面的所述分布式反馈谐振腔。
优选的，所述含硅氧烷和氯化铒的有机溶胶由含氯化铒有机溶液和液态氢化倍半硅氧烷混合配置而成，所述含氯化铒有机溶液中氯化铒的质量浓度为20-40％，所述含氯化铒有机溶液和所述液态氢化倍半硅氧烷的体积比为1：(1-3)。
优选的，在所述增益层上沉积介质材料后去除部分所述介质材料的步骤包括：
使用所述介质材料在所述增益层上沉积形成80-100纳米厚度的介质层，图形化去除部分所述介质材料以控制所述分布式反馈谐振腔的占空比为0.3-0.7且刻蚀深度为80-100纳米，并配置为满足公式2neffΛ＝mλ，其中，neff为所述光增益层的有效折射率，Λ为所述分布式反馈谐振腔的周期，m为所述分布式反馈谐振腔的阶数，λ为谐振波长。
附图说明
图1为本发明实施例的一种光泵浦发光器件的结构示意图；
图2为图1所示的光泵浦发光器件的工作状态示意图；
图3为本发明实施例的另一种光泵浦发光器件的结构示意图；
图4为本发明实施例的电泵浦发光器件的结构示意图。
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，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
本发明实施例提供了一种发光器件及其制造方法，以满足通讯波段应用。
本发明实施例中，所述发光器件为光泵浦发光器件或电泵浦发光器件。
参照图1和图2，图1所示的光泵浦发光器件包括衬底1，设置于所述衬底顶面的光增益层2，以及设置于所述光增益层2顶面的分布式反馈(Distributed Feedback Laser，DFB)谐振腔3。通过泵浦源(图中未标示)对所述光增益层2施加光学激励4后，所述光增益层2在受激后产生能够发生能级间的跃迁的光子，光子在所述分布式反馈谐振腔3的相邻光栅31之间来回反射，使得相邻光栅31之间的光子有一致的波长、相位和运行方向，得到具有良好的方向性和相干性的出射光5。
一些实施例中，所述光学激励4为泵浦光。
一些实施例中，所述光增益层2的组成材料包括硅氯酸铒纳米晶和硅纳米晶。硅纳米晶作为敏化剂能够将吸收的能量传递给硅氯酸铒纳米晶实现敏化发光。进一步的，由于硅氯酸铒材料的发光波长为1.5微米左右，能够对应于硅基光电集成中波导的最低损耗窗口，可以作为通信波段的硅基发光材料来制备光源，从而满足通讯波段的应用。
一些实施例中，所述光增益层2的组成材料还包括氧化硅基质。由于铒处于自由离子状态下的能级间跃迁强度趋近于0，所述硅氯酸铒纳米晶和所述硅纳米晶均匀分布在所述氧化硅基质中，能够确保铒发生不同能级间的跃迁。
一些实施例中，所述衬底1为P型单晶硅衬底，以兼容CMOS工艺。
一些实施例中，所述P型单晶硅衬底的电阻率为0.1欧姆.厘米-0.2欧姆.厘米。采用电阻率低的所述P型单晶硅衬底能够确保良好的成膜质量。
一些实施例中，所述分布式反馈谐振腔3配置为满足公式2neffΛ＝mλ，其中，neff为所述光增益层的有效折射率，Λ为所述分布式反馈谐振腔的周期，m为所述分布式反馈谐振腔的阶数，λ为谐振波长。
一些实施例中，所述分布式反馈谐振腔3具有一阶布拉格光栅结构，所述光增益层2在受激后出射的所述出射光5的方向平行于所述光增益层2的受激励表面。
一些实施例中，所述分布式反馈谐振腔3具有二阶布拉格光栅结构，所述光增益层2在受激后出射的所述出射光5的方向垂直于所述光增益层2的受激励表面。
本发明实施例中，根据对吸收效率和信号反馈情况，例如激射波长的要求可灵活设置各所述光栅31的尺寸以及不同所述光栅31之间的位置关系。
一些实施例中，所述分布式反馈谐振腔3占空比为0.3-0.7且刻蚀深度为80-100纳米。
一些实施例中，组成所述分布式反馈谐振腔3的介质材料为氧化硅。
一些实施例中，参照图1至图3，图3所示的光泵浦发光器件与图1所示的光泵浦发光器件的区别在于：图1所示光泵浦发光器件的所述分布式反馈谐振腔3覆盖所述光增益层2的部分顶面使得所述光增益层2的另一部分顶面露出，而图3所示光泵浦发光器件的所述分布式反馈谐振腔3包括覆盖所述光增益层2顶面的隔离层32以及设置于所述隔离层32顶面的若干所述光栅31。通过选择所述隔离层32的组成材料以及调整所述隔离层32的厚度可以根据工艺需求调节所述隔离层32对所述光增益层2的光场限制作用来控制所述分布式反馈谐振腔3的谐振条件。
一些实施例中，参照图1和图4，图4所示的电泵浦发光器件和图1所示的光泵浦发光器件的区别在于：图4所述电泵浦发光器件中，所述光增益层2作为活性发光层，其顶面覆盖有电子传输层7，底面覆盖有空穴传输层6，且所述空穴传输层6覆盖所述衬底1的顶面，所述电子传输层7顶面覆盖有阴极8，所述衬底1底面覆盖有阳极9。所述电子传输层7和所述空穴传输层6平衡了载流子在所述光增益层2两侧的注入。当所述阴极8接电源负极，所述阳极9接电源正极，所述阴极8和所述阳极9之间形成正向偏压，电子从所述阴极8经过所述电子传输层7进入所述光增益层2，空穴从所述阳极9经过所述空穴传输层6进入所述光增益层2，电子和空穴在所述光增益层2中的所述硅纳米晶发生复合产生能量，所述硅纳米晶又将吸收的能量传递给所述硅氯酸铒纳米晶以实现发光。
一些实施例中，所述阴极8的厚度为100-200纳米。
一些实施例中，所述阳极9的厚度为800-1000纳米。
一些实施例中，所述电子传输层7的厚度为50-80纳米。
一些实施例中，所述空穴传输层6的厚度为5-10纳米。
一些实施例中，组成所述电子传输层7的电子传输材料为具有电子传输能力的金属氧化物。所述金属氧化物可以是氧化锌。
一些实施例中，组成所述空穴传输层6的空穴传输材料为具有空穴传输能力的材料，例如可以是氧化钼。
一些实施例中，组成所述阴极8的材料为氧化铟锡ITO。
一些实施例中，组成所述阳极9的材料为金属铝或金属银。
本发明实施例还提供了所述发光器件的制造方法。
一些实施例的所述步骤S1中，使用含硅氧烷和氯化铒的有机溶胶对所述衬底1的顶面进行旋涂形成薄膜后，对得到的所述衬底1进行固化工艺和高温退火工艺后得到顶面覆盖有所述光增益层2的所述衬底1。
一些具体的实施例中，使用电阻率为0.1欧姆.厘米-0.2欧姆.厘米的P型单晶硅衬底作为所述衬底1。
一些具体的实施例中，在进行旋涂工艺前使用由过氧化氢和硫酸组成的过标准清洗液对所述衬底1进行清洗以去除杂质，并使用高纯氮气吹干。
一些实施例中，使用含氯化铒有机溶液和氢化倍半硅氧烷(HSQ)光刻胶混合配置所述含硅氧烷和氯化铒的有机溶胶，所述含氯化铒有机溶液中氯化铒的质量浓度为20-40％，所述含氯化铒有机溶液和所述氢化倍半硅氧烷的体积比为1：(1-3)。
一些具体的实施例中，将500毫克氯化铒溶解于1毫升甲基异丁基甲酮中充分溶解获得氯化铒溶液；将HSQ均匀分散在甲基异丁基甲酮中并控制HSQ质量浓度为6％得到HSQ分散液。将1毫升氯化铒溶液和1毫升HSQ分散液混合均匀得到所述含硅氧烷和氯化铒的有机溶胶。
一些实施例中，控制进行旋涂的速率为5000-6000rpm，旋涂时间为15-20秒。
一些实施例中，对完成旋涂的所述衬底1在100-200摄氏度下烘烤10-60分钟以实现对所述薄膜的固化。
一些实施例中，对完成所述固化的所述衬底1置于高温管式炉中，以氩气作为保护气氛，在1000-1100℃下退火60 -120min以完成所述高温退火。
一些实施例的所述步骤S2中，使用所述介质材料在所述光增益层2顶面进行沉积后再去除部分所述介质材料得到设置于所述光增益层2顶面的所述分布式反馈谐振腔3。
一些实施例中，通过电子束蒸发工艺在所述光增益层2顶面沉积80-100纳米的原始介质层后，再通过图形化工艺刻蚀部分所述介质材料得到所述分布式反馈谐振腔3。具体的，对所述原始介质层的刻蚀深度可根据工艺需求进行灵活调整。
一些具体的实施例中，所述介质材料为二氧化硅，使用CF4和O2作为刻蚀气体，在等离子体刻蚀***中进行反应等离子刻蚀(RIE)。
一些实施例中，对所述原始介质层进行的匀胶显影以及后续的刻蚀控制实现所述分布式反馈谐振腔3的占空比为0.3-0.7且刻蚀深度为80-100纳米。
一些实施例中，对所述原始介质层进行的匀胶显影以及后续的刻蚀控制实现所述分布式反馈谐振腔3满足公式2neffΛ＝mλ，其中，neff为所述光增益层的有效折射率，Λ为所述分布式反馈谐振腔的周期，m为所述分布式反馈谐振腔的阶数，λ为谐振波长。
一些实施例中，使用空穴传输材料在所述衬底1上进行成膜反应以形成覆盖所述衬底1顶面的所述空穴传输层6后，使用所述含硅氧烷和氯化铒的有机溶胶在所述空穴传输层6顶面顺次进行所述旋涂、所述固化和所述高温退火以形成覆盖所述空穴传输层6顶面的所述光增益层2；使用电子传输材料在所述光增益层2上进行成膜反应以形成覆盖所述光增益层2顶面的所述电子传输层7，再使用阴极材料在所述电子传输层7上进行成膜反应形成覆盖所述电子传输层7顶面的所述阴极8。
一些实施例中，形成所述空穴传输层6、所述电子传输层7和所述阴极8的成膜反应根据以上各层组成原料的特性可选择采用电子束蒸发工艺或热蒸发工艺实现。具体的工艺方法为本领域技术人员的常规技术手段。
一些实施例中，使用所述介质材料在所述阴极8上进行沉积后去除部分所述介质材料以形成覆盖所述阴极8顶面或部分顶面的所述分布式反馈谐振腔3。具体工艺方法请参见前述。
一些实施例中，使用阳极材料在所述衬底1底面进行成膜反应形成覆盖所述衬底1底面的所述阳极9。所述成膜反应具体可根据所述阳极9组成原料的特性选择采用电子束蒸发工艺或热蒸发工艺实现。具体的工艺方法为本领域技术人员的常规技术手段。
虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。
Claims (10)
1.一种发光器件，其特征在于，包括：
衬底；
增益层，设置于所述衬底顶面，所述增益层包括光增益层，所述光增益层的组成材料包括硅氯酸铒纳米晶和硅纳米晶；
分布式反馈谐振腔，设置于所述增益层顶面。
2.根据权利要求1所述的发光器件，其特征在于，所述增益层还包括设置于所述光增益层顶面的电子传输层和设置于所述光增益层和所述衬底之间的空穴传输层。
3.根据权利要求2所述的发光器件，其特征在于，还包括设置于所述电子传输层顶面的阴极和设置于所述衬底底面的阳极，所述分布式反馈谐振腔设置于所述阴极顶面。
4.根据权利要求1所述的发光器件，其特征在于，所述分布式反馈谐振腔的占空比为0.3-0.7且刻蚀深度为80-100纳米，并配置为满足公式2neffΛ＝mλ，其中，neff为所述光增益层的有效折射率，Λ为所述分布式反馈谐振腔的周期，m为所述分布式反馈谐振腔的阶数，λ为谐振波长。
5.根据权利要求1所述的发光器件，其特征在于，所述衬底包括电阻率为0.1欧姆.厘米-0.2欧姆.厘米的P型单晶硅衬底。
6.一种发光器件的制造方法，其特征在于，包括：
S1：提供衬底，在所述衬底顶面制备增益层，所述增益层的制备过程包括使用含硅氧烷和氯化铒的有机溶胶进行旋涂、固化和高温退火以制备组成材料包括硅氯酸铒纳米晶和硅纳米晶的光增益层；
S2：在所述增益层上沉积介质材料后去除部分所述介质材料，形成分布式反馈谐振腔。
7.根据权利要求6所述的发光器件的制造方法，其特征在于，所述步骤S1中，在所述衬底顶面制备增益层的步骤包括：
使用空穴传输材料在所述衬底上进行成膜反应以形成设置于所述衬底顶面的空穴传输层；
使用所述含硅氧烷和氯化铒的有机溶胶在所述空穴传输层顶面顺次进行所述旋涂、所述固化和所述高温退火以形成设置于所述空穴传输层顶面的所述光增益层；
使用电子传输材料在所述光增益层上进行成膜反应以形成设置于所述光增益层顶面的电子传输层。
8.根据权利要求6所述的发光器件的制造方法，其特征在于，所述步骤S2还包括使用阴极材料在所述增益层上沉积形成设置于所述增益层顶面的阴极，以及使用阳极材料在所述衬底底面进行成膜反应形成设置于所述衬底底面的阳极；
所述步骤S2中，在所述增益层上沉积介质材料后去除部分所述介质材料的步骤包括使用所述介质材料在所述阴极上进行沉积后去除部分所述介质材料以形成设置于所述阴极顶面的所述分布式反馈谐振腔。
9.根据权利要求6所述的发光器件的制造方法，其特征在于，所述含硅氧烷和氯化铒的有机溶胶由含氯化铒有机溶液和氢化倍半硅氧烷光刻胶混合配置而成，所述含氯化铒有机溶液中氯化铒的质量浓度为20-40％，所述含氯化铒有机溶液和所述氢化倍半硅氧烷的体积比为1：(1-3)。
10.根据权利要求6所述的发光器件的制造方法，其特征在于，在所述增益层上沉积介质材料后去除部分所述介质材料的步骤包括：
使用所述介质材料在所述增益层上沉积形成80-100纳米厚度的介质层，图形化去除部分所述介质材料以控制所述分布式反馈谐振腔的占空比为0.3-0.7且刻蚀深度为80-100纳米，并配置为满足公式2neffΛ＝mλ，其中，neff为所述光增益层的有效折射率，Λ为所述分布式反馈谐振腔的周期，m为所述分布式反馈谐振腔的阶数，λ为谐振波长。
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2022
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