專(zhuān)利名稱(chēng)：一種硅基電光材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種在硅襯底上制備的具 有較大線(xiàn)性電光系數(shù)的硅基電光材料。
背景技術(shù)：
隨著數(shù)字化、信息化社會(huì)的來(lái)臨，高速率、大容量信息網(wǎng)絡(luò)體系的發(fā) 展將是國(guó)家信息基礎(chǔ)設(shè)施的核心內(nèi)容。光子器件及其集成芯片將在高速率 大容量信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中發(fā)揮不可替代的關(guān)鍵作用，成為光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的基 礎(chǔ)，而光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展又對(duì)光子集成不斷提出新的要求。
電光開(kāi)關(guān)和電光調(diào)制器件在計(jì)算機(jī)、通信、光信息處理等領(lǐng)域里將會(huì) 得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，這些電光器件性能的不斷改進(jìn)，對(duì)提高整個(gè)光電 子集成系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性將起到十分關(guān)鍵的作用。這些電光器件利用的 是材料的電光效應(yīng)。
電光效應(yīng)是指在直流電場(chǎng)或低頻電場(chǎng)的作用下引起材料介質(zhì)折射率 明顯變化的一種現(xiàn)象。其中，線(xiàn)性電光效應(yīng)，即材料折射率的變化與所施 加的電場(chǎng)成正比的效應(yīng)具有較大的電光系數(shù)，利用這種效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)光 開(kāi)關(guān)的快速響應(yīng)和調(diào)制器件的快速調(diào)制。只有不具有對(duì)稱(chēng)中心的材料才具 有線(xiàn)性電光效應(yīng)。
硅是目前最重要的，也是應(yīng)用最廣的半導(dǎo)體材料。在微電子領(lǐng)域，硅 工藝已經(jīng)相當(dāng)成熟，然而，遺憾的，硅由于其自身結(jié)構(gòu)的立方反演對(duì)稱(chēng)性， 并不具有線(xiàn)性電光效應(yīng)。因此，目前絕大多數(shù)電光器件都是用化合物半導(dǎo) 體材料制作的，工藝復(fù)雜，價(jià)格昂貴，而且基本上不能與現(xiàn)有的硅工藝兼容。
隨著硅基光電子技術(shù)的發(fā)展，也出現(xiàn)了一些硅基的光開(kāi)關(guān)和光調(diào)制 器。它們都是基于硅所具有的熱光效應(yīng)或者自由載流子的等離子色散效 應(yīng)，要么響應(yīng)速度慢，要么結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作成本很高，無(wú)法滿(mǎn)足硅基光電 子技術(shù)發(fā)展對(duì)硅基電光材料要求具有較大線(xiàn)性電光系數(shù)的需求。

發(fā)明內(nèi)容
(一) 要解決的技術(shù)問(wèn)題
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種硅基電光材料，以滿(mǎn)足硅 基光電子技術(shù)發(fā)展對(duì)硅基電光材料要求具有較大線(xiàn)性電光系數(shù)的需求。
(二) 技術(shù)方案
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的
一種硅基電光材料，該硅基電光材料是一種多周期結(jié)構(gòu)的量子阱或超 晶格材料，所述量子阱或超晶格材料的每個(gè)周期結(jié)構(gòu)至少包括三個(gè)組分彼 此不同的層，所述每個(gè)層含有硅或者硅和至少一種除硅以外的其它IV族 元素。
所述量子阱或超晶格材料每個(gè)周期結(jié)構(gòu)的三個(gè)層中，至少一個(gè)層采用
非金屬元素硼B(yǎng)和/或非金屬元素磷P摻雜。
所述量子阱或超晶格材料每個(gè)周期結(jié)構(gòu)的三個(gè)層中，每個(gè)層的厚度小
于10nm。
所述除硅以外的其它IV族元素為鍺，或?yàn)樘?，或?yàn)殄a。
所述硅基電光材料采用外延方法在硅襯底上外延制備，或采用涂層方 法在硅襯底上涂覆制備。
所述外延方法包括分子束外延(MBE)或超高真空化學(xué)氣相淀積 (UHV/CVD)，所述涂層方法包括離子濺射、溶膠凝膠、旋涂或熱處理。
該硅基電光材料進(jìn)一步包括至少一層預(yù)先生長(zhǎng)在硅襯底上的緩沖層 結(jié)構(gòu)，用于消除或者減小這種材料與硅襯底之間可能存在的晶格失配。
所述量子阱或超晶格材料結(jié)構(gòu)上進(jìn)一步包括至少一個(gè)表面保護(hù)層，用 于消除表面效應(yīng)。
(三)有益效果 從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果
1、 本發(fā)明提供的這種硅基電光材料，是一種多周期結(jié)構(gòu)的量子阱或 超晶格材料，該量子阱或超晶格材料的每個(gè)周期結(jié)構(gòu)至少包括三個(gè)組分彼 此不同的層，每個(gè)層含有硅或者硅和至少一種除硅以外的其它IV族元素， 在亞微觀結(jié)構(gòu)上打破了硅材料的空間反演對(duì)稱(chēng)性，從而具有了較大的線(xiàn)性 電光系數(shù)，滿(mǎn)足了硅基光電子技術(shù)發(fā)展對(duì)硅基電光材料要求具有較大線(xiàn)性 電光系數(shù)的需求。
2、 本發(fā)明提供的這種硅基電光材料，是制備在硅襯底上的，并且含有硅作為其主要的成分之一，因此容易實(shí)現(xiàn)與硅基材料和器件的光電子集 成。
3、 本發(fā)明提供的這種硅基電光材料，可以釆用與當(dāng)前的硅微電子加 工相兼容的工藝制備各種電光器件，制備成本低。
4、 本發(fā)明提供的這種硅基電光材料，與硅襯底之間，具有相容的熱 穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性，可以保證后續(xù)電光器件的性能穩(wěn)定性，延長(zhǎng)使用壽


圖1為本發(fā)明提供的硅基電光材料的結(jié)構(gòu)示意圖2為依照本發(fā)明實(shí)施例提供的硅基電光材料的顯微結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí) 施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
如圖1所示，圖1為本發(fā)明提供的硅基電光材料的結(jié)構(gòu)示意圖。其中， N為周期數(shù)，n為每個(gè)周期中的層數(shù)。該硅基電光材料是一種多周期結(jié)構(gòu) 的量子阱或超晶格材料，該量子阱或超晶格材料的每個(gè)周期結(jié)構(gòu)至少包括 三個(gè)組分彼此不同的層。
這樣，在每個(gè)周期中的單個(gè)層兩邊的界面是不等價(jià)的，不等價(jià)的界面 對(duì)不同的載流子(如電子或空穴)具有不同的限制能力，并且這種限制能 力會(huì)在外加電場(chǎng)的作用下發(fā)生變化，從而使材料呈現(xiàn)出電光效應(yīng)。為了使
這種不等價(jià)界面效應(yīng)變得明顯，所希望的，材料具有盡可能多的周期數(shù)，
并且，優(yōu)選的，每個(gè)層的厚度在10nm以下。
在這種硅基電光材料中，每個(gè)層都含有硅，此外還可以進(jìn)一步含有其 它的一種或者多種IV族元素，比如鍺，碳，錫以及其它類(lèi)似的元素。在 一些實(shí)施方案中，在每個(gè)或者多個(gè)周期的所述至少三層的結(jié)構(gòu)中，有些層 或者全部層是采用非金屬元素硼B(yǎng)和/或非金屬元素磷P摻雜的。
這種硅基電光材料一般采用外延方法在硅襯底上外延制備，或采用涂 層方法在硅襯底上涂覆制備。外延方法一般為分子束外延(MBE)、超高 真空化學(xué)氣相淀積(UHV/CVD)，或者其它傳統(tǒng)的外延方法，涂層方法一 般為離子濺射、溶膠凝膠、旋涂、熱處理或者其它常用的涂層方法。
在一些具體實(shí)施方案中，為了消除或者減小這種材料與硅襯底之間可
能存在的晶格失配，該硅基電光材料可進(jìn)一步包括一層或者多層預(yù)先生長(zhǎng) 在硅襯底上的緩沖層結(jié)構(gòu)。
另外，可選的，為了消除表面效應(yīng)，該硅基電光材料還可以在周期結(jié) 構(gòu)上進(jìn)一步包括一個(gè)或者多個(gè)表面保護(hù)層。
基于圖l所述的硅基電光材料的結(jié)構(gòu)示意圖，以下結(jié)合具體的實(shí)施例 和附圖對(duì)本發(fā)明提供的硅基電光材料進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。 實(shí)施例
如圖2所示，圖2為依照本發(fā)明實(shí)施例提供的硅基電光材料的顯微結(jié) 構(gòu)圖。在本實(shí)施例中，采用傳統(tǒng)的UHV/CVD方法，在硅(001)襯底上 外延生長(zhǎng)硅基電光材料，具體生長(zhǎng)過(guò)程如下
首先，生長(zhǎng)一層大約250nrn的硅緩沖層，然后生長(zhǎng)10個(gè)周期的5.5 nm-Sio.75Geo.25/10.3 nm-Si/2.5 nm-Sio.sGeo.s超晶格結(jié)構(gòu)，在此結(jié)構(gòu)上最后 生長(zhǎng)約20nm的Si蓋層，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
在這種結(jié)構(gòu)中，電子局域在Si層中，兩邊硅鍺合金是勢(shì)壘層，而空穴 被束縛在Sio.5Geo.5層中，Sio.sGeo.5層和Si層提供勢(shì)壘的作用。不同的界面 對(duì)電子和空穴的束縛能力是不相同的，電子和空穴從各自的阱中往兩邊勢(shì) 壘層中的穿透深度就不相同，造成電子和空穴的第一子帶包絡(luò)函數(shù)之間的 重疊主要發(fā)生在3"81。.50^5界面上。也就是說(shuō)，第一空穴子帶和第一電子 子帶之間的光學(xué)躍遷矩陣元的貢獻(xiàn)主要來(lái)自于Si-Si。.5Ge().5界面。
從晶體幾何結(jié)構(gòu)來(lái)看，在Si-Sio.sGe。.5界面兩側(cè)的化學(xué)鍵的性質(zhì)和方向 是不同的。 一側(cè)是Si-Si鍵，另外一側(cè)是Sio,5Ge。.5-Sio.5Geo.5鍵，指向分別 是[110]方向和[-110]方向。也就說(shuō)從Si-Sia5Geo.5界面來(lái)看，[IIO]和[-IIO] 方向是不等價(jià)的。
由于第一空穴子帶和第一電子子帶的重疊主要發(fā)生在Si-Si。.5GeQ.5這 個(gè)界面上，所以該材料在[110]和[-110]方向上的光學(xué)響應(yīng)是不等價(jià)的，從 而打破了硅材料固有的空間反演對(duì)稱(chēng)性。
當(dāng)外加一個(gè)較大電場(chǎng)時(shí)，電子與空穴會(huì)在電場(chǎng)作用下克服勢(shì)壘限制， 向相反的方向移動(dòng)，從而造成波函數(shù)交疊程度的改變，從宏觀上表現(xiàn)為折 射率的變化，即呈現(xiàn)出線(xiàn)性電光效應(yīng)。
用保偏光纖Mach-Zehnder干涉儀測(cè)量得到這種材料在1.55 pm波長(zhǎng)下 所具有的線(xiàn)性電光系數(shù)為Yh = 2.4X 10—11 cm/Vj63 = 1.3X l(T11 cm/V。
以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行 了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而 己，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修 改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種硅基電光材料，其特征在于，該硅基電光材料是一種多周期結(jié)構(gòu)的量子阱或超晶格材料，所述量子阱或超晶格材料的每個(gè)周期結(jié)構(gòu)至少包括三個(gè)組分彼此不同的層，所述每個(gè)層含有硅或者硅和至少一種除硅以外的其它IV族元素。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基電光材料，其特征在于，所述量子阱 或超晶格材料每個(gè)周期結(jié)構(gòu)的三個(gè)層中，至少一個(gè)層采用非金屬元素硼B(yǎng) 和/或非金屬元素磷P摻雜。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基電光材料，其特征在于，所述量子阱 或超晶格材料每個(gè)周期結(jié)構(gòu)的三個(gè)層中，每個(gè)層的厚度小于10nm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基電光材料，其特征在于，所述除硅以 外的其它IV族元素為鍺，或?yàn)樘?，或?yàn)殄a。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基電光材料，其特征在于，所述硅基電 光材料采用外延方法在硅襯底上外延制備，或采用涂層方法在硅襯底上涂覆審制備。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的硅基電光材料，其特征在于，所述外延方 法包括分子束外延MBE或超高真空化學(xué)氣相淀積UHV/CVD，所述涂層 方法包括離子濺射、溶膠凝膠、旋涂或熱處理。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基電光材料，其特征在于，該硅基電光 材料進(jìn)一步包括至少一層預(yù)先生長(zhǎng)在硅襯底上的緩沖層結(jié)構(gòu)，用于消除或 者減小這種材料與硅襯底之間可能存在的晶格失配。8、根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的硅基電光材料，其特征在于，所述量子阱或超晶格材料結(jié)構(gòu)上進(jìn)一步包括至少一個(gè)表面保護(hù)層，用于消除表面效應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種硅基電光材料，該硅基電光材料是一種多周期結(jié)構(gòu)的量子阱或超晶格材料，所述量子阱或超晶格材料的每個(gè)周期結(jié)構(gòu)至少包括三個(gè)組分彼此不同的層，所述每個(gè)層含有硅或者硅和至少一種除硅以外的其它IV族元素。本發(fā)明提供的這種硅基電光材料，在亞微觀結(jié)構(gòu)上打破了硅材料的空間反演對(duì)稱(chēng)性，從而具有了較大的線(xiàn)性電光系數(shù)，滿(mǎn)足了硅基光電子技術(shù)發(fā)展對(duì)硅基電光材料要求具有較大線(xiàn)性電光系數(shù)的需求。另外，本發(fā)明提供的這種硅基電光材料是制備在硅襯底上的，并且含有硅作為其主要的成分之一，因此容易實(shí)現(xiàn)與硅基材料和器件的光電子集成。
文檔編號(hào)G02F1/01GK101174034SQ200610114188
公開(kāi)日2008年5月7日 申請(qǐng)日期2006年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月1日
發(fā)明者左玉華, 王啟明, 雷 趙 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所