专利名称：用于光电功能器件的金属波导微腔光耦合结构的工艺制程的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种金属波导微腔光耦合结构的制作工艺，具体涉及一种用于光电功能器件的金属波导微腔光耦合结构的工艺，它适用于可见光，红外，乃至太赫兹波段的光耦合结构制作。
背景技术：
表面等离子体是沿金属导体表面传播的电磁波，它是入射电磁场和金属表面的自由电子相互耦合形成的“局域”电磁共振模式，有时也称其为表面等离子体激元(Surface Plasmon polaritons, SPPs) 0金属表面自由电子在入射电磁场的激励下集体相干振荡，这种相互作用产生了 SPI^s并赋予它独特的性质表面局域和近场增强。SPI^s局域场的强度比原来场可以有数量级的提升并且能够突破衍射极限，在亚(光学)波长结构中传输电磁波。在金属表面等离激元发现以来，国际上有很多小组利用金属的表面等离激元来增强半导体光电器件的光耦合。SPI^s用于光电器件，一般为在器件表面形成一层金属结构，在入射光激发下，金属表面形成SPI^s使得光电耦合成为可能。其光电耦合效率比传统的微带天线有较大改善，器件的光吸收效率也可以比拟传统的基于介质材料的光子晶体光耦合结构。基于SPI^s的单层光耦合结构的缺点是，SPI^s强度在材料的生长方向上呈e指数衰减， 材料对光的有效吸收仅局限于金属的表面附近。为了进一步增强材料的光吸收效率，有必要对SPI^s光耦合结构也引入传统光学的微腔波导结构，即在功能器件的上、下表面各形成一层金属结构。入射光通过SPI^s效应被引入并局域在金属微腔中形成驻波，器件的光吸收层可以多次吸收微腔中的入射光，大大增强材料对光吸收效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种在光电器件材料上形成金属微腔的工艺制程，使得金属微腔光耦合技术从理论转向实际应用，大大增强光电器件的光耦合效率。常规的光电功能器件的光响应波段一般在可见光到近红外，中长波红外。在这个波段的光经过光电功能材料的折射后，材料内部的光波长一般在百纳米到微米量级，因而用于光耦合的金属微腔厚度也必须在微米量级。以常规的光电功能材料GaAs为例，器件的衬底材料一般在200-500um厚，器件功能材料的有效厚度一般在0. l-10um。为了形成金属微腔，器件的衬底材料必须剥离形成功能器件薄膜，然后在功能器件薄膜的上、下表面各生长一层金属光耦合结构。由于微米厚度的材料非常脆，很容易断裂，金属微腔光耦合的薄膜还必须引入合适的基底材料作为支撑。功能材料薄膜在金属波导微腔的制作过程中粘附在过渡基底上，在制作完成后再转移到适合器件封装测量的最终基底材料上。针对上述要求，我们提出了利用双层石蜡辅助基底转移的工艺制程，主要是利用了石蜡在融化后可以和器件高平整度粘合的特性，保证了功能器件薄膜在工艺制备过程中完好无损。本发明的工艺制程要点如下(如图1所示，详细步骤见实施实例)
1.首先制备完成没有光耦合结构的光电功能器件单元。2.在功能器件的上表面制备一层金属结构1。制备方法可以采用常规的热蒸发方法。3.接下来工艺要解决的重点是如何在器件减薄到微米厚度后(厚度在0. 1到10 微米，取决于功能器件的结构)将器件薄膜转移到金属蒸发系统中再蒸发一层金属。我们采取如下方法a)取一片表面平整的过渡基底材料2，如GaAs衬底片或硅片，用一层微晶石蜡3 粘在功能器件的表面。 b)用普通石蜡4将过渡基底材料2和功能器件一起粘附到表面平整的毛玻璃9上以便进行器件薄膜的制备。这时功能器件的衬底材料朝上，通过减薄和抛光的工艺即可将器件的衬底材料完全去除，得到功能器件薄膜5。c)将普通石蜡层4去除，使得过渡基底材料2和功能器件薄膜5 —起从毛玻璃9 上取下。d)此时功能器件薄膜5由微晶石蜡层3粘附在过渡基底材料2上，可以放入蒸发金属的腔体内，蒸镀一层金属结构6，即形成金属微腔。4.以上工艺完成后功能器件薄膜5的表面被过渡基底材料2和微晶石蜡层3覆盖，导致器件无法测量。我们的解决方法是a)在金属结构层6上涂上一层胶体7，粘上适合功能器件测量的最终基底材料8， 低于石蜡熔点固化胶体。最终基底材料根据胶体7来选取。如取胶体7为紫外固化胶，则最终基底材料8可以为透光的宝石片、石英片。b)剥离带蜡的过渡基底材料2，将微晶石蜡层3去除干净，即形成金属微腔高效光耦合的光电功能器件，如图1所示。整个金属微腔工艺制程的核心是在表层金属制备完成后再在薄膜的下表面生长一层金属而又不能损伤功能器件薄膜。本发明利用石蜡融化后高平整度，加热融化去除的特性来进行基底支撑材料的转移，功能器件的表面在工艺过程中被石蜡很好的保护起来， 没有受到后续工艺制程的影响。由于石蜡有高熔点和低熔点之分，我们可以在过渡基底材料和毛玻璃(用于衬底减薄)之间采用低熔点的普通石蜡，在过渡基底材料和功能器件薄膜之间使用高熔点的微晶石蜡，保证功能器件薄膜制备完成后可以顺利从抛光用毛玻璃上取下，而薄膜仍然良好粘附于过渡基底材料上。高熔点的微晶石蜡也保证了功能器件薄膜在热蒸发金属层时仍然完好无损。本发明的工艺制程对光电功能器件的材料没有特殊要求，可以适用于任何光电功能器件，所有可用金属表面等离激元进行光电耦合的器件结构均适用于本工艺制程，包括量子阱红外探测器件，太阳能电池薄膜，LED和激光光发射器件等。本工艺制程对于入射光波长没有特殊要求，对于可见光可以利用电子束光刻加电子束蒸发的方法制作金属光耦合结构，对于红外光乃至太赫兹波段可以用常规的紫外光刻加电子束蒸发方法形成金属结构，因而将在光子探测、光发射、显微成像等诸多领域有广阔应用前景。
图1为本发明器件的工艺要点示意图，利用过渡基底材料和两层石蜡实现功能器件薄膜的制备和上、下表面的金属结构的制备。图中所示的金属波导微腔部分是减薄到微米厚度的器件薄膜。图中的编号对应结构如下(1)金属结构层；(2)过渡基底材料；(3)微晶石蜡层；(4)普通石蜡层；(5)功能器件薄膜；(6)金属结构层；(7)胶；(8)最终基底材料；(9)减薄用毛玻璃。图2为金属波导微腔的详细工艺制程，从没有制备光耦合结构的单元器件开始， 利用过渡基底材料和两层石蜡逐步实现金属波导微腔光耦合结构。图中21:GaAs衬底；
22=Ala45GEta55As,腐蚀阻挡层；
23:n-GaAs下电极层，硅掺杂浓度为2. 5E17Cm_3 ；
244个周期的Alai5GEia85AsAkiAs量子阱层；
25:n-GaAs下电极层，硅掺杂浓度为2. 5E17Cm_3 ；
26:AuGeNi/Au金属电极；
27=Au金属光栅层；
28微晶石蜡层；
29过渡基底材料层；
30普通石蜡层；
31减薄抛光用毛玻璃；
32:Au金属层；
33常温固化胶层；
34最终基底材料层。
图2-1为腐蚀完成的量子阱台面；
图2-2为制备出上下金属电极的量子阱台面；
图2-3为在量子阱台面表面进一步制备金属光栅结构；
图2-4为将量子阱台面用微晶石蜡粘到过渡基底材料上；
图2-5为将过渡基底材料用普通石蜡再粘到毛玻璃上以便减薄；
图2-6为减薄、抛光好的量子阱薄膜；
图2-7将毛玻璃和石蜡层去除，只余下过渡基底材料和量子阱薄膜；
图2-8在量子阱薄膜的底部蒸发一层金属；
图2-9将最终基底材料(石英片)用胶粘到量子阱薄膜上；
图2-10加热去除微晶石蜡层和过渡基底材料层，完成金属波导微腔工艺。
图3为金属波导微腔光耦合结构和45度磨角量子阱器件的光电流谱对比，
谱由傅里叶变换红外光谱仪测量得到。
图4金属波导微腔光耦合结构和45度磨角量子阱器件的红外响应对比，器件的测量温度均为35K，黑体温度均为1000K，其他测量条件也保持一致。
具体实施例方式我们以金属微腔光耦合工艺制程在量子阱长波红外探测器件的应用为例，具体说明发明内容中的工艺制程。但注意本工艺制程不仅适用于量子阱红外探测器件，还可以广泛适用于其他光电器件。基于GaAs/AlGaAs的量子阱红外探测器在红外探测领域有重要的应用，在长波探测方面，量子阱红外探测器是传统的碲镉汞红外探测器有力的竞争者。然而根据量子力学偶极跃迁定则，只有电矢量垂直于多量子阱生长面的入射光才能被量子阱吸收，产生光生载流子，而正入射的光基本上不能被量子阱吸收，量子效率很低。因此，必须采用适当的光耦合措施来增加量子阱红外探测的量子效率。我们希望利用金属微腔工艺使得入射光在量子阱层形成一系列的类似法布里-珀罗共振模式，金属SPI^s在法布里谐振腔中来回传播过程中被量子阱吸收，从而大大提高了量子阱红外探测器的耦合效率。我们采用的量子阱材料结构如下(采用分子束外延方法生长)衬底材料为GaAs 衬底21，在衬底材料上生长300nm Al0.45Ga0.55As作为腐蚀阻挡层22，然后继续生长^Onm， 硅掺杂浓度为2. 5E17cm_3的n-GaAs下电极层23，接着生长4个周期的量子阱层M 势垒为60nm的Al0.15Ga0.85As,势阱为6. 5nm的n-GaAs (势阱中间3. 5nm为硅掺杂，浓度为 2. 5E17cnT3)，最后在生长^Onm的n-GaAs上电极层25，硅掺杂浓度为2. 5E17cnT3。上电极层到下电极层的总厚度约900nm，设计的响应波长在15um长波红外。对于上述材料，金属微腔的设计厚度为900nm，响应波长为15um的入射光。利用 RSoff软件采用金属表面等离子体近场效应和微带天线理论进行模拟，我们得出金属微腔上层金属光栅结构为周期d = 10. Sum,刻槽宽度a = 3. Oum,金属层采用200nm厚度的金 (Au)膜。金属微腔增强的量子阱红外探测器的具体工艺实施如下1.利用光刻和湿法腐蚀工艺，制作出量子阱台面，如图2-1所示。2.在台面上热蒸发生长AuGeNi/Au共600nm，制备出上下金属电极沈，如图2-2所
7J\ ο3.在器件的n-GaAs层25上由光刻光栅图形，电子束蒸发金属，剥离刻槽金属三个步骤生长Au金属层27，如图2-3所示。金属层的周期d= 10.811111，刻槽宽度￡1 = 3.011111，金厚度为200nm。4.在金属层沈，27上涂一层微晶石蜡层观，粘上过渡基底材料四，这里取过渡基底材料为GaAs衬底片四，如图2-4所示。微晶石蜡层28采用高熔点的微晶蜡。5.在过渡基底材料(GaAs衬底片)29上涂上一层普通石蜡层30，然后再在石蜡上面沾上毛玻璃31，如图2-5所示。6.利用减薄和化学机械抛光设备将器件的衬底层21减至20um左右，然后利用器件的腐蚀阻挡层22用腐蚀方法完全去除器件的衬底层21直到腐蚀阻挡层22。最后利用氢氟酸去除器件的的腐蚀阻挡层22，如图2-6所示。7.利用加热或者去蜡剂去除毛玻璃31和普通石蜡层30，如图2_7所示。
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8.此时功能器件薄膜由微晶石蜡层观粘附在过渡基底四上。利用电子束蒸发或热蒸发在器件的下电极层23上沉积一层金属层32，金厚200nm，如图2_8所示。9.在金属层32上部涂一层常温固化胶33，然后粘上最终的基底材料34，如图2_9 所示。这里我们选取胶33为导热的紫外固化胶，最终基底材料为石英片34。10.最后利用加热或者去蜡剂去除微晶石蜡层观和过渡基底材料29，即可得到金属微腔增强的量子阱红外探测器件，如图2-10所示。微腔耦合的器件制备完成后，我们进行了黑体响应测量。对于常规的量子阱单元器件的测量，人们通常没有制备光栅，而是采用对量子阱器件进行45度磨角测量其响应率和探测率。为了直观的展示微腔耦合量子阱器件相对45度磨角器件在光耦合上的优势，我们比较了二者的光电流谱和1000K下的黑体响应(测量温度为35K)。测量时两个器件处于相同的测量条件。傅里叶变化红外光谱仪获取光电流谱的具体结果如图3所示，谱强度进行了归一化。1000K黑体响应结果如图4所示，将锁相获取的信号重新计算得到器件的光电流。由图3可知，金属微腔耦合的量子阱光谱较窄，半高宽不到2um，远小于45度磨角器件的7um半高宽。45度磨角器件的半高宽较宽，应该是材料生长质量较差所致，但是经过微腔光耦合后，新器件的半高宽减小到小于2um，大大改善了器件的光谱质量。因此微腔耦合工艺技术可以使得较差的材料应用于实际的红外探测，具有重要意义。由图四可知，金属微腔耦合的量子阱的峰值红外响应是45度磨角量子阱的5倍以上，大大改善了器件的红外响应，表明金属微腔对入射光有很强的局域作用，使得入射光被量子阱充分吸收，增强了器件的光电耦合效率。以上所述的实施例仅为了说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的范围不仅局限于上述具体实施例，即凡依本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍涵盖在本发明的保护范围。
权利要求
1. 一种用于光电功能器件的金属波导微腔光耦合结构的工艺制作方法，其特征在于包括以下步骤1)首先制备完成没有光耦合结构的光电功能器件单元；2)在制作完成的光电功能器件单元表面上采用常规的热蒸发方法制备一层金属结构(1)3)按以下a)_d)步骤将器件薄膜转移到金属蒸发系统中再蒸发一层金属形成金属波导微腔a)取一片表面平整的过渡基底材料O)，如GaAs衬底片或硅片，用一层微晶石蜡(3) 粘在功能器件的表面；b)用普通石蜡(4)将过渡基底材料( 和功能器件一起粘附到表面平整的毛玻璃(9) 上以便进行器件薄膜的制备，这时功能器件的衬底材料朝上，通过减薄和抛光的工艺即可将器件的衬底材料完全去除，得到功能器件薄膜(5)，功能器件薄膜(5)的厚度在0. 1-10微米之间，取决于所用的材料；c)将普通石蜡层(4)去除，使得过渡基底材料( 和功能器件薄膜( 一起从毛玻璃 (9)上取下；d)此时功能器件薄膜(5)由微晶石蜡层C3)粘附在过渡基底材料( 上，可以放入蒸发金属的腔体内，蒸镀一层金属结构(6)，即形成金属微腔；4)在金属层(6)上涂上一层胶体(7)，粘上适合功能器件测量的最终基底材料(8)并剥离过渡基底材料( 和石蜡层(3)，即形成金属微腔高效光耦合的光电功能器件，若胶体 (7)为紫外固化胶，则最终基底材料(8)采用宝石片或石英片透光的材料。
全文摘要
本发明公开了一种用于光电功能器件的金属波导微腔光耦合结构的工艺制程，可以使得光电功能器件的光耦合效率大大提升。本金属波导微腔工艺制程的要点是利用过渡基底材料实现功能器件薄膜的上、下表面金属结构的制备；利用两层石蜡工艺使得功能器件薄膜的制备以及在不同基底材料之间的转移成为可能。本工艺制程具有广泛的通用性，功能器件薄膜的厚度可以从百纳米到百微米，金属光耦合结构的特征尺寸可以从纳米尺度(电子束光刻)到微米尺度(紫外光刻)，响应的入射光可以从可见到太赫兹波段。长波量子阱红外探测器的实施实例表明本工艺制程可以优化器件的光谱响应和大大提高器件的红外响应率。
文档编号H01L31/18GK102185025SQ20111008281
公开日2011年9月14日 申请日期2011年4月1日 优先权日2011年4月1日
发明者俞立明, 张波, 李天信, 李宁, 李志锋, 王少伟, 王旺平, 甄红楼, 陆卫, 陈平平, 陈效双 申请人:上海中科高等研究院, 中国科学院上海技术物理研究所, 阿旺赛镀膜技术(上海)有限公司