微透镜阵列耦合反射层结构制备方法与流程

1.本发明涉及半导体材料与器件技术领域，尤其涉及一种基于湿法腐蚀的微透镜阵列制备方法。


背景技术：

2.量子光源是量子计算、量子通信、量子传感等应用的关键器件。由s
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k(stranski
‑
krastanov)生长模式外延生长的半导体量子点由于三维受限具备类原子的分立能级，其中，分立二能级跃迁可制备一次只发射一个光子的量子光源；而且，上述半导体量子点二能级跃迁发射的单光子具有优异的发光强度、极窄的谱线宽度、易于多物理场调节的特性，并且易于光集成，在固态量子物理和量子信息器件领域有巨大的应用前景。量子点发光辐射由于在全空间都有分布，并且gaas体材料表面的全反射(gaas折射率为3.5而空气仅为1.0，因而全反射角度极小)导致量子点发光大部分被全反射而在体内耗散，光子提取效率很低(低于2％)，输出计数率远低于本征计数率。如何提高半导体量子点的提取效率是实现量子点单光子源的实际应用过程中亟待克服的一个技术难题。近年来主要发展出三种形式微纳光学结构来提升光子提取效率：法布里
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珀罗微柱腔、牛眼环结构、微透镜。其中，微透镜由于不局限于特定的空间模式或者光谱模式，通过将发散光几何汇聚为平行光从而提高光子提取效率，适于片上高密度批量制备，并且由于其宽谱的增强特性在量子纠缠领域有广泛的应用价值。
3.目前制备微透镜的常用方法是利用原位的电子束曝光和等离子体刻蚀(icp)形成微透镜形貌。但是这种干法制备方式制备出的微透镜表面粗糙、整个制备工艺的定位精度要求高(50nm以下)、工艺较复杂、无法一次性大量制备微透镜阵列。且dbr反射结构对于微透镜阵列来说，其提取效率较低，dbr反射结构制备也更加复杂，需要生长较多对数的多层结构，实用性较低。


技术实现要素：

4.(一)要解决的技术问题
5.有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于湿法腐蚀的微透镜阵列耦合反射层结构的制备方法，以期实现片上微透镜阵列的一次性批量制备，并将微透镜阵列耦合广谱反射层，大幅提高光子提取效率，为半导体量子点单光子源实用化提供技术基础。
6.(二)技术方案
7.本发明提供一种微透镜阵列耦合反射层结构的制备方法，包括：在衬底上制备微透镜阵列，其中，所述微透镜阵列包括量子点及包覆所述量子点的上盖层，所述上盖层表面为周期阵列排布的凸起结构；将所述微透镜阵列从所述衬底上剥离后转移至广谱反射层上，以形成所述微透镜阵列耦合反射层结构。
8.可选地，所述在衬底上制备微透镜阵列包括：在衬底上依次形成缓冲层、牺牲层、量子点及上盖层；对所述上盖层表面进行加工形成圆形周期阵列的掩膜层；对所述掩膜层
及所述上盖层进行腐蚀形成微透镜阵列。
9.可选地，所述将所述微透镜阵列从所述衬底上剥离后转移至广谱反射层上包括：解离所述衬底形成小尺寸的基片；在基片的微透镜阵列表面涂覆黑蜡保护层；采用hf腐蚀所述牺牲层以使衬底及缓冲层被剥离；将所述微透镜阵列转移至广谱反射层上并除去所述黑蜡保护层。
10.可选地，所述广谱反射层包括au或ag。
11.可选地，所述对所述上盖层表面进行加工形成圆形周期阵列的掩膜层包括：所述上盖层表面上旋涂负性光刻胶；对所述负性光刻胶进行光学曝光、显影、定影，形成圆形周期阵列孔洞；沉积介电层；剥离去除所述负性光刻胶及圆形周期阵列孔洞之外的所述介电层，形成所述掩膜层。
12.可选地，所述对所述掩膜层及所述上盖层进行腐蚀形成微透镜阵列包括：配制腐蚀液，所述腐蚀液组成为h2o2：h2so4：h2o；采用所述腐蚀液，对所述掩膜层及所述上盖层进行各向异性的酸性腐蚀，形成微透镜阵列。
13.可选地，所述配制腐蚀液采用的体积比为h2o2：h2so4：h2o＝(0.1～10)∶(100～400)∶1000。
14.可选地，所述在衬底上依次形成缓冲层、牺牲层、量子点及上盖层包括：在gaas衬底上外延生长gaas缓冲层、algaas牺牲层、量子点及gaas上盖层。
15.可选地，采用低温蒸发溅射工艺沉积所述介电层，所述介电层包括二氧化硅或氮化硅材料。
16.可选地，所述剥离去除所述负性光刻胶及圆形周期阵列孔洞之外的所述介电层包括：依次采用丙酮和乙醇溶液除去所述负性光刻胶及圆形周期阵列孔洞之外的所述介电层。
17.(三)有益效果
18.本发明基于湿法腐蚀方法制备的微透镜阵列的表面粗糙度较好、制备工艺成本较低、便于大批量制备。
19.本发明采用了先光刻出圆形周期阵列孔洞，再生长介电层、对圆形周期阵列孔洞之外区域的介电层剥离进而形成圆形周期阵列的介电层的光刻方法，以此避免介电层去除不干净而导致后续工艺无法进行的弊端。
20.本发明采用反射层设置于量子点下方，将量子点背部发出的光反射，提高量子点的下表面发射，提高量子点的发光收集效率。
21.本发明结合剥离工艺将微透镜阵列与反射层结构耦合，可以实现提取效率达到60％。并且该种剥离转移工艺不需要生长较多对数的dbr结构，且相对于下dbr结构可实现更高的提取效率，在后续压电调谐等方面有很大的优势。在量子光源、发光二极管、光电探测器等领域均有很大的实际应用价值和广泛的应用前景。
附图说明
22.图1示出了本发明提供的微透镜阵列耦合反射层结构的制备方法的流程图；
23.图2示意性示出了本发明一实施例提供的微透镜阵列耦合反射层结构的结构示意图；
24.图3示意性示出了本发明一实施例提供的微透镜阵列耦合反射层结构制备过程示意图。
25.【附图标记说明】
[0026]1‑
衬底；2
‑
广谱反射层；3
‑
量子点；4
‑
微透镜阵列；
[0027]5‑
衬底；6
‑
缓冲层；7
‑
牺牲层；8
‑
上盖层；9
‑
掩膜层；10
‑
保护层。
具体实施方式
[0028]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0029]
本发明提供了一种微透镜阵列耦合反射层结构的制备方法，包括：在衬底上制备微透镜阵列，其中，微透镜阵列包括量子点及包覆量子点的上盖层，上盖层表面为周期阵列排布的凸起结构；将微透镜阵列从衬底上剥离后转移至广谱反射层上，以形成微透镜阵列耦合反射层结构。
[0030]
本发明采用反射层设置于量子点下方，将量子点背部发出的光反射，提高量子点的下表面发射，提高量子点的发光收集效率。同时，本发明结合剥离工艺将微透镜阵列与反射层结构耦合，可以实现提取效率达到60％。并且该种剥离转移工艺不需要生长较多对数的dbr结构，且相对于下dbr结构可实现更高的提取效率，在后续压电调谐等方面有很大的优势。在量子光源、发光二极管、光电探测器等领域均有很大的实际应用价值和广泛的应用前景。
[0031]
进一步地，在衬底上制备微透镜阵列包括：在衬底上依次形成缓冲层、牺牲层、量子点及上盖层；对上盖层表面进行加工形成圆形周期阵列的掩膜层；对掩膜层及上盖层进行腐蚀形成微透镜阵列。
[0032]
在本发明一实施例中，参阅图1，微透镜阵列耦合反射层结构的制备方法包含5个主要步骤：
[0033]
s1、在衬底上依次形成缓冲层、牺牲层、量子点及上盖层。
[0034]
s2、对上盖层表面进行加工形成圆形周期阵列的掩膜层。
[0035]
s3、对掩膜层及上盖层进行腐蚀形成微透镜阵列。
[0036]
s4、剥离微透镜阵列的衬底。
[0037]
s5、将微透镜阵列转移至广谱反射层，形成微透镜阵列耦合反射层结构。
[0038]
具体地，在衬底上制备微透镜阵列包含s1、s2及s3主要的3个步骤。缓冲层形成于衬底上，主要是为了填平脱氧衬底，减少缺陷。而量子点被上盖层覆盖。通过对上盖层表面的形貌进行加工，使其具有周期阵列排布的凸起结构，即微透镜阵列，如图2所示，衬底1上为反射层2，微透镜阵列4包覆住量子点，对量子点发出的光进行聚焦，提高了量子点发光的垂直出光效率。同时，位于量子点下的反射层2为广谱反射层，将大部分从量子点靠近反射层的一方发出的光进行反射，使微透镜阵列4对该部分光也进行聚焦，更加增强的发光的收集能力。
[0039]
传统方法是采用干法制备方式，即利用电子束曝光(ebl)，按同心圆的方式逐渐改变电子束曝光剂量形成微掩模的图形，经icp刻蚀后在材料上形成微透镜阵列。但干法刻蚀制备出的微透镜光学形貌类似高斯轮廓，表面粗糙度低，本发明提供的制备微透镜阵列方
法相较于干法刻蚀制备微透镜，微透镜的表面更加光滑、制备工艺精度要求较低、透镜的光学形状更加精确可控、可一次性制备大量的微透镜阵列。进一步地，微透镜阵列耦合广谱反射层结构可以使光子提取效率从2％大幅提高到60％。
[0040]
在本发明一实施例中，参阅图3，本发明提供的微透镜阵列耦合反射层结构的制备方法的制备过程示意图如图所示。
[0041]
首先，本发明在衬底5上依次形成缓冲层4、牺牲层7、量子点3及上盖层8的结构，具体可选为：在gaas衬底上外延生长gaas缓冲层、algaas牺牲层、inas量子点及gaas上盖层。通过外延生长的方式制备该结构，在gaas衬底上同质外延生长gaas缓冲层后，依次生长。
[0042]
在本发明的上述实施例中，inas量子点的生长温度为500～600℃，生长时间为3～7min，生长速率为0.005ml/s；gaas上盖层的厚度为400～1000nm。
[0043]
进而，本发明该实施例中，上盖层8表面进行加工形成圆形周期阵列的掩膜层包括：上盖层8表面上旋涂负性光刻胶；对负性光刻胶进行光学曝光、显影、定影，形成圆形周期阵列孔洞；沉积介电层；剥离去除负性光刻胶及圆形周期阵列孔洞之外的介电层，形成掩膜层9。
[0044]
具体地，通过负性光刻胶形成上盖层8的圆形周期阵列孔洞之后，可采用低温蒸发溅射工艺沉积介电层，介电层包括二氧化硅或氮化硅材料。接着依次采用丙酮和乙醇溶液除去负性光刻胶及圆形周期阵列孔洞之外的介电层，形成圆形周期阵列的掩膜层9，此时的圆形掩膜层的尺寸还较大，在本发明一实施例中，圆形掩膜层的直径为2.5～4微米，厚度为100～300nm，圆形周期阵列的掩膜层的间距为10～100μm。因此需要再采用boe(buffered oxide etch，缓冲氧化物刻蚀液)腐蚀进一步缩小掩膜层9的周期阵列的圆形尺寸至1～3μm。其中，boe腐蚀采用腐蚀液的主要成分为nh4f4、hf和h2o，腐蚀时间为10～30秒。在本发明另一实施例中，依次采用丙酮和乙醇溶液除去负性光刻胶及圆形周期阵列孔洞之外的掩膜层9，处理时间为5～20min。
[0045]
本发明采用了先光刻出圆形周期阵列孔洞，再生长介电层、对圆形周期阵列孔洞之外区域的介电层剥离进而形成圆形周期阵列的介电层的光刻方法，以此避免介电层去除不干净而导致后续工艺无法进行的弊端。
[0046]
本发明的湿法腐蚀为：配制腐蚀液，腐蚀液组成为h2o2：h2so4：h2o；采用腐蚀液，对掩膜层及上盖层进行各向异性的酸性腐蚀，形成微透镜阵列。其基于浓h2so4腐蚀液配方的两步反应原理，以极稀的h2o2为诱导催化剂，在缩小直径的圆形周期阵列的掩膜层的边界处优先腐蚀形成钻蚀，并以钻蚀侧壁为基础，通过毛细效应，进一步钻蚀形成类似掩膜层微盘的结构，进一步腐蚀或者通过氮气吹扫将掩膜层顶盖去除，形成微透镜阵列4。其中，配制腐蚀液采用的体积比为h2o2：h2so4：h2o＝(0.1～10)∶(100～400)∶1000；各向异性的酸性腐蚀的温度在60～90℃；腐蚀时间为30～100min。
[0047]
对于各向异性的酸性腐蚀的腐蚀温度，若温度太低则腐蚀速率低导致微透镜阵列制备效率差，若温度太高则反应速度过快不易精确控制微透镜阵列的最终形貌，所以综合考虑，选取60～90℃为适宜的腐蚀温度。
[0048]
对于各向异性的酸性腐蚀的腐蚀时间，若时间过短无法形成微透镜形状，若时间过长则会导致刻蚀深度过深而破坏结构，综合考虑，选取30～100min为适宜的腐蚀时间。
[0049]
在衬底上制备微透镜阵列4之后，将微透镜阵列4从衬底5上剥离后转移至广谱反
射层2上，在本发明一实施例中，其包括：解离衬底形成小尺寸的基片；在基片的微透镜阵列4表面涂覆黑蜡保护层10；采用hf腐蚀牺牲层7以使衬底5及缓冲层2被剥离；将微透镜阵列转移至广谱反射层上并除去黑蜡保护层10。该方法通过hf选择性腐蚀牺牲层7将衬底剥离，并将剥离下来的微透镜阵列层转移至广谱反射层的衬底上，形成微透镜阵列4耦合背面反射层2结构。该广谱反射层材料包括au或ag。
[0050]
具体地，牺牲层7为algaas时，先将带有微透镜阵列的基片解离成约10
×
10mm小片并在表面涂覆黑蜡保护层保护制备好的微透镜阵列结构；用7.5％的hf腐蚀液选择性腐蚀algaas牺牲层1～10h将原有的衬底剥离。
[0051]
该种剥离转移工艺不需要生长较多对数的dbr结构，且相对于下dbr结构可实现更高的提取效率，在后续压电调谐等方面有很大的优势。在量子光源、发光二极管、光电探测器等领域均有很大的实际应用价值和广泛的应用前景。
[0052]
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
[0053]
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
[0054]
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中
±
10％的变化、在一些实施例中
±
5％的变化、在一些实施例中
±
1％的变化、在一些实施例中
±
0.5％的变化。
[0055]
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
[0056]
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
[0057]
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
[0058]
类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保
护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
[0059]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。