氮化硅薄膜转移技术与多孔硅基一维光子晶体制备研究

论文摘要

本项目探索一种利用多孔硅作为分离层实现功能薄膜或由此构成的器件的衬底转移的技术并探索该技术在三维集成以及射频电路中的应用,并同时探索了多孔硅基一维光子晶体的制备及特性研究。 第一章介绍了本课题的研究背景和研究内容。衬底转移技术可以实现芯片系统三维集成,该技术的产生背景来源于绝缘层上硅的制备技术,应用背景则是为了解决硅射频电路中的衬底损耗问题。光子晶体最基本的特征是存在类似于半导体禁带的光子频率带隙(PBG),频率落在带隙内的电磁波被禁止传播。光子晶体具有各种特殊的光学性质,在各方面有着很大的应用潜力。为了得到具有较宽光子带隙且易于构造的光子晶体材料,人们在不断地探索和研究各种光子晶体结构。而研究内容包括氮化硅薄膜的衬底转移技术和一维光子晶体的制备。 第二章简要介绍了氮化硅薄膜的衬底转移和一维光子晶体的制备方法。其中氮化硅薄膜的衬底转移技术包括腐蚀形成多孔硅、氮化硅的淀积、胶合、剥离及后处理工艺。而一维光子晶体的制备方法包括p型和n型单晶硅在不同电流密度下阳极氧化以形成折射率交替变化的多孔硅层,并采用了不同氢氟酸浓度的腐蚀液,以获得最佳的浓度配比。 第三章为多孔硅表面氮化硅的淀积与转移技术的结果与讨论。在本文中厚达1.1微米的氮化硅薄膜采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)被均匀地淀积到多孔硅表面上,而没有发生单晶硅上淀积氮化硅薄膜时出现的龟裂现象;然后,用环氧树脂将这样的薄膜层间接键合于玻璃衬底,并最终通过多孔硅的劈裂实现了与硅衬底的分离。实验结果表明这样的转移技术将有助于射频电路衬底损耗问题的解决;并由于氮化硅在红外波段优异的吸收特性,该技术将有助于红外热堆器件芯片系统的三维集成。 第四章为一维光子晶体制备的结果与讨论。在我们的实验中,p型硅基的六十周期反射结构经由阳极氧化得以实现,并在此基础上我们成功制作了基于一维光子晶体的全反射镜,其禁带宽度大于0.25微米,中心反射波长约为1.6微米。作为对比,n型多孔硅的反射结构形成条件也得以研究。我们发现,在特定的条件下,n型多孔硅的高孔度层与低孔度层的交替结构可以实现,而且界面良好,这预示着基于n型多孔硅的一维光子晶体的成功制作成为可能。

论文目录

• 目录
• 第一章 导论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 转移连接（Transfer and Joint）技术介绍
• 1.1.2 多孔硅与电流、超晶格及光子晶体的关系
• 1.2 本文的工作
• 1.2.1 厚膜氮化硅的转移
• 1.2.2 多层反射膜的制备
• 第二章 制备方法
• 2.1 氮化硅薄膜的转移
• 2.1.1 实验总流程
• 2.1.2 具体工艺步骤
• 2.2 纳米硅基一维光子晶体的制备
• 2.2.1 p型硅样品实验条件
• 2.2.2 n型硅样品实验条件
• 第三章 多孔硅表面氮化硅厚膜淀积及转移机理
• 3.1 多孔硅表面厚膜淀积分析
• 3.1.1 引言
• 3.1.2 多孔硅薄膜应力分析概述
• 3.1.3 多孔硅表面氮化硅厚膜淀积分析
• 3.2 氮化硅厚膜转移分析
• 3.2.1 键合原理
• 3.2.2 固体薄膜转移技术
• 3.2.3 氮化硅厚膜转移的实现分析
• 第四章 硅基一维光子晶体的机理、表征及分析
• 4.1 多孔硅单层膜的制备与光学性质研究
• 4.1.1 简介
• 4.1.2 制备
• 4.1.3 结构特性表征与分析
• 4.1.4 结论
• 4.2 多孔硅基一维光子晶体理论与设计
• 4.2.1 一维光子晶体的结构与光子禁带
• 4.2.2 一维光子晶体与光学多层介质膜
• 4.2.3 多孔硅基一维光子晶体的设计
• 4.3 多孔硅基一维光子晶体在p型和n型单晶硅上的实现分析
• 4.3.1 p型硅样品微结构（图4.11与图4.12）分析
• 4.3.2 n型硅样品微结构（图4.13）分析
• 4.3.3 结论
• 4.4 多孔一维光子晶体的光学性质
• 4.4.1 引言
• 4.4.2 理论
• 4.4.3 光学分析
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢