[发明专利]具有增强中红外光谱信号功能的硅基芯片及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有增强中红外光谱信号功能的硅基芯片，包括硅衬底，所述硅衬底上依次设有Ge缓冲层、重掺杂Ge层，所述重掺杂Ge层上刻蚀有亚波长微结构阵列。本发明还公开了所述的具有增强中红外光谱信号功能的硅基芯片的制备方法。与III‑V族半导体相比，本发明的具有增强中红外光谱信号功能的硅基芯片具有弱晶格吸收特性，更适合作为分子传感器芯片材料；以硅为衬底，便于与电子器件进行单片集成，大大提高了器件的稳定性和可量产性。

技术领域

本发明涉及硅光电子领域，尤其涉及一种具有增强中红外光谱信号功能的硅基芯片及其制备方法。

背景技术

傅里叶变换红外光谱(FTIR)在生物分子检测、化学有害气体监测等领域有重要应用。具体来说，我们可以通过测试分子的红外光谱，来确认分子独特的振动指纹区(即分子的特征振动吸收峰，它一般位于波长范围在4-25μm的中红外波段)，从而判别分子的种类及浓度。例如，在医疗检测领域，人们发现正常组织与癌变组织的红外光谱显著不同，癌变组织核酸分子内的磷酸二酯基团的对称伸缩振动峰(1080cm^-1)的强度比正常组织的谱带强度明显增加。

当分子的含量或浓度低于某一限定值时，限于红外光谱仪的分辨率，分子的振动吸收峰将会被背景噪声所淹没。为了分子的痕量检测，提高红外光谱在分子指纹区附近的分辨率，一种以局域表面等离子体激元(LRPs)为重要机制的硅基芯片应运而生。LPRs可以将电磁波限制在亚波长结构内，增强了结构附近的电磁场强度，使得位于结构附近的分子与电磁波的相互作用成倍增加。这样，原本十分微弱的分子信号被放大，并且在红外光谱中分辨出来。

要想产生LPRs效应，必须寻找一种合适的中红外等离子体材料，使其等离子体频率ω_p(ω_p∞(n/m_e)^0.5，其中n为材料载流子浓度，m_e为电子有效质量)恰巧落在分子指纹区附近。事实上，重掺杂半导体，由于其电学掺杂浓度在～10¹⁸-10²⁰cm^-3范围内可调(对应的等离子体频率范围是400-2500cm^-1)，且带间跃迁损耗很小，是中红外等离子体传感器基体材料的理想选择。

在2012年，以重掺杂GaAs作为基体材料，并利用纳米球光刻技术制备的锥形阵列微芯片被用来增强分子指纹谱信号。但是，这种III-V族半导体具有偶极子活化光学声子，会吸收中红外辐射，如果用它制备分子传感器的的话，就有可能把分子谱的微弱信号覆盖掉。而且这种偶极子活化光学声子还会加速光激发载流子的复合，不利于纳米天线传感器的光调制。此外，III-V族半导体也不与当前的Si-COMS工艺相兼容。

发明内容

本发明提供了一种具有增强中红外光谱信号功能的硅基芯片，其衬底为硅，便于与电子器件进行单片集成，大大提高了器件的稳定性和可量产性。

本发明提供了如下技术方案：

一种具有增强中红外光谱信号功能的硅基芯片，包括硅衬底，所述硅衬底上依次设有Ge(锗)缓冲层、重掺杂Ge层，所述重掺杂Ge层上刻蚀有亚波长微结构阵列。

直接在硅衬底上外延重掺杂锗膜具有一定困难，这是因为既要考虑Si与Ge的晶格失配，又要兼顾掺杂源对外延质量的影响。因此，应该先在硅衬底上外延一层未掺杂的Ge缓冲层，然后再在Ge缓冲层上外延重掺杂锗膜。

由Ge和Si晶格失配所产生的应变需要以线位错的形式得以释放，这种线位错会对一系列硅基光电子器件产生不利影响。为了抑制线位错的产生并将其限制在Ge与Si的界面附近，需要采用低、高温两步外延法生长硅衬底上的锗缓冲层。

优选的，所述的Ge缓冲层包括30～70nm的低温Ge层和500nm～1μm的高温Ge层，低温Ge层靠近硅衬底；