具有波导的集成石墨烯检测器制造技术

本发明专利技术涉及具有波导的集成石墨烯检测器。本公开涉及半导体结构，以及更具体地，涉及与光波导结构集成的石墨烯检测器和制造方法。该结构包括由基板材料构成的多个非平面鳍片结构，以及整体在所述多个非平面鳍片结构中的每一个之上延伸的非平面石墨烯材料片。

Integrated graphene detector with waveguide

The invention relates to an integrated graphene detector with a waveguide. The present disclosure relates to semiconductor structures and, more specifically, to graphene detectors and manufacturing methods integrated with optical waveguide structures. The structure comprises a plurality of non-planar fin structures consisting of a substrate material and a non-planar graphene material sheet extending on each of the plurality of non-planar fin structures as a whole.

【技术实现步骤摘要】
具有波导的集成石墨烯检测器
本公开涉及半导体结构，以及更具体地，涉及与光波导结构集成的石墨烯检测器和制造方法。
技术介绍
硅光子学是使用硅作为光学介质的光子系统的应用。硅通常以亚微米精度图案化为微光子部件。硅光子器件可以使用现有的半导体制造技术制造，并且由于硅已经用作大多数集成电路的衬底，因此可以创建混合器件，其中光学和电子部件被集成到单个微芯片上。硅光子学包括硅波导，由于硅波导独特的导引特性，可以将硅波导用于通信、互连、生物传感器等。硅光子学的整体集成对于下一代T比特通信和高度集成的密集结构是需要的。目前，这种结构中的互连是铜。然而，铜是，因为转向更高的千兆字节(例如，25千兆字节及以上)性能的扭转点，涉及附加的成本和功耗。这就产生了对传输数据的硅光子技术的需求。
技术实现思路
在本公开的一个方面中，一种结构，包括：由衬底材料构成的多个非平面鳍片结构；以及整体在所述多个非平面鳍片结构中的每一个之上延伸的非平面石墨烯材料片。在本公开的一个方面中，一种方法，包括：从衬底材料形成多个非平面波导鳍片结构；在所述非平面波导鳍片结构上形成材料；以及热分解所述材料以形成在所述多个非平面波导鳍片结构中的每一个之上延伸的非平面石墨烯材料片。在本公开的一个方面中，一种方法，包括：由绝缘体上半导体材料形成多个非平面鳍片结构；在所述非平面鳍片结构上沉积基于碳的材料；退火所述基于碳的材料以将所述基于碳的材料热分解为在所述多个非平面鳍片结构中的每一个的整体之上延伸的应力非平面石墨烯材料片；以及形成与所述非平面石墨烯材料片电连接的接触。附图说明在以下通过本公开的示例性实施例的非限制性示例，以参考多个附图的详细说明来描述了本公开。图1A-1C示出了根据本公开的方面的各结构和制造方法。图2A-2C示出了根据本公开的附加方面的各结构和制造方法。图3A-3C示出了根据本公开的附加方面的各结构和制造方法。图4A和4B示出了根据本专利技术的附加方面的集成石墨烯检测器和波导结构以及相应的制造方法。图5示出了根据本专利技术的附加方面的集成石墨烯检测器和波导结构以及相应的制造方法。图6示出了根据本专利技术的附加方面的集成石墨烯检测器和波导结构以及相应的制造方法。图7示出了根据本专利技术的附加方面的集成石墨烯检测器和波导结构以及相应的制造方法。图8示出了根据本专利技术的附加方面的集成石墨烯检测器和波导结构以及相应的制造方法。图9示出了根据本专利技术的附加方面的集成石墨烯检测器和波导结构以及相应的制造方法。图10示出了根据本专利技术的附加方面的集成石墨烯检测器和波导结构以及各自的制造方法。具体实施方式本公开涉及半导体结构，更具体地，涉及与光波导结构集成的石墨烯检测器和制造方法。更具体地，本公开涉及石墨烯检测器与非平面硅波导结构的整体集成。通过利用这种设计，有利地，硅光子学的单片集成可以用于下一代的千吉比特通信和其他密集的片上系统(SoC)应用。在实施例中，石墨烯检测器是沉积在非平面波导结构上的石墨烯材料的非平面片。在更具体的实施例中，非平面硅波导结构由从绝缘体上硅(SOI)衬底形成的硅基鳍片结构组成。石墨烯片可以通过在非平面鳍片结构上的热分解方法形成，这导致非平面的石墨烯片。通过实施本文所述的非平面设计，可以增加给定足印(footprint)区上的石墨烯的密度，从而提高基于石墨烯的应用的效率，例如提高检测效率，以及有助于缩放波导结构。此外，应当理解，石墨烯片的非平面性将应力引入到材料中，从而能够利用其全部带隙范围(例如，1.3-2.75μm)。具有本公开的波导结构的集成石墨烯检测器可以使用许多不同的工具以多种方式制造。通常，该方法和工具被用于形成尺寸在微米和纳米级的结构。已经从集成电路(IC)技术中采用了用于制造本公开的具有波导结构的集成石墨烯检测器的方法，即，技术。例如，具有波导结构的集成石墨烯检测器构建在晶片上，并且通过在晶片顶部上通过光刻工艺图案化的材料的膜实现。特别地，具有波导结构的集成石墨烯检测器的制造使用三个基本构建块：(i)在衬底上沉积材料薄膜，(ii)通过光刻成像在膜的顶部上施加图案化掩模，以及(iii)将薄膜选择性地蚀刻到掩模。图1A-1C示出了根据本公开的方面的各自的结构和制造方法。更具体地，图1A的结构10示出了由衬底材料(例如，优选地由下伏的半导体材料16和掩埋氧化物层14组成的绝缘体上硅(SOI)衬底)形成的多个鳍片结构12。在实施例中，鳍片结构12可以由任何适宜的材料构成，包括但不限于Si、SiGe、SiGeC、SiC、GaAs、InAs、InP和其他III/V或II/VI化合物半导体。本领域技术人员应该理解，鳍片结构12可以是波导结构。在实施例中，鳍片结构12可以是由常规CMOS方法形成的超大的高度对宽度比率的鳍片结构(例如，用于22nm和更小的技术节点的高纵横比鳍片结构)。例如，鳍片结构12可以是通过侧壁图像转移(SIT)方法形成的约10nm宽(尽管其中考虑了其它尺寸)。在SIT技术中，例如，使用常规CVD工艺在衬底的上表面上形成心轴材料，例如SiO2。在该心轴材料上形成抗蚀剂并暴露于光以形成图案(开口)。通过开口进行反应离子蚀刻以形成心轴。在实施例中，依赖于鳍片结构12之间的期望尺寸，心轴可以具有不同的宽度和/或间隔。间隔物形成在心轴的侧壁上，其优选地是不同于心轴的材料，并且使用常规本领域技术人员已知的沉积方法形成。例如，间隔物可以具有与鳍片结构12的尺寸匹配的宽度。使用对心轴材料有选择性的常规蚀刻方法去除或剥离心轴。然后，在间隔物的间隔内进行蚀刻以形成亚光刻特征。然后，可以剥离侧壁间隔物。在实施例中，鳍片结构12还可以在该图案化方法或其他图案化方法期间形成，或者通过本公开所构思的其它常规图案化方法形成。在图1B中，材料18将被选择性地沉积在鳍片结构12上，即在包括鳍片结构12的顶表面和侧壁的整个鳍片结构之上。在实施例中，材料18是选择性地沉积鳍片结构12的部分(端部)上。可以使用外延生长方法(例如化学气相沉积(CVD))方法将SiC材料沉积在鳍片结构12上。如图1C所示，SiC材料18经历退火工艺以将SiC热分解成位于鳍片结构12的整体(例如，鳍片结构12的顶表面和侧壁)之上的非平面石墨烯片20。根据在本公开的方面，石墨烯片20的非平面性导致在石墨烯片20的边缘处引入的应力，其又产生全带隙范围，例如1.3-2.75μm。该带隙范围有助于通过量化状态来放大信号以改善检测器特性。热分解过程可以例如通过电子束加热、电阻加热等在真空环境中进行，以形成例如1nm厚的石墨烯单层片；尽管在本文中还考虑了约4层或更多层的其它相对厚的石墨烯层。在实施例中，退火工艺可以是尖峰退火工艺，更具体地说，可以在约1100℃至约1100℃的温度下在约1ATM或以上的压力下进行，例如在约1E-9至约1E-8托。在更具体的实施方案中，退火工艺可以在氩气氛中进行，例如在1000℃下5分钟；在1100℃下5分钟；在1250℃下10分钟。图2A-2C示出了根据本公开的附加方面的各个结构和制造方法。更具体地，图2A示出了包括由衬底(优选地，由半导体材料16和掩埋氧化物层14组成的绝缘体上硅(SOI)衬底)形成的多个鳍片结构12的结构10'。如在本文所述的任何实施例中，鳍片结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种结构，包括：由衬底材料构成的多个非平面鳍片结构；以及整体在所述多个非平面鳍片结构中的每一个之上延伸的非平面石墨烯材料片。

【技术特征摘要】
2017.04.13 US 15/4868491.一种结构，包括：由衬底材料构成的多个非平面鳍片结构；以及整体在所述多个非平面鳍片结构中的每一个之上延伸的非平面石墨烯材料片。2.根据权利要求1所述的结构，其中所述非平面鳍片结构是基于硅的波导结构。3.根据权利要求1所述的结构，其中所述非平面石墨烯材料片是在所述多个非平面鳍片结构之间在绝缘体材料之上延伸的包围结构。4.根据权利要求1所述的结构，其中所述非平面石墨烯材料片材被直接形成在所述多个非平面鳍片结构的所述衬底材料上。5.根据权利要求1所述的结构，其中所述非平面石墨烯材料片被直接形成在所述多个非平面鳍片结构上的绝缘体材料上。6.根据权利要求1所述的结构，其中所述非平面石墨烯材料片被直接形成在具有类似于石墨烯的晶体结构的材料上。7.根据权利要求1所述的结构，其中所述非平面石墨烯材料片为1-4片厚。8.根据权利要求1所述的结构，还包括在所述多个非平面鳍片结构的顶表面之上与所述非平面石墨烯材料片电接触的接触。9.根据权利要求8所述的结构，其中所述接触是与所述多个非平面鳍片结构正交的指状接触。10.根据权利要求8所述的结构，其中所述多个非平面鳍片结构和接触形成PIN检测器。11.一种方法，包括：从衬底材料形成多个非平面波导鳍片结构；在所述非平面波导鳍片结构上形成材料；以及热分解所述材料以形成在所述多个非平面波导鳍片结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·P·雅各布，
申请(专利权)人：格芯公司，
类型：发明
国别省市：开曼群岛,KY