單方向發(fā)射的光泵浦氮化物回音壁激光器及其制備方法
【專利說明】單方向發(fā)射的光泵浦氮化物回音壁激光器及其制備方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明屬于激光技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種單方向發(fā)射的光栗浦氮化物回音壁激光器及其制備方法。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004]激光按腔體結(jié)構(gòu)可分為三類:第一類是光在納米顆粒界面隨機(jī)共振形成的隨機(jī)激光；第二類是光在一維的微納米結(jié)構(gòu)中利用微納米線兩個(gè)端面作為腔鏡形成共振產(chǎn)生的F-P激光。前者散射損耗很大，沒有固定模式；后者的端面損耗很大，也不易得到高品質(zhì)(Q)、低閾值激光。鑒于此，采用尺度較大的微米棒或微米碟等微腔利用其全內(nèi)反射形成的回音壁模(WGM)激光則為人們提供了一條獲得高品質(zhì)激光的途徑。
[0005]但是圓形的懸空微碟或六邊形的氮化鎵單晶WGM激光器作為光通信器件或者集成光學(xué)器件而言還不夠優(yōu)秀，因?yàn)樗鼪]有單一的激光方向輸出，不容易和其它的光電子器件進(jìn)行對(duì)接。因此，如何優(yōu)化WGM微腔結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)單方向性發(fā)射的高Q低閾值氮化鎵WGM紫外激光將是本項(xiàng)目重點(diǎn)討論的問題。為了獲得單方向性發(fā)射的高增益低損耗的氮化物WGM紫外激光，申請(qǐng)人利用先進(jìn)的微納加工技術(shù)，設(shè)計(jì)并制備非對(duì)稱氮化物懸空微腔，微腔的橫截面是獨(dú)特的非對(duì)稱形狀:圓形+ “錐角?！板F角”是圓的切線和一條弧線在圓的外側(cè)相交形成的銳角部分。該結(jié)構(gòu)具有以下兩個(gè)優(yōu)勢(shì):第一，“懸空”使氮化鎵薄膜微腔上下表面被低折射率的空氣所包裹，光線在高折射率半導(dǎo)體和它周圍低折射率空氣的微腔界面處的全內(nèi)反射以WGM形式傳導(dǎo)，垂直方向的光學(xué)模也受到強(qiáng)烈限制，這種WGM傳導(dǎo)作用和光學(xué)限制極大地降低了光學(xué)散射和透射帶來的光學(xué)損耗，可產(chǎn)生維持激射作用的足夠大的光增益。第二，微腔的橫截面設(shè)計(jì)為圓形+ “錐角”的形狀。圓形具有極高的光學(xué)增益和極小的光學(xué)損耗，能夠形成閉合的激光諧振，而光在曲率較高的“錐角”區(qū)域不滿足全反射條件，可將WGM微腔中的激光單方向性地導(dǎo)出。
[0006]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]技術(shù)問題:本發(fā)明提供一種具有極高的光學(xué)增益和極低的損耗，有利于與光電子器件集成，可以獲得高品質(zhì)因子低閾值的回音壁模激光的單方向發(fā)射的光栗浦氮化物回音壁激光器，同時(shí)提供了一種工藝性好、加工精度高的制備上述單方性發(fā)射的光栗浦氮化物回音壁激光器的方法。
技術(shù)方案:本發(fā)明的單方向發(fā)射的光栗浦氮化物回音壁激光器，以硅基氮化物晶片為載體，包括硅基底、設(shè)置在所述硅基底上的硅柱、由所述硅柱支撐的懸空非對(duì)稱薄膜微腔和設(shè)置在所述非對(duì)稱薄膜微腔上表面的硬質(zhì)掩膜層，非對(duì)稱薄膜微腔的底部中心通過硅柱與硅基底的連接，使得非對(duì)稱氮化物薄膜微腔結(jié)構(gòu)懸空，所述硬質(zhì)掩膜層為二氧化硅層。非對(duì)稱薄膜微腔結(jié)構(gòu)由氮化鎵構(gòu)成，包括圓形的本體、設(shè)置在所述本體周向外側(cè)的突出錐角，所述突出錐角由本體圓周切線、本體圓周上弧線和本體外的弧線圍成，所述本體外的弧線與本體圓周相交的夾角為銳角。
[0008]本發(fā)明中，硅基底和硅柱均為在硅基氮化物晶片的硅襯底層上刻蝕得到的。
[0009]本發(fā)明利用光學(xué)光刻和反應(yīng)離子刻蝕工藝和電感耦合等離子體深硅刻蝕工藝制備不同尺寸的非對(duì)稱氮化物懸空薄膜微腔。設(shè)計(jì)合理的工藝步驟，包括刻蝕模板的形狀，獲得由柱狀支撐的且邊緣光滑的非對(duì)稱氮化鎵懸空薄膜微腔。降低微腔的彎曲損耗和側(cè)面粗糙引起的散射損耗。
[0010]本發(fā)明制備方法的步驟如下:
第一步利用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣象沉積設(shè)備在硅基氮化物晶片的氮化物層表面沉積蒸鍍1-1.5微米厚的二氧化硅層，作為硬質(zhì)掩膜在氮化物層表面；
第二步:在二氧化硅層上表面旋涂光刻膠，然后采用光學(xué)光刻技術(shù)在旋涂的光刻膠層上定義上述的非對(duì)稱薄膜微腔結(jié)構(gòu)的圖形，然后用反應(yīng)離子刻蝕，將定義的所述圖形轉(zhuǎn)移至二氧化硅層上，最后去除殘留的光刻膠；
第三步:以二氧化硅層為掩膜版，采用II1-V族刻蝕技術(shù)向下刻蝕氮化物層直至硅襯底層的上表面，從而將所述第二步中定義出的圖形轉(zhuǎn)移至硅基氮化物晶片的氮化物層中，得到非對(duì)稱薄膜微腔結(jié)構(gòu)；
第四步:采用各項(xiàng)同性深硅刻蝕技術(shù)，從上往下刻蝕硅襯底層，使硅襯底層中形成支撐非對(duì)稱薄膜微腔結(jié)構(gòu)的硅柱和位于底面的硅基底，構(gòu)成懸空非對(duì)稱薄膜微腔。
[0011]有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
本發(fā)明利用各項(xiàng)同性深硅干法刻蝕技術(shù)形成的柱狀支撐結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的各項(xiàng)同性濕法硅刻蝕技術(shù)相比，干法刻蝕技術(shù)精度更高，刻蝕的偏差小，刻蝕速率可控，器件制備的成功率高。通過各項(xiàng)同性的深硅干法刻蝕技術(shù)可以獲得結(jié)構(gòu)良好的硅柱支撐非對(duì)稱的回音壁微腔，能使的非對(duì)稱薄膜微腔懸空，懸空薄膜微腔的上下面表面裸露在空氣介質(zhì)中，光在微腔界面處會(huì)發(fā)生全內(nèi)反射以回音壁形式傳遞，且垂直方向的光學(xué)模式也受到強(qiáng)烈限制，極大地降低了光學(xué)損耗，應(yīng)是本項(xiàng)目的創(chuàng)新。
[0012]
【附圖說明】
[0013]圖1圓形+尖角的非對(duì)稱薄膜微腔的截面示意圖。
[0014]圖2單方向發(fā)射的光栗浦氮化鎵微激光器的側(cè)視圖圖3單方向發(fā)射的光栗浦氮化鎵微激光器的俯視圖。
[0015]圖4單方向發(fā)射的光栗浦氮化鎵微激光器的工藝流程圖。
[0016]圖中有:二氧化硅層1，氮化物層2，硅襯底層3，光刻膠層4。
[0017]
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0019]以制備單方向發(fā)射的光栗浦氮化鎵微激光器，直徑為10微米為例，制備過程如下:
第一步:將購買的商用硅襯底氮化鎵晶片，經(jīng)丙酮、無水乙醇和去離子水依次超聲清洗后，用氮?dú)獯蹈?；然后利用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣象沉積設(shè)備在氮化鎵層2表面蒸鍍1微米厚的二氧化硅薄膜層1。
[0020]第二步:將蒸鍍好二氧化硅層的硅基氮化鎵晶片，經(jīng)丙酮、無水乙醇和去離子水依次超聲清洗后，用氮?dú)獯蹈?；使用勻膠機(jī)在晶片正面(二氧化硅層2上表面)以4000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速旋涂光刻膠AZ5214，旋涂時(shí)間為40秒(光刻膠厚度為1.5微米);此處采用的硅基氮化鎵晶片結(jié)構(gòu)只有硅襯底層3和氮化鎵層2和二氧化硅層1。
采用光學(xué)光刻技術(shù)，在在旋涂的光刻膠層上定義出非對(duì)稱薄膜微腔圖形結(jié)構(gòu)，光刻機(jī)型號(hào)為MA6。
[0021]第三步:采用介質(zhì)膜干法刻蝕技術(shù)，將第一步定義出的非對(duì)稱薄膜微腔轉(zhuǎn)移至晶片的二氧化硅層1上，具體做法為:使用反應(yīng)離子刻蝕機(jī)，刻蝕深度1微米，使氮化鎵層2暴露出來，CF2流量為lOsccm，上電極功率(forward) 300w，下電極功率(RF) 100w ；
第四步:采用II1-V組刻蝕技術(shù)，利用二氧化硅層1圖形為掩膜，將圖形轉(zhuǎn)移到氮化鎵層2上，具體做法為:使用ICP180刻蝕機(jī)，刻蝕深度5微米，使硅襯底層3暴露出來，(:12流量為10sccm，BCl3流量為25sccm，上電極功率(forward) 300w，下電極功率(RF) 100w ;將晶片放入丙酮溶液去除光刻膠；
第五步:采用深硅刻蝕機(jī)從正面各項(xiàng)同性刻蝕硅襯底層3，在氮化鎵下方形成柱狀結(jié)構(gòu)支撐懸空微腔，從而使非對(duì)稱薄膜微腔懸空。使用STS HRM深硅刻蝕系統(tǒng)，刻蝕深度20微米，利用Bosch工藝，刻蝕氣體為SF6，刻蝕時(shí)間1分鐘。
[0022]
應(yīng)理解上述實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明技術(shù)方案的【具體實(shí)施方式】，而不用于限制本發(fā)明的范圍。在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等同形式的修改和替換均落于本申請(qǐng)權(quán)利要求所限定的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種單方向發(fā)射的光栗浦氮化物回音壁激光器，其特征在于，該激光器以硅基氮化物晶片為載體，包括硅基底、設(shè)置在所述硅基底上的硅柱、由所述硅柱支撐的懸空非對(duì)稱薄膜微腔和設(shè)置在所述非對(duì)稱薄膜微腔上表面的硬質(zhì)掩膜層，非對(duì)稱薄膜微腔的底部中心通過硅柱與硅基底的連接，使得非對(duì)稱氮化物薄膜微腔結(jié)構(gòu)懸空，所述硬質(zhì)掩膜層為二氧化娃層(1); 所述的非對(duì)稱薄膜微腔結(jié)構(gòu)由氮化鎵構(gòu)成，包括圓形的本體(I)、設(shè)置在所述本體(I)周向外側(cè)的突出錐角(II)，所述突出錐角(II)由本體(I)圓周切線、本體(I)圓周上弧線和本體(I)外的弧線圍成，所述本體(I)外的弧線與本體(I)圓周相交的夾角為銳角。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單方向發(fā)射的光栗浦氮化物回音壁激光器，其特征在于，所述硅基底和硅柱均為在硅基氮化物晶片的硅襯底層(3 )上刻蝕得到的。3.一種制備權(quán)利要求1或2所述單方向發(fā)射的光栗浦氮化物回音壁激光器的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 第一步，利用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣象沉積設(shè)備在硅基氮化物晶片的氮化物層(2)表面沉積蒸鍍1-1.5微米厚的二氧化硅層(1)，作為硬質(zhì)掩膜在氮化物層(2)表面； 第二步:在二氧化硅層(1)上表面旋涂光刻膠，然后采用光學(xué)光刻技術(shù)在旋涂的光刻膠層上定義權(quán)利要求1中所述的非對(duì)稱薄膜微腔結(jié)構(gòu)的圖形，然后用反應(yīng)離子刻蝕，將定義的所述圖形轉(zhuǎn)移至二氧化硅層(1)上，最后去除殘留的光刻膠； 第三步:以二氧化硅層(1)為掩膜版，采用II1-V族刻蝕技術(shù)向下刻蝕氮化物層(2)直至硅襯底層(3)的上表面，從而將所述第二步中定義出的圖形轉(zhuǎn)移至硅基氮化物晶片的氮化物層(2)中，得到非對(duì)稱薄膜微腔結(jié)構(gòu)； 第四步:采用各項(xiàng)同性深硅刻蝕技術(shù)，從上往下刻蝕硅襯底層(3)，使硅襯底層(3)中形成支撐非對(duì)稱薄膜微腔結(jié)構(gòu)的硅柱和位于底面的硅基底，構(gòu)成懸空非對(duì)稱薄膜微腔。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種單方向發(fā)射的光泵浦氮化物回音壁激光器及其制備方法，在硅襯底上的氮化物材料，利用光刻蝕工藝和深硅刻蝕工藝制備非對(duì)稱氮化物懸空薄膜微腔，在合適的光泵浦條件下，獲得單方向發(fā)射的回音壁模激光。
【IPC分類】H01S5/343, H01S5/10
【公開號(hào)】CN105337168
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510667065
【發(fā)明人】朱剛毅, 金明俐, 陸良宇, 馬少鵬, 王永進(jìn), 李欣
【申請(qǐng)人】南京郵電大學(xué)
【公開日】2016年2月17日
【申請(qǐng)日】2015年10月16日