CN105337168A - 单方向发射的光泵浦氮化物回音壁激光器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单方向发射的光泵浦氮化物回音壁激光器及其制备方法，在硅衬底上的氮化物材料，利用光刻蚀工艺和深硅刻蚀工艺制备非对称氮化物悬空薄膜微腔，在合适的光泵浦条件下，获得单方向发射的回音壁模激光。
Description
技术领域
本发明属于激光技术领域，涉及一种单方向发射的光泵浦氮化物回音壁激光器及其制备方法。
背景技术
激光按腔体结构可分为三类：第一类是光在纳米颗粒界面随机共振形成的随机激光；第二类是光在一维的微纳米结构中利用微纳米线两个端面作为腔镜形成共振产生的F-P激光。前者散射损耗很大，没有固定模式；后者的端面损耗很大，也不易得到高品质（Q）、低阈值激光。鉴于此，采用尺度较大的微米棒或微米碟等微腔利用其全内反射形成的回音壁模（WGM）激光则为人们提供了一条获得高品质激光的途径。
但是圆形的悬空微碟或六边形的氮化镓单晶WGM激光器作为光通信器件或者集成光学器件而言还不够优秀，因为它没有单一的激光方向输出，不容易和其它的光电子器件进行对接。因此，如何优化WGM微腔结构，实现单方向性发射的高Q低阈值氮化镓WGM紫外激光将是本项目重点讨论的问题。为了获得单方向性发射的高增益低损耗的氮化物WGM紫外激光，申请人利用先进的微纳加工技术，设计并制备非对称氮化物悬空微腔，微腔的横截面是独特的非对称形状：圆形+“锥角。“锥角”是圆的切线和一条弧线在圆的外侧相交形成的锐角部分。该结构具有以下两个优势：第一，“悬空”使氮化镓薄膜微腔上下表面被低折射率的空气所包裹，光线在高折射率半导体和它周围低折射率空气的微腔界面处的全内反射以WGM形式传导，垂直方向的光学模也受到强烈限制，这种WGM传导作用和光学限制极大地降低了光学散射和透射带来的光学损耗，可产生维持激射作用的足够大的光增益。第二，微腔的横截面设计为圆形+“锥角”的形状。圆形具有极高的光学增益和极小的光学损耗，能够形成闭合的激光谐振，而光在曲率较高的“锥角”区域不满足全反射条件，可将WGM微腔中的激光单方向性地导出。
发明内容
技术问题：本发明提供一种具有极高的光学增益和极低的损耗，有利于与光电子器件集成，可以获得高品质因子低阈值的回音壁模激光的单方向发射的光泵浦氮化物回音壁激光器，同时提供了一种工艺性好、加工精度高的制备上述单方性发射的光泵浦氮化物回音壁激光器的方法。
技术方案：本发明的单方向发射的光泵浦氮化物回音壁激光器，以硅基氮化物晶片为载体，包括硅基底、设置在所述硅基底上的硅柱、由所述硅柱支撑的悬空非对称薄膜微腔和设置在所述非对称薄膜微腔上表面的硬质掩膜层，非对称薄膜微腔的底部中心通过硅柱与硅基底的连接，使得非对称氮化物薄膜微腔结构悬空，所述硬质掩膜层为二氧化硅层。非对称薄膜微腔结构由氮化镓构成，包括圆形的本体、设置在所述本体周向外侧的突出锥角，所述突出锥角由本体圆周切线、本体圆周上弧线和本体外的弧线围成，所述本体外的弧线与本体圆周相交的夹角为锐角。
本发明中，硅基底和硅柱均为在硅基氮化物晶片的硅衬底层上刻蚀得到的。
本发明利用光学光刻和反应离子刻蚀工艺和电感耦合等离子体深硅刻蚀工艺制备不同尺寸的非对称氮化物悬空薄膜微腔。设计合理的工艺步骤，包括刻蚀模板的形状，获得由柱状支撑的且边缘光滑的非对称氮化镓悬空薄膜微腔。降低微腔的弯曲损耗和侧面粗糙引起的散射损耗。
本发明制备方法的步骤如下：
第一步利用等离子增强化学气象沉积设备在硅基氮化物晶片的氮化物层表面沉积蒸镀1-1.5微米厚的二氧化硅层，作为硬质掩膜在氮化物层表面；
第二步：在二氧化硅层上表面旋涂光刻胶，然后采用光学光刻技术在旋涂的光刻胶层上定义上述的非对称薄膜微腔结构的图形，然后用反应离子刻蚀，将定义的所述图形转移至二氧化硅层上，最后去除残留的光刻胶；
第三步：以二氧化硅层为掩膜版，采用III-V族刻蚀技术向下刻蚀氮化物层直至硅衬底层的上表面，从而将所述第二步中定义出的图形转移至硅基氮化物晶片的氮化物层中，得到非对称薄膜微腔结构；
第四步：采用各项同性深硅刻蚀技术，从上往下刻蚀硅衬底层，使硅衬底层中形成支撑非对称薄膜微腔结构的硅柱和位于底面的硅基底，构成悬空非对称薄膜微腔。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明利用各项同性深硅干法刻蚀技术形成的柱状支撑结构，与传统的各项同性湿法硅刻蚀技术相比，干法刻蚀技术精度更高，刻蚀的偏差小，刻蚀速率可控，器件制备的成功率高。通过各项同性的深硅干法刻蚀技术可以获得结构良好的硅柱支撑非对称的回音壁微腔，能使的非对称薄膜微腔悬空，悬空薄膜微腔的上下面表面裸露在空气介质中，光在微腔界面处会发生全内反射以回音壁形式传递，且垂直方向的光学模式也受到强烈限制，极大地降低了光学损耗，应是本项目的创新。
附图说明
图1圆形+尖角的非对称薄膜微腔的截面示意图。
图2单方向发射的光泵浦氮化镓微激光器的侧视图
图3单方向发射的光泵浦氮化镓微激光器的俯视图。
图4单方向发射的光泵浦氮化镓微激光器的工艺流程图。
图中有：二氧化硅层1，氮化物层2，硅衬底层3,光刻胶层4。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
以制备单方向发射的光泵浦氮化镓微激光器，直径为10微米为例，制备过程如下：
第一步：将购买的商用硅衬底氮化镓晶片，经丙酮、无水乙醇和去离子水依次超声清洗后，用氮气吹干；然后利用等离子增强化学气象沉积设备在氮化镓层2表面蒸镀1微米厚的二氧化硅薄膜层1。
第二步：将蒸镀好二氧化硅层的硅基氮化镓晶片，经丙酮、无水乙醇和去离子水依次超声清洗后，用氮气吹干；使用匀胶机在晶片正面（二氧化硅层2上表面）以4000转/分钟的转速旋涂光刻胶AZ5214，旋涂时间为40秒（光刻胶厚度为1.5微米）；此处采用的硅基氮化镓晶片结构只有硅衬底层3和氮化镓层2和二氧化硅层1。
采用光学光刻技术，在在旋涂的光刻胶层上定义出非对称薄膜微腔图形结构，光刻机型号为MA6。
第三步：采用介质膜干法刻蚀技术，将第一步定义出的非对称薄膜微腔转移至晶片的二氧化硅层1上，具体做法为：使用反应离子刻蚀机，刻蚀深度1微米，使氮化镓层2暴露出来，CF2流量为10sccm，上电极功率（forward）300w，下电极功率（RF）100w；
第四步：采用III-V组刻蚀技术，利用二氧化硅层1图形为掩膜，将图形转移到氮化镓层2上，具体做法为：使用ICP180刻蚀机，刻蚀深度5微米，使硅衬底层3暴露出来，Cl2流量为10sccm，BCl3流量为25sccm，上电极功率（forward）300w，下电极功率（RF）100w；将晶片放入丙酮溶液去除光刻胶；
第五步：采用深硅刻蚀机从正面各项同性刻蚀硅衬底层3，在氮化镓下方形成柱状结构支撑悬空微腔，从而使非对称薄膜微腔悬空。使用STSHRM深硅刻蚀系统，刻蚀深度20微米，利用Bosch工艺，刻蚀气体为SF6，刻蚀时间1分钟。
应理解上述实施例仅用于说明本发明技术方案的具体实施方式，而不用于限制本发明的范围。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改和替换均落于本申请权利要求所限定的保护范围。
Claims (3)
1.一种单方向发射的光泵浦氮化物回音壁激光器，其特征在于，该激光器以硅基氮化物晶片为载体，包括硅基底、设置在所述硅基底上的硅柱、由所述硅柱支撑的悬空非对称薄膜微腔和设置在所述非对称薄膜微腔上表面的硬质掩膜层，非对称薄膜微腔的底部中心通过硅柱与硅基底的连接，使得非对称氮化物薄膜微腔结构悬空，所述硬质掩膜层为二氧化硅层（1）；
所述的非对称薄膜微腔结构由氮化镓构成，包括圆形的本体（I）、设置在所述本体（I）周向外侧的突出锥角（II），所述突出锥角（II）由本体（I）圆周切线、本体（I）圆周上弧线和本体（I）外的弧线围成，所述本体（I）外的弧线与本体（I）圆周相交的夹角为锐角。
2.根据权利要求1所述的单方向发射的光泵浦氮化物回音壁激光器，其特征在于，所述硅基底和硅柱均为在硅基氮化物晶片的硅衬底层（3）上刻蚀得到的。
3.一种制备权利要求1或2所述单方向发射的光泵浦氮化物回音壁激光器的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
第一步，利用等离子增强化学气象沉积设备在硅基氮化物晶片的氮化物层（2）表面沉积蒸镀1-1.5微米厚的二氧化硅层（1），作为硬质掩膜在氮化物层（2）表面；
第二步：在二氧化硅层（1）上表面旋涂光刻胶，然后采用光学光刻技术在旋涂的光刻胶层上定义权利要求1中所述的非对称薄膜微腔结构的图形，然后用反应离子刻蚀，将定义的所述图形转移至二氧化硅层（1）上，最后去除残留的光刻胶；
第三步：以二氧化硅层（1）为掩膜版，采用III-V族刻蚀技术向下刻蚀氮化物层（2）直至硅衬底层（3）的上表面，从而将所述第二步中定义出的图形转移至硅基氮化物晶片的氮化物层（2）中，得到非对称薄膜微腔结构；
第四步：采用各项同性深硅刻蚀技术，从上往下刻蚀硅衬底层（3），使硅衬底层（3）中形成支撑非对称薄膜微腔结构的硅柱和位于底面的硅基底，构成悬空非对称薄膜微腔。
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