CN109830886B - 一种多腔耦合增强的纳米等离子体激光器阵列及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种多腔耦合增强的纳米等离子体激光器阵列及其制备方法，属于光学技术领域。包括半导体衬底，半导体增益谐振腔，绝缘介质层(3)，金属包裹层，在半导体衬底上有半导体增益谐振腔阵列，即在半导体衬底和半导体增益谐振腔阵列的表面设有绝缘介质层，绝缘介质层将每个半导体增益谐振腔包裹，同时绝缘介质层还保持半导体增益谐振腔阵列的图形，即形成半导体增益谐振腔‑绝缘介质层阵列，在绝缘介质层上设有金属包裹层，同时金属包裹层还填充了绝缘介质层上的阵列图形。本发明相邻谐振腔之间的表面等离子模式(倏逝波)相互之间可以进行互相耦合，从而提高了纳米激光器的性能，并实现超高密度等离子体激光器面阵输出。
Description
技术领域
本发明涉及纳米激光器阵列及其制备，具体涉及一种多腔耦合增强的纳米等离子体激光器阵列及其制备方法，属于光学技术领域。主要用于光电集成、光通讯、光信息存储、光学显微、超分辨等领域。
背景技术
表面等离激元提供了一种在纳米尺度下处理光的方式，即光波与金属表面的自由电子共振耦合从而产生沿着金属表面传播的近场电磁波，它具有很强的光场限制能力，是克服光学衍射极限及实现局域电磁场增强的最有效的方式之一。基于表面等离激元的纳米激光器通过介质周围的增益材料对表面等离激元进行放大，并在纳米尺度的谐振腔中谐振，产生强烈的局域表面等离子体共振，因此其物理尺寸比常规激光器小很多，可以突破传统的衍射极限尺寸限制，实现纳米尺度上的光电集成。
目前，基于金属-介质-半导体结构等离子体激光器引起了研究人员的广泛关注，通过金属包裹半导体增益腔，使金属-介质界面的等离子体与高增益介质半导体谐振腔模式耦合，从而使场增强效应得到显著增强。然而该结构纳米等离子体激光器存在金属带来的高损耗问题，限制了激光器的品质因子，导致激光器的阈值偏高，并且由单个纳米激光器的输出光功率低，仅在纳瓦级别。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多腔耦合增强的金属-介质-半导体激光器阵列及其制备方法，通过相邻谐振腔之间的倏逝波近场耦合，提高激光器的品质因子(Q factor)，并且通过阵列方式大大增加了激光器的输出功率，实现超高密度等离子激光器面阵输出。
本发明提供一种纳米等离子体激光器阵列，其结构如图1所示，包括半导体衬底(1)，半导体增益谐振腔(2)，绝缘介质层(3)，金属包裹层(4)，在半导体衬底(1)上有半导体增益谐振腔(2)阵列，即在半导体衬底(1)和半导体增益谐振腔(2)阵列的表面设有绝缘介质层(3)，绝缘介质层(3)将每个半导体增益谐振腔(2)包裹，同时绝缘介质层(3)还保持半导体增益谐振腔(2)阵列的图形，即形成半导体增益谐振腔-绝缘介质层阵列，在绝缘介质层(3)上设有金属包裹层(4)，金属包裹层(4)，同时金属包裹层(4)还填充了绝缘介质层(3)上的阵列图形。
阵列中相邻半导体增益谐振腔-绝缘介质层单元的间距为D(5)。
所述半导体增益谐振腔(2)材料包含但不限于镓砷/铝镓砷、铟磷/铟镓砷磷等半导体材料，谐振腔形状包含但不限于正方形、菱形、圆形、蝶形、六角形，谐振腔边长/直径等为数百纳米数量级。半导体衬底及外延材料可以根据所需求的激射光波段选用不同的半导体材料体系，如用GaAs/AlGaAs材料体系可以获得激射波长为850nm的激光器阵列，此时相对应的半导体谐振腔宽度为200nm-300nm；用InP/InGaAsP材料体系可以获得激射波长为1550nm的激光器阵列，此时相对应在半导体谐振腔宽度为350nm-500nm。
所述绝缘介质层(3)是指二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氟化镁等低折射率介质材料，厚度为数纳米至数十纳米之间。
所述的金属包裹层(4)是指金、银、铝、铜、钛、镍、铬材料，或是各自的合金，或是不同金属层复合的材料，厚度大于100nm。
所述的各增益腔之间的距离D(5)为包裹谐振腔的阵列绝缘层(3)之间的间距，距离为不大于140nm。
在正方形阵列中相邻间距为D(5)的半导体增益谐振腔-绝缘介质层构成超高密度纳米激光器阵列，实现面阵输出。
本发明还提供了所述多腔耦合增强的纳米等离子体激光器阵列的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1：生长构成半导体增益谐振腔的材料
在半导体衬底上使用金属-有机物化学气相沉积(MOVCD)生长镓砷/铝镓砷、铟磷/铟镓砷磷的异质结或者多量子阱结构。
步骤2：半导体增益谐振腔(2)的制备
采用电子束曝光(EBL)或者聚焦离子束(FIB)直写谐振腔阵列图形，再通过电感耦合等离子体(ICP)刻蚀出谐振腔结构。
步骤3：绝缘介质层(3)的制备
采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)或者原子层沉积(ALD)工艺，在步骤2制备出的谐振腔的表面及侧面沉积一层绝缘介质薄膜层。
步骤4：金属包裹层(4)的制备
采用磁控溅射工艺，在步骤3的基础上镀上一层金属薄膜。
步骤5：出光区的制备
减薄在之前步骤中所形成谐振腔阵列对应的背后衬底形成出光区。特别的，本发明提供的纳米等离子体激光器阵列可根据不同的应用需求选择采用光泵浦或者电泵浦的方式，下面对两种泵浦方式在制备上的区别进行具体说明。
方式一、采用光泵浦：
根据步骤1-步骤4制备出纳米等离子体激光器阵列，然后将其倒置键合到硅衬底上，再使用具有材料选择性的腐蚀液湿法腐蚀去掉衬底层，形成出光区，泵浦光从表面入射，同时激射光也从表面出射。其结构如图1所示
方式二、采用电泵浦：
步骤1-步骤3如上所述，步骤4的金属包裹层(4)只溅射在激光器阵列区域，其余衬底表面不溅射金属(通过剥离工艺实现)；该金属包裹层(4)既可以起到光激发产生表面等离激元实现对增益腔光场的反馈和增强，也可以当做电极；再采用磁控溅射和剥离工艺，在衬底(1)表面蒸镀金属电极(6)。使用时，将金属电极(6)与金属包裹层(4)分别连接至电源(7)的两端，当电流达到阈值时，即可发射激光。其结构如图2所示。
本发明提供的多腔耦合增强的纳米等离子体激光器阵列的技术方案如下：通过光泵浦或者电泵浦的方式，使增益介质层中形成粒子数反转，实现激光产生的泵浦过程，同时在谐振腔中激励形成表面等离子模式，符合谐振条件的表面等离子模式在谐振腔中产生谐振，由于表面等离激元的存在，大部分模式光被限制在半导体增益腔中，在泵浦条件下，增益腔不断形成粒子数反转，完成受激辐射，以此同时，两个相距仅有数十纳米的谐振腔之间还存在着近场耦合(倏逝波耦合)，使得谐振腔中谐振的表面等离子模式(倏逝波)能量不断增大，并从底部出光区出射形成激光。
本发明的有益效果是利用表面等离子模式(倏逝波)存在一定的衰减距离(数十纳米)，通过两个相邻数十纳米的谐振腔之间的等离子体模式近场耦合增强谐振腔中的谐振模式能量，提高激光器的品质因子(Q)，进一步降低了激光器的阈值，同时通过阵列的方式还可以大大增加激光器的出射光功率，并实现高密度等离子激光面阵输出。
附图说明
图1：本发明提供的光泵浦型多腔耦合纳米等离子体激光器阵列的结构示意图；
图2：本发明提供的电泵浦型多腔耦合纳米等离子体激光器阵列的结构示意图；
图3：实施例提供的InP衬底上外延生长InGaAsP量子阱结构示意图；
图4：实施例提供的旋涂HSQ胶工艺示意图；
图5：实施例提供的EBL激光器阵列示意图；
图6：实施例提供的ICP激光器谐振腔示意图；
图7：实施例提供的去除剩余的HSQ胶工艺示意图；
图8：实施例提供的PECVD二氧化硅示意图；
图9：实施例提供的磁控溅射Ti/Ag薄膜示意图；
图10：实施例提供的InP/InGaAsP激光器阵列倒置键合到硅衬底示意图；
图11：湿法腐蚀InP衬底示意图；
图12：两个相邻谐振腔之间的距离D对激光器Q值影响的关系图；
图13：激光器的激射光谱图，插图为谐振腔的电场模式分布图。半导体衬底1，半导体增益腔2，绝缘介质层3，包裹谐振腔的金属4相邻谐振腔之间的间距D 5，金属电极6，电源7，InP衬底201，下缓冲层202，量子阱层203，上缓冲层204，HSQ胶205，氧化硅206，溅射一层包裹着绝缘体-半导体谐振腔的金属207，硅衬底208。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
本实施例提供一种激射波长为1500nm的多腔耦合增强纳米等离子体激光器阵列，其结构如图1所示，具体材料、参数及尺寸如下：
所述半导体衬底(1)为磷化铟(InP)衬底；
所述半导体增益腔(2)的结构为不同配比的铟镓砷磷(InGaAsP)组成的量子阱，表面形状为正方形，其边长W为320nm；
所述绝缘介质层(3)为二氧化硅(SiO2)薄膜206，其厚度为20nm；
所述包裹谐振腔的金属(4)为Ti(5nm)/Ag(200nm)；
所述相邻谐振腔之间的间距D(5)为50nm。
本实施例用Lumerical FDTD Solutions建立相应的模型对两谐振腔之间的耦合增强效应进行模拟，模拟结果如图12所示，其激射光谱图如图13所示，插图为谐振腔的电场模式图。结果表明当两谐振腔的间距D小于140nm时，两谐振腔之间存在着近场的倏逝波耦合，从而提高了纳米激光器的Q值，并且间距越小，所能提高的Q值越多，相比于单个谐振腔激光器Q值(间距D大于140nm的Q值)，最多能增加近一百。
下面结合图3-图11详细介绍本实施例提供的光泵浦下的InP/InGaAsP多腔耦合增强纳米等离子体激光器阵列的制备方法：
步骤1：生长构成半导体增益谐振腔的材料(图3)
通过MOVCD在InP衬底201上生长100nm的InGaAsP(Eg＝1.04eV)下缓冲层202，8对5nm的InGaAsP(Eg＝0.816eV)和10nm InGaAsP(Eg＝1.04eV)的量子阱层203，100nm的InGaAsP(Eg＝1.04eV)上缓冲层204。
步骤2：半导体增益谐振腔(2)的制备(图4-图6)
在步骤1中生长的外延片上旋涂约300nm厚的HSQ胶205(图4)，用电子束曝光(EBL)写出激光器阵列图形(图5)，用ICP刻蚀出谐振腔结构，刻蚀深度为720nm(图6)。
步骤3：绝缘介质层(3)的制备(图7、图8)
用BOE腐蚀液去掉剩余的HSQ胶(图7)，用ALD沉积20nm的氧化硅206(图8)。
步骤4：金属包裹层(4)的制备(图9)
采用磁控溅射工艺，溅射一层包裹着绝缘体-半导体谐振腔的金属Ti(5nm)/Ag(200nm)207，构成金属-绝缘体-半导体谐振腔阵列(图9)。
步骤5：出光区的制备(图10、图11)
将制备好的激光器阵列倒置，通过SU-8或者BCB等黏合剂键合到硅衬底208上(图10)，然后用具有InP/InGaAsP腐蚀选择性的腐蚀液HCl：H2O＝3:1湿法腐蚀InP衬底，形成出光区(图11)。
使用时将上述所得置于半导体衬底(1)上。
本发明利用泵浦半导体增益介质激发的光子和表面金属-介质膜的相互作用产生表面等离激元(SPP)，将大部分模式光限制在亚波长的半导体增益腔中，并与金属-介质界面产生的表面等离激元进行耦合，从而使场效应得到显著增强。同时，相邻半导体增益谐振腔的光场模式也会进行耦合，使得场效应得到进一步增强。本发明提供的多腔耦合增强的纳米激光器阵列结构包括：金属-介质-半导体构成的基于表面等离激元的纳米谐振腔，以及纳米谐振腔的周期性排列构成的激光器阵列。本发明提供的激光器阵列结构中相邻谐振腔之间的表面等离子模式(倏逝波)相互之间可以进行互相耦合，从而提高了纳米激光器的性能，如提高激光器的品质因子、降低激光器的泵浦阈值、增加激光器的输出光功率、实现高密度等离子激光器面阵输出等。
Claims (8)
1.一种纳米等离子体激光器阵列，其特征在于，包括半导体衬底(1)，半导体增益谐振腔(2)，绝缘介质层(3)，金属包裹层(4)，在所述半导体衬底(1)上有半导体增益谐振腔(2)阵列，在所述半导体衬底(1)和半导体增益谐振腔(2)阵列的表面设有所述绝缘介质层(3)，所述绝缘介质层(3)将每个所述半导体增益谐振腔(2)包裹，所述绝缘介质层(3)覆盖所述半导体增益谐振腔(2)的所有表面，同时所述绝缘介质层(3)还保持半导体增益谐振腔(2)阵列的图形，即形成半导体增益谐振腔-绝缘介质层阵列，在所述绝缘介质层(3)上设有所述金属包裹层(4)，所述金属包裹层(4)覆盖所述绝缘介质层(3)的所有表面，并且完全填充相邻半导体增益谐振腔-绝缘介质层单元之间的间隙；相邻半导体增益谐振腔-绝缘介质层单元的间距(5)为D，所述间距(5)不大于140nm；所述绝缘介质层(3)厚度在数纳米至数十纳米之间。
2.按照权利要求1所述的一种纳米等离子体激光器阵列，其特征在于，在正方形阵列中相邻间距(5)为D的半导体增益谐振腔-绝缘介质层单元构成超高密度纳米激光器阵列，实现面阵输出。
3.按照权利要求1所述的一种纳米等离子体激光器阵列，其特征在于，所述半导体增益谐振腔(2)材料包含镓砷/铝镓砷(GaAs/AlGaAs)或铟磷/铟镓砷磷(InP/InGaAsP)，谐振腔形状包含正方形、菱形、圆形或六角形，谐振腔边长或直径为数百纳米。
4.按照权利要求1所述的一种纳米等离子体激光器阵列，其特征在于，半导体衬底及外延材料根据所需求的激射光波段选用不同的半导体材料体系，用GaAs/AlGaAs材料体系获得激射波长为850nm的激光器阵列，此时相对应的半导体谐振腔宽度为200nm-300nm；用InP/InGaAsP材料体系获得激射波长为1550nm的激光器阵列，此时相对应在半导体谐振腔宽度为350nm-500nm。
5.按照权利要求1所述的一种纳米等离子体激光器阵列，其特征在于，所述绝缘介质层(3)是指二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氟化镁中任意一种，厚度为数纳米至数十纳米之间。
6.按照权利要求1所述的一种纳米等离子体激光器阵列，其特征在于，所述的金属包裹层(4)是指金、银、铝、铜、钛、镍、铬材料，或是各自的合金，或是不同金属层复合的材料，厚度不小于100nm。
7.制备权利要求1-6任一项所述纳米等离子体激光器阵列的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：生长构成半导体增益谐振腔的材料
在半导体衬底(1)上使用金属-有机物化学气相沉积(MOVCD)生长镓砷/铝镓砷或铟磷/铟镓砷磷的异质结或者多量子阱结构；
步骤2：半导体增益谐振腔(2)的制备
采用电子束曝光(EBL)或者聚焦离子束(FIB)直写谐振腔阵列图形，再通过电感耦合等离子体(ICP)刻蚀出半导体增益谐振腔结构；
步骤3：绝缘介质层(3)的制备
采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)或者原子层沉积(ALD)工艺，在步骤2制备出的半导体增益谐振腔的所有表面及侧面沉积一层绝缘介质薄膜层；
步骤4：金属包裹层(4)的制备
采用磁控溅射工艺，在步骤3的基础上镀上一层金属薄膜；
步骤5：出光区的制备
减薄在之前步骤中所形成谐振腔阵列对应的背后半导体衬底形成出光区。
8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，采取不同的泵浦方式，即采用光泵浦或电泵浦：
方式一、采用光泵浦：
根据步骤1-步骤4制备出纳米等离子体激光器阵列，然后将其倒置键合到硅衬底上，再使用具有材料选择性的腐蚀液湿法腐蚀去掉半导体衬底，形成出光区，泵浦光从出光区所在表面入射，同时激射光也从出光区所在表面出射；
或方式二、采用电泵浦：
步骤1-步骤3如上所述，步骤4的金属包裹层(4)只溅射在激光器阵列区域，其余半导体衬底表面不溅射金属；该金属包裹层(4)既可以起到光激发产生表面等离激元实现对增益腔光场的反馈和增强，也可以当作电极；再采用磁控溅射和剥离工艺，在半导体衬底(1)表面蒸镀金属电极(6)；使用时，将金属电极(6)与金属包裹层(4)分别连接至电源(7)的两端，当电流达到阈值时，即可发射激光。
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