CN113381287A - 一种染料激光器及其制备方法 - Google Patents

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史丽娜
牛洁斌
李龙杰
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Abstract

本发明公开了一种染料激光器及其制备方法，包括：半导体衬底；位于所述半导体衬底上的第一绝缘介质层；位于所述第一绝缘介质层背离所述半导体衬底一侧的多条单晶硅线，所述单晶硅线沿第一方向延伸，且所述多条单晶硅线沿第二方向周期排列，所述第一方向和所述第二方向相交；及，覆盖所述多条单晶硅线、且填充相邻所述单晶硅线之间间隙处的第二绝缘介质层，所述第二绝缘介质层中包括有染料。本发明提供的染料激光器不仅结构简单，并且该染料激光器的制备工艺简单。

Description

一种染料激光器及其制备方法
技术领域
本发明涉及纳米激光技术领域，更为具体地说，涉及一种染料激光器及其制备方法。
背景技术
纳米激光被认为在下一代在光电子、片上光系统和超灵敏传感器上有重要应用。现有的纳米激光有基于等离子体的纳米激光，有二维光子晶体的，或者基于半导体纳米线或者纳米枕的。Spaser，一种基于等离子体的纳米激光，体积小，但是损耗高，发热大，并且一般的独立的纳米颗粒需要分散到一定的溶剂中形成胶体溶液才能发挥作用。这种需要分散到胶体溶剂中的纳米激光存在不好操控，制备麻烦等问题，而且溶剂的存在也会对系统的激光特性产生影响。
目前基于高折射率材料形成的纳米激光器，由于其高折射率，且折射率的虚部很小，因此这种纳米激光器损耗小，但是基于GaAs等材料的纳米激光器由于热膨胀系数、应力等与硅片不同，将其集成在硅片系统中有一定困难。因此，设计出结构及工艺简单的纳米激光器是目前纳米激光领域发展和应用需要解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种染料激光器及其制备方法，有效地解决了现有技术存在的技术问题，染料激光器不仅结构简单，并且该染料激光器的制备工艺简单。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种染料激光器，包括：
半导体衬底；
位于所述半导体衬底上的第一绝缘介质层；
位于所述第一绝缘介质层背离所述半导体衬底一侧的多条单晶硅线，所述单晶硅线沿第一方向延伸，且所述多条单晶硅线沿第二方向周期排列，所述第一方向和所述第二方向相交；
及，覆盖所述多条单晶硅线、且填充相邻所述单晶硅线之间间隙处的第二绝缘介质层，所述第二绝缘介质层中包括有染料。
可选的，所述半导体衬底的材质为硅。
可选的，所述第一绝缘介质层的材质为二氧化硅。
可选的，所述第二绝缘介质层的材质包括二氧化硅。
可选的，在垂直所述第一方向的方向上，所述单晶硅线的截面为矩形。
可选的，所述单晶硅线的线宽为亚微米级；
及在垂直所述半导体衬底所在面的方向上，所述单晶硅线的厚度为亚微米级。
可选的，所述单晶硅线的线宽与相邻两个所述单晶硅线之间间距之和为百纳米级。
可选的，在垂直所述半导体衬底所在面的方向上，所述第二绝缘介质层的厚度为亚微米级。
相应的，本发明还提供了一种染料激光器的制备方法，包括：
提供半导体衬底；
在所述半导体衬底上形成第一绝缘介质层；
在所述第一绝缘介质层背离所述半导体衬底一侧形成多条单晶硅线，所述单晶硅线沿第一方向延伸，且所述多条单晶硅线沿第二方向周期排列，所述第一方向和所述第二方向相交；
形成覆盖所述多条单晶硅线、且填充相邻所述单晶硅线之间间隙处的第二绝缘介质层，所述第二绝缘介质层中包括有染料。
可选的，在所述第一绝缘介质层背离所述半导体衬底一侧形成多条单晶硅线，包括：
采用自对准双重成像工艺，在所述第一绝缘介质层背离所述半导体衬底一侧形成多条单晶硅线。
相较于现有技术，本发明提供的技术方案至少具有以下优点：
本发明提供了一种染料激光器及其制备方法，包括：半导体衬底；位于所述半导体衬底上的第一绝缘介质层；位于所述第一绝缘介质层背离所述半导体衬底一侧的多条单晶硅线，所述单晶硅线沿第一方向延伸，且所述多条单晶硅线沿第二方向周期排列，所述第一方向和所述第二方向相交；及，覆盖所述多条单晶硅线、且填充相邻所述单晶硅线之间间隙处的第二绝缘介质层，所述第二绝缘介质层中包括有染料。本发明提供的染料激光器不仅结构简单，并且该染料激光器的制备工艺简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种染料激光器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种染料激光器的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种染料激光器和染料的发射谱示意图；
图4为本发明实施例提供的一种染料激光器的反射谱示意图；
图5为本发明实施例提供的一种染料激光器的制备方法的流程图；
图6为本发明实施例提供的另一种染料激光器的制备方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
正如背景技术所述，目前基于高折射率材料形成的纳米激光器，由于其高折射率，且折射率的虚部很小，因此这种纳米激光器损耗小，但是基于GaAs等材料的纳米激光器由于热膨胀系数、应力等与硅片不同，将其集成在硅片系统中有一定困难。因此，设计出结构及工艺简单的纳米激光器是目前纳米激光领域发展和应用需要解决的问题。
基于此，本发明实施例提供了一种染料激光器及其制备方法，有效地解决了现有技术存在的技术问题，染料激光器不仅结构简单，并且该染料激光器的制备工艺简单。
为实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下，具体结合图1至图6对本发明实施例提供的技术方案进行详细的描述。
如图1所示，为本发明实施例提供的一种染料激光器的结构示意图，其中，染料激光器包括：
半导体衬底100。
位于所述半导体衬底100上的第一绝缘介质层200。
位于所述第一绝缘介质层200背离所述半导体衬底100一侧的多条单晶硅线300，所述单晶硅线300沿第一方向X延伸，且所述多条单晶硅线300沿第二方向Y周期排列，所述第一方向X和所述第二方向Y相交。
及，覆盖所述多条单晶硅线300、且填充相邻所述单晶硅线200之间间隙处的第二绝缘介质层400，所述第二绝缘介质层400中包括有染料。
在本发明一实施例中，本发明所提供的第一方向X和第二方向Y相垂直，对此本发明不做具体限制。
可以理解的，本发明实施例提供的染料激光器，多条单晶硅线与第二绝缘介质层之间的界面形成FP腔，同时第二绝缘介质层中的染料提供了染料激光器的光学增益，在激发光对该染料激光器具有第二绝缘介质层一侧的照射下，染料激光器实现了激光器的特性。本发明实施例提供的染料激光器不仅结构简单，并且该染料激光器的制备工艺简单。
在本发明一实施例中，本发明所提供的所述半导体衬底的材质为硅。本发明实施例提供的所述第一绝缘介质层的材质为二氧化硅。及，本发明实施例提供的所述第二绝缘介质层的材质包括二氧化硅。
需要说明的是，本发明实施例对于半导体衬底的材质、第一绝缘介质层的材质和第二绝缘介质层的材质不做具体限制，需要根据实际应用进行具体设计选取。
如图2所示，为本发明实施例提供的另一种染料激光器的结构示意图，在垂直所述第一方向的方向上，所述单晶硅线300的截面可以为矩形。
本发明实施例提供的所述单晶硅线300的线宽a为亚微米级，即单晶硅线300的线宽a在100nm-1μm之间，包括端点值。及在垂直所述半导体衬底100所在面的方向上，所述单晶硅线300的厚度h为亚微米级，即单晶硅线300的厚度h在100nm-1μm之间，包括端点值。
在本发明一实施例中，本发明所提供的所述单晶硅线300的线宽a与相邻两个所述单晶硅线300之间间距b之和为百纳米级，即单晶硅线300的线宽a与相邻两个所述单晶硅线300之间间距b之和在100*1nm-100*100nm之间，包括端点值。
在本发明一实施例中，在垂直所述半导体衬底所在面的方向上，所述第二绝缘介质层的厚度为亚微米级。
可以理解的，本发明实施例提供的染料激光器，单晶硅线的线宽、单晶硅线的厚度、多条单晶硅线的周期距离(即单晶硅线的线宽和相邻两个单晶硅线之间间距之和)、第二绝缘介质层的厚度和燃料的种类都对染料激光器的激光特性有着很大的影响。进而，通过优化其单晶硅线的线宽、单晶硅线的厚度、多条单晶硅线的周期距离、第二绝缘介质层的厚度和燃料的种类，进而能够优化调节染料激光器的激光特性，如优化调节染料激光器的发射谱和反射谱。本发明实施例对于染料激光器的数值、材料等参数不做具体限制，需要根据实际应用进行具体设计。
下面结合相关数据附图对本发明实施例提供的染料激光器的特性进行详细的说明。其中，染料激光器中多条单晶硅线的周期距离可以为825nm，激发光入射燃料激光器的方式为正入射。如图3所示，为本发明实施例提供的一种染料激光器和染料的发射谱示意图，其中，System表示染料的发射谱，OG表示染料激光器的发射谱，其中测量受激发射谱时入射波长为495nm，可见在531.31nm处检测到发射波峰，发射谱的线宽为2.1nm，染料激光器的品质因数Q值为253。
及如图4所示，为本发明实施例提供的一种染料激光器的反射谱示意图，可见与图2所示发射谱类型的，通过反射谱能够看出染料激光器在531.31nm处产生了线宽窄且强度大的激光。
可以理解的，本发明实施例提供的染料激光器可以在531.31nm处实现激光特性，染料激光器可以在531.31nm处的电场和磁场线中，电场线从单晶硅线的界面发出，经过包括有染料的第二绝缘介质层又返回至单晶硅线中，以此循环，每循环一次，电场线的强度就增强一次，最终达到最大场强。
相应的，本发明实施例还提供了一种染料激光器的制备方法，用于制备上述实施例提供的染料激光器。如图5所示，为本发明实施例提供的一种染料激光器的制备方法的流程图，其中，制备方法包括：
S1、提供半导体衬底。
S2、在所述半导体衬底上形成第一绝缘介质层。
S3、在所述第一绝缘介质层背离所述半导体衬底一侧形成多条单晶硅线，所述单晶硅线沿第一方向延伸，且所述多条单晶硅线沿第二方向周期排列，所述第一方向和所述第二方向相交。
S4、形成覆盖所述多条单晶硅线、且填充相邻所述单晶硅线间的第二绝缘介质层，所述第二绝缘介质层中包括有染料。
可以理解的，本发明实施例提供的染料激光器，多条单晶硅线与第二绝缘介质层之间的界面形成FP腔，同时第二绝缘介质层中的染料提供了染料激光器的光学增益，在激发光对该染料激光器具有第二绝缘介质层一侧的照射下，染料激光器实现了激光器的特性。本发明实施例提供的染料激光器不仅结构简单，并且该染料激光器的制备工艺简单。
在本发明一实施例中，本发明所提供的所述半导体衬底的材质为硅。本发明实施例提供的所述第一绝缘介质层的材质为二氧化硅。及，本发明实施例提供的所述第二绝缘介质层的材质包括二氧化硅。
需要说明的是，本发明实施例对于半导体衬底的材质、第一绝缘介质层的材质和第二绝缘介质层的材质不做具体限制，需要根据实际应用进行具体设计选取。
在本发明一实施例中，在垂直所述第一方向的方向上，本发明提供的所述单晶硅线的截面可以为矩形。本发明实施例提供的所述单晶硅线300的线宽a为亚微米级，即单晶硅线的线宽在100nm-1μm之间，包括端点值。及在垂直所述半导体衬底所在面的方向上，所述单晶硅线的厚度为亚微米级，即单晶硅线的厚度在100nm-1μm之间，包括端点值。
在本发明一实施例中，本发明所提供的所述单晶硅线的线宽与相邻两个所述单晶硅线之间间距之和为百纳米级，即单晶硅线的线宽与相邻两个所述单晶硅线之间间距之和在100*1nm-100*100nm之间，包括端点值。
在本发明一实施例中，在垂直所述半导体衬底所在面的方向上，所述第二绝缘介质层的厚度为亚微米级。
可以理解的，本发明实施例提供的染料激光器，单晶硅线的线宽、单晶硅线的厚度、多条单晶硅线的周期距离(即单晶硅线的线宽和相邻两个单晶硅线之间间距之和)、第二绝缘介质层的厚度和燃料的种类都对染料激光器的激光特性有着很大的影响。进而，通过优化其单晶硅线的线宽、单晶硅线的厚度、多条单晶硅线的周期距离、第二绝缘介质层的厚度和燃料的种类，进而能够优化调节染料激光器的激光特性，如优化调节染料激光器的发射谱和反射谱。本发明实施例对于染料激光器的数值、材料等参数不做具体限制，需要根据实际应用进行具体设计。
在本发明一实施例中，本发明提供的在所述第一绝缘介质层背离所述半导体衬底一侧形成多条单晶硅线，包括：采用自对准双重成像工艺，在所述第一绝缘介质层背离所述半导体衬底一侧形成多条单晶硅线。如图6所示，为本发明实施例提供的另一种染料激光器的制备方法的流程图，其中，制备方法包括：
S1、提供半导体衬底。
S2、在所述半导体衬底上形成第一绝缘介质层。
S3、采用自对准双重成像工艺，在所述第一绝缘介质层背离所述半导体衬底一侧形成多条单晶硅线，所述单晶硅线沿第一方向延伸，且所述多条单晶硅线沿第二方向周期排列，所述第一方向和所述第二方向相交。
具体的，首先在第一绝缘介质层背离半导体衬底一侧形成单晶硅层，并在单晶硅层背离半导体衬底一侧形成图案化的光刻胶层。而后在图案化的光刻胶层上形成金属掩膜层，且通过剥离工艺将图案化的光刻胶层及其上的金属掩膜去除，得到图案化的金属掩膜层。在图案化的金属掩膜层一侧对单晶硅层进行刻蚀形成多条单晶硅线，且去除图案化的金属掩膜层。
S4、形成覆盖所述多条单晶硅线、且填充相邻所述单晶硅线间的第二绝缘介质层，所述第二绝缘介质层中包括有染料。
需要说明的是，本发明实施例对于单晶硅线的制备并不局限于自对准双重成像工艺，还可以采用其他工艺制备而成，对此本发明不做具体限制。
在本发明一实施例中，本发明提供的第二绝缘介质层可以采用Stober法生长，对此本发明同样不做具体限制。
本发明实施例提供了一种染料激光器及其制备方法，包括：半导体衬底；位于所述半导体衬底上的第一绝缘介质层；位于所述第一绝缘介质层背离所述半导体衬底一侧的多条单晶硅线，所述单晶硅线沿第一方向延伸，且所述多条单晶硅线沿第二方向周期排列，所述第一方向和所述第二方向相交；及，覆盖所述多条单晶硅线、且填充相邻所述单晶硅线间的第二绝缘介质层，所述第二绝缘介质层中包括有染料。本发明实施例提供的染料激光器不仅结构简单，并且该染料激光器的制备工艺简单。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种染料激光器，其特征在于，包括：
半导体衬底；
位于所述半导体衬底上的第一绝缘介质层；
位于所述第一绝缘介质层背离所述半导体衬底一侧的多条单晶硅线，所述单晶硅线沿第一方向延伸，且所述多条单晶硅线沿第二方向周期排列，所述第一方向和所述第二方向相交；
及，覆盖所述多条单晶硅线、且填充相邻所述单晶硅线之间间隙处的第二绝缘介质层，所述第二绝缘介质层中包括有染料。
2.根据权利要求1所述的染料激光器，其特征在于，所述半导体衬底的材质为硅。
3.根据权利要求1所述的染料激光器，其特征在于，所述第一绝缘介质层的材质为二氧化硅。
4.根据权利要求1所述的染料激光器，其特征在于，所述第二绝缘介质层的材质包括二氧化硅。
5.根据权利要求1所述的染料激光器，其特征在于，在垂直所述第一方向的方向上，所述单晶硅线的截面为矩形。
6.根据权利要求1所述的染料激光器，其特征在于，所述单晶硅线的线宽为亚微米级；
及在垂直所述半导体衬底所在面的方向上，所述单晶硅线的厚度为亚微米级。
7.根据权利要求1所述的染料激光器，其特征在于，所述单晶硅线的线宽与相邻两个所述单晶硅线之间间距之和为百纳米级。
8.根据权利要求1所述的染料激光器，其特征在于，在垂直所述半导体衬底所在面的方向上，所述第二绝缘介质层的厚度为亚微米级。
9.一种染料激光器的制备方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底；
在所述半导体衬底上形成第一绝缘介质层；
在所述第一绝缘介质层背离所述半导体衬底一侧形成多条单晶硅线，所述单晶硅线沿第一方向延伸，且所述多条单晶硅线沿第二方向周期排列，所述第一方向和所述第二方向相交；
形成覆盖所述多条单晶硅线、且填充相邻所述单晶硅线之间间隙处的第二绝缘介质层，所述第二绝缘介质层中包括有染料。
10.根据权利要求9所述的染料激光器的制备方法，其特征在于，在所述第一绝缘介质层背离所述半导体衬底一侧形成多条单晶硅线，包括：
采用自对准双重成像工艺，在所述第一绝缘介质层背离所述半导体衬底一侧形成多条单晶硅线。
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