CN113418519B - 一种电泵浦光学陀螺及其制备方法 - Google Patents

一种电泵浦光学陀螺及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电泵浦光学陀螺及其制备方法，包括：探测器、外形波导和光学陀螺；外形波导包括从上至下依次设置的第一p型磷化铟层、第一量子阱层和n型磷化铟层，第一p型磷化铟层和第一量子阱层为渐变式结构；探测器包括探测器正电极和探测器负电极；光学陀螺包括从上至下依次设置的环形电极、第二量子阱层和第二p型磷化铟层。优点：本发明的外形波导采用了渐变设计，便于产生的激光在波导中的传输，降低了光学损耗。本发明采用了磷化铟外延片，并在刻蚀完成后，用饱和溴水对侧壁进行了光滑修饰，这样易于光学陀螺中产生更好的激光。

Description

一种电泵浦光学陀螺及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种电泵浦光学陀螺及其制备方法，属于集成光学和惯性传感器技术领域。
背景技术
光学陀螺是惯性导航，惯性制导，测试检测设备的重要测试元件。光学陀螺可分为激光陀螺和光纤陀螺两种。激光陀螺仪的原理是利用光程差来测量旋转角速度( Sagnac效应)。在闭合光路中,由同一光源发出的沿顺时针方向和反时针方向传输的两束光和光干涉，利用检测相位差或干涉条纹的变化,就可以测出闭合光路旋转角速度。
激光陀螺和光纤陀螺都具备高精度，高灵敏度等优点。但是，激光陀螺的内部元器件复杂繁多，光纤陀螺的缠绕长度和半径都较大，二者都不利于系统集成，难以满足小型化的应用需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中激光陀螺的内部元器件复杂繁多、光纤陀螺的缠绕长度和半径都较大的缺陷，提供一种电泵浦光学陀螺及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种电泵浦光学陀螺，包括：探测器、Y形波导和光学陀螺；
所述Y形波导包括从上至下依次设置的第一p型磷化铟层、第一量子阱层和n型磷化铟层，第一量子阱层设在n型磷化铟层的中部，所述第一p型磷化铟层和第一量子阱层为渐变式结构；
所述探测器包括探测器正电极探测器负电极，探测器正电极设在所述第一p型磷化铟层上表面的一侧，探测器负电极设在n型磷化铟层上表面的一侧；
所述光学陀螺包括从上至下依次设置的环形电极、第二量子阱层和第二p型磷化铟层，第二p型磷化铟层和第二量子阱层为环形结构，第二量子阱层设在n型磷化铟层上表面的另一侧。
进一步的，所述渐变式结构为靠近探测器正电极一侧的第一p型磷化铟层和第一量子阱层为从大到小的渐变结构。
进一步的， 所述第一p型磷化铟层、第一量子阱层与第二量子阱层、第二p型磷化铟层之间设有耦合间隙。
一种制备所述电泵浦光学陀螺的方法，包括：
由上至下依次铺设p型磷化铟层、量子阱层和n型磷化铟层；
在p型磷化铟层上，生长一层二氧化硅薄膜；
在二氧化硅薄膜上旋涂光刻胶层，在旋涂的光刻胶层上定义出探测器、渐变式结构的Y形波导和光学陀螺的图形；
根据所述图形对二氧化硅向下刻蚀至p型磷化铟层，然后去除残胶；
向下刻蚀直至n型磷化铟层同时将量子阱层刻透，用于将定义的图形转移到p型磷化铟层上，然后用BOE溶液去除掉表面的二氧化硅膜层，得到晶片一；
用饱和溴水对晶片一侧壁进行光滑修饰，得到晶片二；
在晶片二表面旋涂光刻胶，然后在光刻胶层上定义出探测器正电极，环形电极和探测器负电极图形；
在p型磷化铟层上蒸镀探测器正电极和环型电极，在n型磷化铟层上蒸镀探测器负电极，最后去除残留的光刻胶；
在探测器正电极和探测器负电极的表面键合引线进行封装，得到最终的电泵浦光学陀螺。
进一步的，所述渐变式结构的Y形波导为从靠近探测器一侧为从大到小的渐变结构。
进一步的，在p型磷化铟层上，通过PECVD设备生长一层二氧化硅薄膜。
进一步的，采用光学光刻技术在旋涂的光刻胶层上定义出探测器，Y形波导和光学陀螺的图形；
采用光刻技术在光刻胶层上定义出探测器正电极，光学陀螺环形电极和探测器负电极图形。
进一步的，采用RIE技术对二氧化硅向下刻蚀至p型磷化铟层；采用ICP刻蚀技术向下刻蚀直至n型磷化铟层。
进一步的，其特征在于，采用电子束蒸镀技术在p型磷化铟层上蒸镀探测器正电极和环型电极，在n型磷化铟层上蒸镀探测器负电极；
采用超声波键合技术，在探测器正电极和探测器负电极的表面键合引线进行封装。
进一步的，所述蒸镀的所有电极的材料为金/钛。
本发明所达到的有益效果：
本发明通过对n型磷化铟层、量子阱层、p型磷化铟层、光学陀螺电极、探测器负电极和探测器正电极的位置设置，组成电泵浦光学陀螺的相应结构探测器，Y形波导和光学陀螺，探测器为探测器正电极所在部分；光学陀螺为光学陀螺电极所在的部分；探测器与光学陀螺中间的部分为Y形波导，用于光的传输， n型磷化铟层和p型磷化铟构成PN结结构，便于外部施加电压，即P区接外加电源的正极，N区接负极，就可以抵消其内部自建电场，使载流子可以继续运动，从而形成线性的正向电流，量子阱层可以有效的约束载流子在很小的区域，从而将光场约束在一个相应的小范围；
通过磷化铟外延片上完整器件的大小为微米级的，再采用超声波键合技术键合引线封装，整体结构十分小巧，易于片上集成。
本发明的制备方法在刻蚀完成后，用饱和溴水对侧壁进行了光滑修饰，这样易于光学陀螺中产生更好的激光；本发明的Y形波导采用了渐变设计，便于产生的激光在波导中的传输，降低了光学损耗。
附图说明
图1磷化铟电泵浦光学陀螺的截面图；
图2磷化铟电泵浦光学陀螺的俯视图；
图3磷化铟电泵浦光学陀螺工艺流程图；
图中：1为n型磷化铟层，2为量子阱层，21为第一量子阱层，22为第二量子阱层，3为p型磷化铟层，31为第一p型磷化铟层，32为第一p型磷化铟层，4为探测器负电极，5为环形电极，6为探测器正电极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1和2所示，如图1和2所示，一种电泵浦光学陀螺，其特征在于，包括：探测器、Y形波导和光学陀螺；
所述Y形波导包括从上至下依次设置的第一p型磷化铟层31、第一量子阱层21和n型磷化铟层1，第一量子阱层21设在n型磷化铟层1的中部，所述第一p型磷化铟层31和第一量子阱层21为渐变式结构；
所述探测器包括探测器正电极6和探测器负电极4，探测器正电极6设在所述第一p型磷化铟层31上表面的一侧，探测器负电极4设在n型磷化铟层1上表面的一侧；
所述光学陀螺包括从上至下依次设置的环形电极5、第二量子阱层22和第二p型磷化铟层32，第二p型磷化铟层32和第二量子阱层22为环形结构，第二量子阱层22设在n型磷化铟层1上表面的另一侧。
环形电极5、探测器负电极4和探测器正电极6方便可以引线从外部施加电压。
Y形波导是渐变设计的；位于环形电极5下方的第二量子阱层22、第二p型磷化铟层32要同样设置为环形。
所述第一p型磷化铟层31、第一量子阱层21与第二量子阱层22、第二p型磷化铟层32之间设有耦合间隙，间隙的距离为0.3至0.5微米。
如图3所示，一种电泵浦光学陀螺的制备方法，以磷化铟外延片制备电泵浦光学陀螺，光学陀螺直径为1毫米为例，耦合距离为0.5um，制备过程如下：
第一步：由上至下依次铺设p型磷化铟层3、量子阱层2和n型磷化铟层1；
第二步：将磷化铟外延片，经丙酮、无水乙醇和去离子水依次超声清洗后，然后用氮气枪吹干；在磷化铟外延片上通过PECVD设备，生长一层2微米厚的二氧化硅薄膜作为掩膜。
第三步：使用匀胶机在外延片正面（二氧化硅表面）以4000转/分钟的转速旋涂光刻胶AZ P4620，旋涂时间为40秒（光刻胶厚度为1.5微米）。采用光学光刻技术，在旋涂的光刻胶层上定义出探测器，Y形波导和光学陀螺的图形，光刻机型号为MA6。
第四步：采用RIE刻蚀技术对二氧化硅进行刻蚀,刻蚀厚度为2微米，从而将定义出的探测器，波导，光学陀螺图案转移二氧化硅层上，然后用丙酮去除残留的光刻胶。
第五步：使用ICP刻蚀技术对磷化铟外延片刻蚀，向下刻蚀直至磷化铟的n型层1，将量子阱层2刻透，从而将二氧化硅上的图案转移到磷化铟层上，刻蚀厚度为4微米，然后用BOE溶液去除掉表面的二氧化硅掩膜层。
第六步：将得到的磷化铟外延片用饱和溴水对侧壁进行光滑修饰。
第七步：使用匀胶机在修饰完成的磷化铟外延片表面以4000转/分钟的转速旋涂光刻胶AZ-5214，旋涂时间为40秒（光刻胶厚度为1.5微米),采用光学光刻技术，在旋涂的光刻胶层上定义出n型电极，探测器电极和环型电极的图形区域，并利用ICP刻蚀技术将定义的n型电极区域转移到n型磷化铟层1上，将探测器电极和环型电极转移到p型磷化铟层3上，光刻机型号为MA6。
第八步：采用采用电子束蒸镀技术在p型磷化铟层3上蒸镀探测器电极和光学陀螺中的环型电极，在n型磷化铟层1上蒸镀负电极，最后用丙酮去除残留的光刻胶，电极材料为Au/Ti。
第九步：采用超声波键合技术，在正负电极表面键合引线进行封装，最终制备成完整的器件。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电泵浦光学陀螺，其特征在于，包括：探测器、Y形波导和光学陀螺；
所述Y形波导包括从上至下依次设置的第一p型磷化铟层（31）、第一量子阱层（21）和n型磷化铟层（1），第一量子阱层（21）设在n型磷化铟层（1）的中部，所述第一p型磷化铟层（31）和第一量子阱层（21）为渐变式结构；
所述探测器包括探测器正电极（6）和探测器负电极（4），探测器正电极（6）设在所述第一p型磷化铟层（31）上表面的一侧，探测器负电极（4）设在n型磷化铟层（1）上表面的一侧；
所述光学陀螺包括从上至下依次设置的环形电极（5）、第二p型磷化铟层（32）和第二量子阱层（22），第二p型磷化铟层（32）和第二量子阱层（22）为环形结构，第二量子阱层（22）设在n型磷化铟层（1）上表面的另一侧。
2.根据权利要求1所述的电泵浦光学陀螺，其特征在于，所述渐变式结构为靠近探测器正电极（6）一侧的第一p型磷化铟层（31）和第一量子阱层（21）为从大到小的渐变结构。
3.根据权利要求1所述的电泵浦光学陀螺，其特征在于，
所述第一p型磷化铟层（31）、第一量子阱层（21）与第二p型磷化铟层（32）、第二量子阱层（22）之间设有耦合间隙。
4.一种制备权利要求1所述电泵浦光学陀螺的方法，其特征在于，包括：
由上至下依次铺设p型磷化铟层（3）、量子阱层（2）和n型磷化铟层（1）；
在p型磷化铟层（3）上，生长一层二氧化硅薄膜；
在二氧化硅薄膜上旋涂光刻胶层，在旋涂的光刻胶层上定义出探测器、渐变式结构的Y形波导和光学陀螺的图形；
根据所述图形对二氧化硅向下刻蚀至p型磷化铟层（3），然后去除残胶；
向下刻蚀直至n型磷化铟层(1) 同时将量子阱层（2）刻透，用于将定义的图形转移到p型磷化铟层（3）上，然后用BOE溶液去除掉表面的二氧化硅膜层，得到晶片一；
用饱和溴水对晶片一侧壁进行光滑修饰，得到晶片二；
在晶片二表面旋涂光刻胶，然后在光刻胶层上定义出探测器正电极（6），环形电极和探测器负电极（4）图形；
在p型磷化铟层上蒸镀探测器正电极（6）和环型电极（5），在n型磷化铟层(1)上蒸镀探测器负电极（4），最后去除残留的光刻胶；
在探测器正电极（6）和探测器负电极（4）的表面键合引线进行封装，得到最终的电泵浦光学陀螺。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述渐变式结构的Y形波导为靠近探测器正电极（6）一侧的第一p型磷化铟层（31）和第一量子阱层（21）为从大到小的渐变结构。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，
在p型磷化铟层（3）上，通过PECVD设备生长一层二氧化硅薄膜。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，
采用光学光刻技术在旋涂的光刻胶层上定义出探测器，Y形波导和光学陀螺的图形；
采用光刻技术在光刻胶层上定义出探测器正电极（6），光学陀螺环形电极和探测器负电极（4）图形。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，
采用RIE技术对二氧化硅向下刻蚀至p型磷化铟层（3）；
采用ICP刻蚀技术向下刻蚀直至n型磷化铟层(1)。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，
采用电子束蒸镀技术在p型磷化铟层上蒸镀探测器正电极（6）和环型电极（5），在n型磷化铟层(1)上蒸镀探测器负电极（4）；
采用超声波键合技术，在探测器正电极（6）和探测器负电极（4）的表面键合引线进行封装。
10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述蒸镀的所有电极的材料为金/钛。
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