CN113708220B - 一种量子点微激光器及其制备方法 - Google Patents

一种量子点微激光器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种量子点微激光器及其制备方法，激光器采用悬浮硅盘结构，悬浮硅盘结构包括从下到上依次设置的硅衬底层、第一二氧化硅层、二氧化硅支柱层和二氧化硅圆盘层，在二氧化硅圆盘层上表面悬涂有量子点层，在量子点层上覆盖有第二二氧化硅层；所述制备方法采用光刻刻蚀工艺和RIE刻蚀工艺制备悬浮硅盘结构的微腔，使其在高温中退火后悬涂不同尺寸的量子点，并蒸镀二氧化硅。本发明激光器能够获得白光激光，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，可以获得高光转换效率低阈值。

Description

一种量子点微激光器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种量子点微激光器及其制备方法，属于激光技术领域。
背景技术
半导体量子点材料是一种人工设计、制造的新型半导体材料，载流子在三个空间方向上的运动都受到约束，具有很强的三维量子限制效应，体现出明显的量子隧穿、量子干涉、库伦阻塞和非线性光学等效应，是新一代固态量子器件的物理基础，在纳米电子学、光电子学和新一代超大规模集成电路等方面有极其重要的应用前景。
目前，利用一种材料的量子点激光源实现白光激光，在白光激光转换过程中，大部分激光能量被转换成宽谱光，发光角度明显增加，可以提高其安全性，更适用于一些民用的场合，且成本更低，将量子点与微腔结构结合，可以进一步提高量子点激光器的光学性能，但是目前此类量子点激光器的微腔结构表面光滑度不够，且微腔的结构设计也存在不足，导致激光器损耗较大，量子点发光效率较低。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种量子点微激光器及其制备方法，在硅衬底的SOI晶片上制备悬浮硅盘结构的量子点微激光器，通过悬浮结构设计能够减少损耗，提高量子点的发光效率，实现白光激光。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术手段：
第一方面，本发明提出了一种量子点微激光器，所述量子点微激光器采用悬浮硅盘结构，所述悬浮硅盘结构包括从下到上依次设置的硅衬底层、第一二氧化硅层、二氧化硅支柱层和二氧化硅圆盘层，在所述二氧化硅圆盘层上表面悬涂有量子点层，在量子点层上覆盖有第二二氧化硅层；在量子点层上设置有不同尺寸的多个量子点。
结合第一方面，进一步的，悬浮硅盘结构至少包括3个二氧化硅支柱层，每个二氧化硅支柱层支撑一个二氧化硅圆盘层。
结合第一方面，进一步的，在量子点层上设置有3种不同尺寸、同材料的量子点。
结合第一方面，进一步的，量子点层上量子点的波长分别为410nm、545nm和660nm。
结合第一方面，进一步的，量子点的材料为CdTe。
结合第一方面，进一步的，所述二氧化硅支柱层通过缓冲氧化物刻蚀液悬空制作而成。
结合第一方面，进一步的，第二二氧化硅层通过磁控溅射蒸镀制作而成。
第二方面，本发明提出了一种量子点微激光器的制备方法，所述量子点微激光器采用本发明第一方面所述的量子点微激光器，所述制备方法包括如下步骤：
S1、在SOI晶片的上表面旋涂光刻胶，并利用光学光刻技术在光刻胶层上定义圆盘微腔结构；
S2、基于圆盘微腔结构，利用反应离子腐蚀技术刻蚀SOI晶片上的光刻胶掩膜，获得包含硅盘结构的SOI晶片；
S3、利用缓冲氧化物刻蚀液对包含硅盘结构的SOI晶片进行悬空处理，生成支撑硅盘结构的硅支柱，进而获得包含悬浮硅盘的SOI晶片；
S4、在空气中对包含悬浮硅盘的SOI晶片进行退火处理，退火后获得由硅衬底层、第一二氧化硅层、二氧化硅支柱层和二氧化硅圆盘层组成的悬浮硅盘结构；
S5、在二氧化硅圆盘层(4)上悬涂多个不同尺寸的多个量子点，获得量子点层(5)；
S6、利用磁控溅射技术在量子点层(5)上蒸镀一层二氧化硅，获得第二二氧化硅层(6)。
结合第二方面，进一步的，在步骤S3中，将包含硅盘结构的SOI晶片浸泡在氢氟酸与氟化氨水混合溶液中，然后进行悬空处理。
采用以上技术手段后可以获得以下优势：
本发明提出了一种量子点微激光器及其制备方法，量子点微激光器以硅衬底的SOI晶片为载体制备悬浮硅盘结构，在悬浮硅盘结构上设置包含3种尺寸量子点的量子层，在受激辐射后，3种尺寸量子点在红绿蓝三种波段发光，并最终通过悬浮的圆盘微腔实现白光激光。本发明的悬浮硅盘结构利用二氧化硅支柱层在较大程度上分离硅层和二氧化硅圆盘层，能够有效减少损耗，从而提高量子点圆盘微腔的发光效率。本发明制备方法利用光学光刻和RIE刻蚀以及氢氟酸与氟化氨水混合溶液腐蚀二氧化硅工艺制备悬浮硅盘结构的微腔，能够获得由柱状支撑的且边缘光滑的悬浮硅盘结构，降低了结构的弯曲损耗和侧面粗糙引起的散射损耗。
本发明量子点微激光器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，可以获得高光转换效率低阈值，本发明制备方法工艺性好、加工精度高。
附图说明
图1为本发明一种量子点微激光器的侧视图；
图2为本发明一种量子点微激光器的俯视图；
图3为本发明一种量子点微激光器的制备方法的步骤流程图；
图4为本发明实施例中制备方法的工艺流程图；
图中，1是硅衬底层，2是第一二氧化硅层，3是二氧化硅支柱层，4是二氧化硅圆盘层，5是量子点层，6是第二二氧化硅层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明：
本发明提出了一种量子点微激光器，如图1、2所示，该量子点微激光器以硅衬底的SOI晶片为载体，采用了悬浮硅盘结构。量子点微激光器的悬浮硅盘结构包括从下到上依次设置的硅衬底层1、第一二氧化硅层2、二氧化硅支柱层3和二氧化硅圆盘层4，在二氧化硅圆盘层4的上表面悬涂有量子点层5，量子点层5上设置有不同尺寸的多个量子点，在量子点层5上覆盖有第二二氧化硅层6。
在本发明实施例中，悬浮硅盘结构包括3个二氧化硅支柱层3，每个二氧化硅支柱层3支撑一个二氧化硅圆盘层4，且二氧化硅支柱层3通过缓冲氧化物刻蚀液(BOE)悬空制作而成。
第一二氧化硅层2和二氧化硅圆盘层4是硅在高温中退火所致，第二二氧化硅层6通过磁控溅射蒸镀制作而成。
在本发明量子点微激光器的量子点层5上设置有3种不同尺寸、同材料的量子点，量子点的材料为CdTe，量子点的波长分别为410nm、545nm和660nm，在受激辐射后，3种尺寸量子点在红绿蓝三种波段发光，并最终通过悬浮的圆盘微腔实现白光激光。
本发明还提出了一种量子点微激光器的制备方法，以制备悬浮硅盘结构的量子点微激光器，硅衬底700um，顶层硅厚度220nm，二氧化硅厚度2um为例，如图3、4所示，具体包括如下步骤：
S1、获取SOI晶片，并利用丙酮、无水乙醇和去离子水依次超声清洗SOI晶片，然后用氮气吹干SOI晶片；利用匀胶机在清洗吹干后的SOI晶片的上表面以4000转/分钟的转速旋涂光刻胶AZ-5214，旋涂时间为40s(光刻胶厚度为1.5微米)，然后利用光学光刻技术在光刻胶层上定义圆盘微腔结构，本发明实施例中，需要定义3个尺寸相同且圆心位于同一水平线上的圆盘微腔结构，光刻机的型号为MA6。
S2、基于圆盘微腔结构，以光刻胶为掩膜，利用反应离子腐蚀技术(RIE)向下刻蚀SOI晶片，刻蚀深度为240nm，令SOI晶片表面形成3个圆盘结构，获得包含硅盘结构的SOI晶片。
S3、将包含硅盘结构的SOI晶片放入配好的氢氟酸与氟化氨水的混合溶液中，氢氟酸与氟化氨水的体积比例为1：6，利用BOE溶液对包含硅盘结构的SOI晶片进行悬空处理，悬空时间30s，生成支撑硅盘结构的硅支柱，硅支柱的高度为2um，进而获得包含悬浮硅盘的SOI晶片。硅的折射率为3.42，二氧化硅的折射率为1.45，由于光具有趋于在折射率大的介质中传播的特性，因此本发明设计了的二氧化硅支柱层3，利用二氧化硅支柱层3支撑二氧化硅圆盘层4，能够较大程度地分离硅层和二氧化硅圆盘层，减少损耗，从而提高量子点圆盘微腔的发光效率。
S4、在空气中对包含悬浮硅盘的SOI晶片进行高温退火处理，令SOI晶片上绝大部分硅层转化成二氧化硅层，具体的，令SOI晶片上的悬浮硅盘转化成二氧化硅圆盘层4，令SOI晶片上的硅支柱转化成二氧化硅支柱层3，令硅支柱下方的硅层转化成第一二氧化硅层2，SOI晶片最底部硅层为硅衬底层1，获得悬空硅盘结构。
S5、在二氧化硅圆盘层4上悬涂多个不同尺寸的多个量子点，获得量子点层5。本发明实施例中，量子点的材料为CdTe，量子点的尺寸分别为410nm、545nm和660nm。由于量子点的尺寸较小，所以本发明采用悬涂方法，悬涂简单并且容易获得高品质低阈值激光，此外，本发明还利用先进的微纳加工技术设计并制备悬浮硅盘微腔。
S6、利用磁控溅射技术在量子点层5上蒸镀一层厚度为100nm的二氧化硅，获得第二二氧化硅层6，至此，完成量子点微激光器的制作。
与传统的量子阱激光器(量子线激光器)相比，本发明量子点激光器具有分立的态密度函数，因此具有更加优越的性能。本发明量子点微激光器设计了悬浮硅盘结构，利用二氧化硅支柱层在较大程度上分离硅层和二氧化硅圆盘层，能够减少损耗，从而提高量子点圆盘微腔的发光效率，具有更低的阈值电流密度、更高的阈值电流温度稳定性、更高的微分增益、更高的调制带宽、对衬底缺陷不敏感等优点。本发明制备方法的工艺简单，获得由柱状支撑的且边缘光滑的悬浮硅盘结构，能够降低结构的弯曲损耗和侧面粗糙引起的散射损耗。
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 (9)

1.一种量子点微激光器，其特征在于，所述量子点微激光器采用悬浮硅盘结构，所述悬浮硅盘结构包括从下到上依次设置的硅衬底层(1)、第一二氧化硅层(2)、二氧化硅支柱层(3)和二氧化硅圆盘层(4)，在所述二氧化硅圆盘层(4)上表面悬涂有量子点层(5)，在量子点层(5)上覆盖有第二二氧化硅层(6)；在量子点层(5)上设置有不同尺寸的多个量子点。
2.根据权利要求1所述的一种量子点微激光器，其特征在于，悬浮硅盘结构至少包括3个二氧化硅支柱层(3)，每个二氧化硅支柱层(3)支撑一个二氧化硅圆盘层(4)。
3.根据权利要求1所述的一种量子点微激光器，其特征在于，在量子点层(5)上设置有3种不同尺寸、同材料的量子点。
4.根据权利要求3所述的一种量子点微激光器，其特征在于，量子点层(5)上量子点的波长分别为410nm、545nm和660nm。
5.根据权利要求3所述的一种量子点微激光器，其特征在于，量子点的材料为CdTe。
6.根据权利要求1所述的一种量子点微激光器，其特征在于，所述二氧化硅支柱层(3)通过缓冲氧化物刻蚀液悬空制作而成。
7.根据权利要求1所述的一种量子点微激光器，其特征在于，第二二氧化硅层(6)通过磁控溅射蒸镀制作而成。
8.一种量子点微激光器的制备方法，其特征在于，所述量子点微激光器采用权利要求1～7任一项所述的量子点微激光器，所述制备方法包括如下步骤：
S1、在SOI晶片的上表面旋涂光刻胶，并利用光学光刻技术在光刻胶层上定义圆盘微腔结构；
S2、基于圆盘微腔结构，利用反应离子腐蚀技术刻蚀SOI晶片上的光刻胶掩膜，获得包含硅盘结构的SOI晶片；
S3、利用缓冲氧化物刻蚀液对包含硅盘结构的SOI晶片进行悬空处理，生成支撑硅盘结构的硅支柱，进而获得包含悬浮硅盘的SOI晶片；
S4、在空气中对包含悬浮硅盘的SOI晶片进行退火处理，退火后获得由硅衬底层(1)、第一二氧化硅层(2)、二氧化硅支柱层(3)和二氧化硅圆盘层(4)组成的悬浮硅盘结构；
S5、在二氧化硅圆盘层(4)上悬涂多个不同尺寸的多个量子点，获得量子点层(5)；
S6、利用磁控溅射技术在量子点层(5)上蒸镀一层二氧化硅，获得第二二氧化硅层(6)。
9.根据权利要求8所述的一种量子点微激光器的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，将包含硅盘结构的SOI晶片浸泡在氢氟酸与氟化氨水混合溶液中，然后进行悬空处理。
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