CN115064937B

CN115064937B - 一种微曲面dbr及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN115064937B
Application number: CN202210644192.4A
Authority: CN
Inventors: 陈焕卿; 于果; 李俊超; 胡晓东
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2022-06-08
Filing date: 2022-06-09
Publication date: 2023-01-24
Anticipated expiration: 2042-06-09
Also published as: CN115064937A

Abstract

本发明公开一种微曲面DBR及其制备方法和应用，属于纳米尺度的微结构制造工艺。本发明微曲面DBR的结构是在铺置纳米小球的衬底上交替生长高折射率材料和低折射率材料形成，所述高折射率材料和低折射率材料交替叠加构成堆垛结构，通过纳米小球的诱导，堆垛结构最外面的轮廓呈弧形球冠。本发明可以通过改变高折射率材料和低折射率材料或者纳米小球的尺寸，方便地调节曲面DBR凸起的高度和半径，针对不同波长微腔实现光场限制，且该微曲面DBR的制备方法简单，不需要光刻工艺，适用范围广阔，可以用作VCSEL的上下腔面反射镜，实现具有超小模式体积和较高品质因子的光学微腔。

Description

一种微曲面DBR及其制备方法和应用

技术领域：

本发明属于纳米尺度的微结构制造工艺，具体涉及一种基于掩埋纳米小球的微曲面DBR(distributed Bragg reflection，分布式布拉格反射镜)。

背景技术：

长期以来，VCSEL(Vertical-cavity surface-emitting laser，垂直腔面发射激光器)的模式限制一直是一个热门的研究课题，根据帕赛尔效应，光学微腔对发光体的自发辐射调制效应与光学腔的品质因子Q和模式体积V_c有关。为了实现更大的F_p因子，通常期望制备一个具有较高品质因子Q和较小模式体积V_c的微腔。目前减小模式体积的常用方法大体可以分为如下几类：(1)将平板垂直微腔刻蚀成微米柱结构。或者形成氧化层，利用横向上的空气或者氧化物与半导体材料之间的折射率差形成限制。(2)利用灰度光刻、光刻胶回流、FIB刻蚀的方法，在有源区顶部光刻出曲面轮廓，然后再沉积上层DBR，形成对光具有汇聚和限制作用的凹面DBR反射镜，如图1所示，该微曲面DBR反射镜可以减小模式体积。

微曲面DBR反射镜在实际应用中取得了不错的效果，但是由于均涉及到光刻刻蚀等工艺，在理论和工艺上仍然存在诸多限制和不足。首先，对于常规的光刻工艺，当特征尺寸进一步降低到亚微米甚至纳米的尺度时，由于光刻胶、光源波长、透镜等条件的限制，光刻的精度和稳定性会大幅度地降低。因而需要用到紫外光刻、电子束光刻、纳米压印光刻等技术，使工艺难度和成本提高。而且，无论是湿法刻蚀和还是干法刻蚀，对器件表面和侧壁都不可避免地会带来损伤。这些损伤反过来会导致对光的散射损耗增加，减小微腔的品质因子Q。因而无法在超小的模式体积下保持较大的Q，即无法实现较大的Q/V比值。最后，对于增益介质为钙钛矿材料或者有机物材料的样品，由于其与光刻中需要用到的光刻胶、丙酮、酒精互溶，只能采用硬掩模的方法进行光刻，无法达到亚微米尺度。

发明内容：

为了克服以上的难点，本发明提出了一种微曲面DBR及其制备和应用，该微曲面DBR不仅表面平整，轮廓清晰；尺度可达亚微米量级，对光场限制强；而且制备方法简单，不需要光刻工艺，适用范围广阔，可以用作VCSEL的上下腔面反射镜，实现具有超小模式体积和较高品质因子的光学微腔。

本发明提供的技术方案如下：

一种微曲面DBR，其特征在于，包括衬底、若干个纳米小球、高折射率材料和低折射率材料，所述微曲面DBR的结构是在铺置纳米小球的衬底上交替生长高折射率材料和低折射率材料形成，所述高折射率材料和低折射率材料交替叠加构成堆垛结构，通过纳米小球的诱导，堆垛结构最外面的轮廓呈弧形球冠，该弧形球冠的开口圆半径R和高H分别为

H＝(L+r)-(L-r)＝2r

其中L代表的是堆垛结构的厚度，r代表的是纳米小球的半径。

本发明随着堆垛结构层数的增加，弧形的外半径逐渐增加并向外发散。即本发明提供的微曲面DBR利用光的干涉现象对特定波段的光实现极高的反射率，在可见光范围大概是几十纳米。

本发明纳米小球的直径与堆垛结构的最底层材料的厚度接近，纳米小球的半径范围：20～100nm。

本发明纳米小球的材料通常选取与堆垛结构的最底层材料一致。

本发明微曲面DBR的高度和半径可以由高折射率材料和低折射率材料的厚度和纳米小球的半径灵活调节。进一步地，可以将纳米小球的形状由圆球型替换为椭球型，增大表面球冠的曲率半径。

本发明提供的微曲面DBR结构是通过在衬底上预置纳米小球，利用沉积的各向同性诱导出来的。衬底可以是蓝宝石、石英玻璃、发光体薄膜等，低折射率的材料通常为SiO₂，Al₂O₃，其折射率分别为1.4和1.7，厚度范围通常为50～100nm。高折射率材料可以是HfO₂、Ta₂O₅、ZrO₂，其折射率在2.0～2.3之间，厚度范围通常为50～100nm。

进一步，本发明提供了微曲面DBR的制备方法，其特征在于，

1)在衬底表面使用匀胶机旋涂分散纳米小球，纳米小球的半径范围：20～100nm；

2)使用电子束蒸镀交替沉积高折射率材料和低折射率材料。

本发明微曲面DBR应用在VCSEL激光器中，即微曲面DBR作为VCSEL激光器的上腔面反射镜或/和下腔面反射镜，微曲面DBR中的每层高折射率材料或低折射率材料的厚度为中心波长的四分之一。本发明实现微纳米尺度的片上光源和具有超小模式体积的超低阈值。

本发明的技术效果是：当使用化学气相沉积或者物理气相沉积方法生长高折射率材料和低折射率材料时，通常要经历蒸发源发出的气相原子扩散到衬底表面，气相原子在表面扩散迁移，原子凝结形成临结核，由于伴随着气体原子向衬底的扩散，上述材料沉积总是呈现一定的各向同性。也即利用气相沉积的方法生长高折射率材料和低折射率材料时，上述材料通常会沿着衬底上设置的纳米小球向外扩展。而且若衬底上纳米小球的特征尺寸与薄膜厚度相当时，外延薄膜对衬底形状的扩展效果最好。

因此，发明具有如下的优点：

(1)本发明工艺简单，本方案只需要一步旋涂微球的工艺即可形成曲面的DBR轮廓。

(2)本发明不涉及光刻，不需要考虑尺寸减小到亚微米甚至纳米带来的光刻精度问题。可以轻易实现纳米尺度的曲面DBR，对光场进行大幅度的限制。

(3)本发明可以通过改变高折射率材料和低折射率材料或者纳米小球尺寸，方便地调节曲面DBR凸起的高度和半径，针对不同波长微腔实现光场限制。

(4)相比于FIB刻蚀形成曲面DBR的方法，本发明不涉及任何湿法或者干法刻蚀，可以最大限度的减小刻蚀对材料的损伤。

(5)本发明具有普适性，适用于大部分增益介质材料，只要可以在表面旋涂SiO₂纳米微球溶液即可。

附图说明

图1为现有的微曲面DBR扫描电镜图，其中(a)顶视图(b)剖面图；

图2为本发明微曲面DBR的几何关系示意图；

图3为本发明具体实施例中微曲面DBR建模示意图，其中(a)微曲面DBR(b)平面DBRVCSEL；

图4为本发明具体实施例中微曲面DBR电场强度分布图，其中(a)微曲面DBR(b)平面DBR VCSEL。

具体实施方式

本发明微曲面DBR是利用光的干涉现象对特定波段的光实现极高的反射率的堆垛结构，该堆垛结构由两种不同折射率的材料交替生长得到。本发明通过在衬底上预置半径为几十纳米的纳米小球，通过纳米小球的诱导，沉积堆垛结构最外面的轮廓表现为弧形，并且随着堆垛结构中高折射率材料和低折射率材料层数的增加，弧形的外半径逐渐增加并向外发散，该微曲面DBR的球冠半径和高度与堆垛结构的厚度和纳米小球的半径共同决定。其横截面如图2所示，其中底部圆形部分是预置的纳米小球，黑色和白色区域分别是高折射率材料和低折射率材料。每一层的表面轮廓几何关系可以用如下方程表示。

H＝(L+r)-(L-r)＝2r

其中L代表的是DBR的厚度，r代表的是介质纳米球的半径。

本发明可以将一个纳米小球替换成多个纳米小球，实现耦合型微曲面DBR，其制备方法为，在衬底表面使用匀胶机旋涂分散纳米小球，纳米小球的半径范围：20～100nm；使用电子束蒸镀交替沉积高折射率材料和低折射率材料。本发明提供的微曲面DBR利用光的干涉现象对特定波段的光实现极高的反射率。

本发明微曲面DBR应用在VCSEL激光器中，即微曲面DBR作为VCSEL激光器的上腔面反射镜或/和下腔面反射镜，微曲面DBR中的每层高折射率材料或低折射率材料的厚度为VCSEL中心波长的四分之一。在可见光范围大概是几十纳米，实现微纳米尺度的片上光源和具有超小模式体积的超低阈值。

以基于SiO₂纳米小球的微曲面DBR的VCSEL器件为例，其制作工艺流程如下：

a.在蓝宝石衬底表面使用MOCVD生长GaN外延膜；

b.使用电子束蒸镀在GaN外延膜表面交替沉积高低折射率的SiO₂和HfO₂形成上层DBR；

c.使用Au/Sn合金将GaN外延片与Si衬底键合；

d.蓝宝石背面入射激光，利用激光将蓝宝石衬底剥离；

e.化学机械抛光(CMP)上层表面，使上层表面平整度达原子量级；

f.在GaN下表面旋涂分散SiO₂纳米小球；

g.使用电子束蒸镀在GaN外延膜表面交替沉积高低折射率的SiO₂和HfO₂形成下层DBR，将纳米小球嵌入到下层DBR中，形成弧面的轮廓。

器件结构参数：GaN外延膜厚度：≥1um；SiO2层厚度：

HfO2厚度：

SiO2纳米球半径：20～100nm。曲面DBR高度：40～200nm。曲面DBR半径：1～3um。曲面轮廓为圆弧形。

工艺参数：DBR电子束蒸镀温度：200℃。沉积速率：1～4.6埃/s。旋涂SiO₂转速：2000～3000rpm。SiO₂纳米小球溶液浓度：2.5％w/v。

为定量分析SiO₂纳米小球造成的曲面轮廓DBR结构对模式体积的限制能力，使用Lumerical公司的3D时域有限差分(FDTD)仿真软件对两种不同结构的电磁场分布进行模拟。两种器件的结构分别为单曲面DBR和平面DBR，如图3所示。其中DBR对数为15对，SiO₂纳米小球直径为40nm。高低折射率材料分别为SiO₂和HfO₂，SiO₂的厚度为70nm，HfO₂的厚度为50nm。中间的微腔材料为GaN，厚度840nm。仿真区域为4um*4um*5um大小，网格大小为0.005um，边界条件为PML。图4显示的是共振波长处，两种结构横截面的电场分布。可以看出，采用SiO₂纳米小球实现的曲面DBR对横向上的光场具有显著的限制作用，大部分光场局域在SiO₂纳米小球下方的500nm直径的范围。而传统的平面DBR横向上无任何限制，模式体积仅由光斑大小决定。

微腔的模式体积可以表示为整个器件范围内的归一化电场强度积分，计算公式如下：

其中ε代表介电常数，E(r)代表所在位置电场强度的大小。

代入模拟所得数据可得，采用纳米小球形成的曲面DBR微腔模式体积仅为0.1um³，同时Q保持在2800较高的水平，根据估算可得F_p系数为20左右。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims

1.一种微曲面DBR，其特征在于，包括衬底、若干个纳米小球、高折射率材料和低折射率材料，所述衬底上铺置纳米小球交替生长高折射率材料和低折射率材料，通过纳米小球的诱导，所述高折射率材料和低折射率材料交替叠加构成的堆垛结构最外面的轮廓呈弧形球冠，该弧形球冠的开口圆半径R和高H分别为

H＝(L+r)-(L-r)＝2r

2.如权利要求1所述的微曲面DBR，其特征在于，所述纳米小球的半径为20～100nm。

3.如权利要求1所述的微曲面DBR，其特征在于，所述纳米小球的材料与堆垛结构最底层的材料一致。

4.如权利要求1所述的微曲面DBR，其特征在于，所述纳米小球的形状为圆球或椭球。

5.如权利要求1所述的微曲面DBR，其特征在于，所述衬底是蓝宝石、石英玻璃或发光体薄膜。

6.如权利要求1所述的微曲面DBR，其特征在于，所述低折射率材料采用SiO₂或Al₂O₃，其折射率分别为1.4或1.7，厚度范围为50～100nm。

7.如权利要求1所述的微曲面DBR，其特征在于，所述高折射率材料采用HfO₂、Ta₂O₅或ZrO₂，其折射率在2.0～2.3之间，厚度范围为50～100nm。

8.一种微曲面DBR的制备方法，其特征在于，

1)在衬底表面使用匀胶机旋涂分散纳米小球；

2)使用电子束蒸镀交替沉积高折射率材料和低折射率材料；所述高折射率材料和低折射率材料交替叠加构成的堆垛结构最外面的轮廓呈弧形球冠，该弧形球冠的开口圆半径R和高H分别为

H＝(L+r)-(L-r)＝2r

9.一种VCSEL激光器，其特征在于，如权利要求1所述的微曲面DBR作为VCSEL激光器的上腔面反射镜或/和下腔面反射镜，微曲面DBR中每层高折射率材料或低折射率材料的厚度为VCSEL中心波长的四分之一。