專利名稱：三維光子限制光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子信息及微腔量子光學(xué)，尤其涉及一種三維光子限制光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)及其制備方法。
背景技術(shù)：
光學(xué)微腔是一種將光子限制在光波長尺度內(nèi)的光學(xué)諧振結(jié)構(gòu)。通常的光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)包括了法布里-佩羅微腔、基于耳語廊模式的微盤微腔、微球微腔和微環(huán)微腔、以及光子晶體或光子帶隙微腔等。近年來，光學(xué)微腔已經(jīng)在包括光子和通訊器件、腔量子電動力學(xué)和量子光學(xué)、非線性光學(xué)和混沌系統(tǒng)動力學(xué)、生物醫(yī)藥檢測、微機械及光機械等領(lǐng)域取得了長足的進展。
從光學(xué)微腔的發(fā)展歷史看，每當一種新型的高品質(zhì)光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，都會激起一系列相關(guān)物理及器件的研究。同時，根據(jù)Purcell效應(yīng)，高品質(zhì)因子和小模式體積是光學(xué)微腔調(diào)控原子自發(fā)輻射速率的關(guān)鍵參數(shù)，也是光學(xué)微腔設(shè)計所追求的目標。理論上，三維光子限制光學(xué)微腔，可以兼顧這些目標。但是從已有的研究看，微球微腔雖然能夠?qū)崿F(xiàn)三維光子限制，但其不易與芯片集成，且模式體積較大。相關(guān)技術(shù)中的硅基光子微腔結(jié)構(gòu)的制備方法包括在制備好的凸起的圖形襯底上淀積一維微腔結(jié)構(gòu)(包含上下兩個布拉格反射器和中間的缺陷層)，由于共形生長的效果，形成對微腔中缺陷層(或有源層)三維限制的效果。然而，在實際應(yīng)用過程中，尤其是在生物化學(xué)傳感領(lǐng)域應(yīng)用的過程中，并不容易在結(jié)構(gòu)表面上修飾樣品，并進行測量；同時由于這一結(jié)構(gòu)將光場限制在其中心位置，并非在其表面，導(dǎo)致其檢測結(jié)果不精確，效果不明顯。因此，有必要提出一種新的三維光子限制光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)及其制備方法來解決上述問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種方便測量及分析，檢測精度高，具有廣泛應(yīng)用價值的三維光子限制光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)及其制備方法。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種三維光子限制光學(xué)微腔結(jié)構(gòu),其包括設(shè)有凹坑的娃襯底、在凹坑中共形生長的娃基凹形布拉格反射器薄膜及置于所述凹形布拉格反射器薄膜上方，用以進行光激發(fā)和光測試的光纖端面?！N三維光子限制光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)的制備方法，其方法包括提供娃襯底，在娃襯底上制備微米級的凹坑結(jié)構(gòu)；在所述硅襯底的凹坑上沉積布拉格反射器薄膜；提供用以進行光激發(fā)及光探測的光纖端面，將所述光纖端面置于布拉格反射器薄膜的上方。優(yōu)選的，所述凹坑設(shè)有底部及側(cè)壁，在所述硅襯底的凹坑上沉積布拉格反射器薄膜后，所述凹坑的底部及側(cè)壁均形成布拉格反射器結(jié)構(gòu)。優(yōu)選的，將所述光纖端面垂直地置于布拉格反射器薄膜的正上方，并密封住所述凹坑的開口。優(yōu)選的，所述光纖端面置于布拉格反射器薄膜的上方之前還包括，將光纖端面直角切割及拋光處理。優(yōu)選的，在所述硅襯底上刻蝕的凹坑的橫向尺寸為IMm lOOOMm，縱向尺寸為Inm 200Wno優(yōu)選的，所述凹坑中生長布拉格反射器薄膜的厚度為λ Xnm /4，其中，λ為三維光子限制光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)的中心波長，nm為薄膜在該波長處的折射率。優(yōu)選的，布拉格反射器薄膜由兩種折射率不同的第一薄膜和第二薄膜交替淀積而構(gòu)成，所述第一薄膜的材料為氧化硅，所述第二薄膜的材料為氮化硅。優(yōu)選的，布拉格反射器薄膜由兩種折射率不同的第一薄膜和第二薄膜交替淀積而構(gòu)成，所述薄膜采用氧化硅材料而制成，第一薄膜的氧含量及硅含量與第二薄膜的氧含量 及娃含量不同。優(yōu)選的，布拉格反射器薄膜由兩種折射率不同的第一薄膜和第二薄膜交替淀積而構(gòu)成，所述薄膜采用氮化硅材料而制成，第一薄膜的氮含量及硅含量與第二薄膜的氮含量及娃含量不同。本發(fā)明的優(yōu)點在于本發(fā)明在襯底上制備凹形坑狀結(jié)構(gòu)，并在其上淀積布拉格反射器多層薄膜結(jié)構(gòu)，結(jié)合測試光纖端面，形成對凹形結(jié)構(gòu)中所注入樣品的三維空間限制和光場限制。這一結(jié)構(gòu)中可以很方便地引入多種樣品，具有廣泛的適應(yīng)性，結(jié)合光纖測量技術(shù)，可以很方便的實現(xiàn)樣品光譜測量，實現(xiàn)定性及定量分析。在半導(dǎo)體光電子信息、生物傳感檢測及微腔量子光學(xué)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用價值。由于整體器件結(jié)構(gòu)制備過程與微電子CMOS工藝兼容，這一器件制作成本較低，易于產(chǎn)業(yè)化。


圖I為本發(fā)明三維光子限制光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)較佳實施例的剖面示意 圖2(a)_(f)為本發(fā)明三維光子限制光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)的制備方法的較佳實施例的步驟示意圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。如圖I所示，為本發(fā)明三維光子限制光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)的較佳實施例的剖面圖，三維光子限制光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)10包括設(shè)有凹坑110的硅襯底11，在凹坑110中沉積有硅基凹形布拉格反射器薄膜12及置于所述凹形布拉格反射器薄膜12上方，用以進行光激發(fā)和光測試的光纖端面13，其中，布拉格反射器薄膜12由第一薄膜121和第二薄膜122兩種折射率不同的材料交替淀積而構(gòu)成。優(yōu)選的，所述第一薄膜121由氧化硅制成，第二薄膜122由氮化硅制成。當然，第一薄膜121和第二薄膜122也可以均采用氧化硅制成，即調(diào)節(jié)兩種薄膜中氧化娃的氧含量和娃含量，使得第一薄膜121的氧含量和娃含量不同于第二薄膜122的氧含量和硅含量；同理，第一薄膜121和第二薄膜122也可以均采用氮化硅制成，方法與氧化硅相同。這樣，就可以保證第一薄膜121和第二薄膜122的折射率不同，從而在凹坑110內(nèi)交替沉積而形成所需的布拉格反射器薄膜12。如圖2所示，為本發(fā)明三維光子限制光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)制備方法的較佳實施例的步驟示意圖，該方法包括如下步驟
步驟001 :參照圖2 (a)至圖2 (d)，提供硅襯底11，在硅襯底11的兩端設(shè)置掩膜102，對未設(shè)掩膜102的部位用光刻技術(shù)及刻蝕工藝，刻蝕出微米級的凹坑110，其中，硅襯底11設(shè)有上表面103及與上表面103相對的下表面104，所述凹坑110自上表面103向下表面104延伸而成，且其包括與上表面103相連的側(cè)壁105及與側(cè)壁105相連的底部106，在本實施例中，刻蝕工藝干法刻蝕，當然，也可以采用濕法刻蝕；
步驟002 :參照圖2(e)，在硅襯底11的凹坑110上利用薄膜淀積的工藝沉積出硅基凹形布拉格反射器薄膜12,該布拉格反射器薄膜12的沉積范圍包括娃襯底11的上表面103、凹坑110的側(cè)壁105及底部106，且布拉格反射器薄膜12由兩種折射率不同的材料交替淀積而構(gòu)成，檢測時，需將待測物品放入布拉格反射器薄膜12中；
步驟003 :參照圖2 (f)，提供用以進行光激發(fā)及光探測的光纖端面13，對該光纖端面13進行直角切割及拋光處理，將光纖端面13靠近硅襯底11的上表面103移動，并垂直地置于凹形布拉格反射器薄膜的正上方，以封住凹坑110的開口，即可最終形成凹形布拉格反射器薄膜與光纖端面共同構(gòu)成的三維光子限制光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)。在本步驟中，光纖切割，可通過光纖切割刀完成，端面拋光可用光纖拋光薄膜完成。在本實施例中，在所述硅襯底上刻蝕的凹坑的橫向尺寸為IMm lOOOMm，縱向尺寸為Inm 200Mm。凹坑中生長布拉格反射器薄膜的厚度為λ Xnm /4,其中，λ為三維光子限制光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)的中心波長，nm為薄膜在該波長處的折射率。優(yōu)選的，步驟001中的光刻技術(shù)通過紫外光刻機完成，光刻條件為光刻模式Hard模式；曝光時間4. 5秒至7秒；顯影時間30秒至50秒。優(yōu)選的，步驟001中，干法刻蝕的條件為刻蝕氣源包括SF6、02、、C4F8其流量分別為20sccm 至 30sccm、20sccm 至 50sccm、20sccm 至 50sccm ;刻蝕功率為 400W 至 1000W ;射頻功率為40W至70W ;反應(yīng)腔壓力為4 mTorr至10 mTorr (毫托)；刻蝕時間為4分鐘至10分鐘。刻蝕完畢后，用丙酮、異丙酮超生5鐘分至10分鐘去除掩膜材料光刻膠。若采用濕法刻蝕工藝，則可以應(yīng)用氫氟酸、硝酸及二者的混合液，或氫氧化鉀溶液等。優(yōu)選的，步驟002的薄膜淀積可以通過增強等離子體化學(xué)氣相沉積(PECVD)技術(shù)、或低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)技術(shù)、或電子束蒸發(fā)、或濺射等方法實現(xiàn)。以淀積氧化硅薄膜的PECVD工藝為例，薄膜生長條件如下功率源頻率為13. 56MHz，基片溫度為350°C，工作氣壓為2000mTorr ;氣源為SiH4、N20、Ar ;通過調(diào)節(jié)不同氣源間的比例、沉積氣壓、沉積時間可以調(diào)節(jié)薄膜的折射率和厚度。通過在步驟001所得的凹坑中交替沉積高低折射率且光程為1/4設(shè)計波長的硅基薄膜，可以得到布拉格反射器結(jié)構(gòu)。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種三維光子限制光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)，其特征在于，該結(jié)構(gòu)包括設(shè)有凹坑的娃襯底、在凹坑中共形生長的硅基凹形布拉格反射器薄膜、及置于所述凹形布拉格反射器薄膜上方且用以進行光激發(fā)和光測試的光纖端面。
2.—種三維光子限制光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)的制備方法,其特征在于該方法包括提供娃襯底，在硅襯底上制備微米級的凹坑結(jié)構(gòu)；在所述硅襯底的凹坑上沉積布拉格反射器薄膜；提供用以進行光激發(fā)及光探測的光纖端面，將所述光纖端面置于布拉格反射器薄膜的上方。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維光子限制光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述凹坑設(shè)有底部及側(cè)壁，在所述硅襯底的凹坑上沉積布拉格反射器薄膜后，所述凹坑的底部及側(cè)壁均形成布拉格反射器結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維光子限制光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，將所述光纖端面垂直地置于布拉格反射器薄膜的正上方，并密封住所述凹坑的開ロ。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的三維光子限制光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)的制備方法，所述光纖端面置于布拉格反射器薄膜的上方之前還包括，將光纖端面直角切割及拋光處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維光子限制光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，在所述娃襯底上刻蝕的凹坑的橫向尺寸為IMm IOOOMm,縱向尺寸為Inm 200Mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維光子限制光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述凹坑中生長布拉格反射器薄膜的厚度為λ Xnffl /4，其中，λ為三維光子限制光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)的中心波長，nm為薄膜在該波長處的折射率。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維光子限制光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，布拉格反射器薄膜由兩種折射率不同的第一薄膜和第二薄膜交替淀積而構(gòu)成，所述第一薄膜的材料為氧化硅，所述第二薄膜的材料為氮化硅。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維光子限制光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)的制備方法，布拉格反射器薄膜由兩種折射率不同的第一薄膜和第二薄膜交替淀積而構(gòu)成，所述薄膜采用氧化硅材料而制成，第一薄膜的氧含量及娃含量與第二薄膜的氧含量及娃含量不同。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維光子限制光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)的制備方法，布拉格反射器薄膜由兩種折射率不同的第一薄膜和第二薄膜交替淀積而構(gòu)成，所述薄膜采用氮化硅材料而制成，第一薄膜的氮含量及娃含量與第二薄膜的氮含量及娃含量不同。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子光學(xué)領(lǐng)域，提供了一種三維光子限制光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)及其制備方法，其制備方法具體包括提供硅襯底，利用光刻及刻蝕工藝在硅襯底上制備微米級的凹坑結(jié)構(gòu)；在所述硅襯底的凹坑上沉積凹形布拉格反射器薄膜；提供用以進行光激發(fā)及光探測的光纖端面，將所述光纖端面置于凹形布拉格反射器薄膜的上方，即形成凹形布拉格反射器薄膜與光纖端面共同構(gòu)成的三維光子限制光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)。通過該方法制備的三維光子限制光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)可以方便測量及分析，檢測精度高，具有廣泛應(yīng)用價值。
文檔編號B81C1/00GK102838080SQ20121033617
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月12日
發(fā)明者錢波, 李永壘, 蔣春萍 申請人:中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所