專利名稱：多波段硅基微盤混合激光器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微盤微腔激光器及其制法，尤其涉及一種集成于硅芯片上、具有 多波段、模式可調(diào)等特性的硅基微盤激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制備方法。
背景技術(shù)：
硅，因其在地殼中僅次于氧元素的豐富蘊(yùn)藏量，以其優(yōu)良穩(wěn)定的半導(dǎo)體晶體管性 能，極大地推動(dòng)了微電子芯片制造工業(yè)的發(fā)展。也為人類社會(huì)邁入信息時(shí)代奠定了堅(jiān)實(shí)的 基礎(chǔ)。遵循著高登 摩爾預(yù)言的方向，以Intel公司為代表，芯片單位面積可集成的晶體管 數(shù)目以每18個(gè)月翻一番的驚人速度迅速增加，其運(yùn)算速度也急速提升。然而隨著尺寸的減 小，原有的芯片制造技術(shù)也面臨著越來(lái)越多的挑戰(zhàn)，當(dāng)溝道尺寸接近單原子層時(shí)，量子效應(yīng) 將發(fā)揮作用；新近的多核技術(shù)架構(gòu)則是為了解決芯片元件小化后越來(lái)越嚴(yán)重的功耗發(fā)熱問(wèn) 題。在可以預(yù)見的將來(lái)，摩爾定律將不可避免的走到盡頭。全世界的科研工作者也在從各 個(gè)角度尋找能夠達(dá)到更高運(yùn)算速度、更低功耗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。一種依然從電子的角度，如石墨 烯、單電子晶體管等；另一種途徑也是Intel近年來(lái)正在加緊研發(fā)的，利用光子作為芯片內(nèi) 傳輸信息載體的光子芯片設(shè)計(jì)，即硅光子學(xué)。光子相對(duì)于電子，擁有更大的帶寬和更低的功 耗及發(fā)熱，而其傳輸速度更是有質(zhì)的飛躍。本世紀(jì)以來(lái)，硅光子學(xué)的研究取得了飛速的發(fā)展，世界上第一臺(tái)硅基拉曼激光器、 GHz的光調(diào)制器、GHz的雪崩鍺硅光探測(cè)器都在Intel公司相繼實(shí)現(xiàn)。世界其他研究機(jī)構(gòu)在 硅基光子學(xué)領(lǐng)域也取得了許多重要成果。然而，受限于硅材料本身的間接帶隙結(jié)構(gòu)，制造高 效率硅基有源激光器一直是擺在全世界科學(xué)家面前的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)(拉曼激光器為無(wú)源 激光器，即光放大器)。另一方面，近年來(lái)，對(duì)于硅基光學(xué)微腔的研究也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展?；谖⒈P微腔 的高品質(zhì)因子(108)的硅基微型環(huán)芯微腔在加州理工大學(xué)實(shí)現(xiàn)，為硅基高效激光器的研發(fā) 開拓了新的途徑。眾所周知制造激光器的三要素，泵浦源、共振腔、增益介質(zhì)。加州理工微 腔結(jié)構(gòu)為激光器的設(shè)計(jì)提供了高品質(zhì)的共振腔結(jié)構(gòu)。泵浦可以采用激光激發(fā)的方式。需要 解決的是增益介質(zhì)的問(wèn)題。2005年，美國(guó)加利福尼亞圣芭芭拉大學(xué)采用混合介質(zhì)的辦法，即 在硅基波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上制備III-V族材料作為增益介質(zhì)，成功制備出硅基混合激光器。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述硅基激光器亟待解決的引入增益介質(zhì)的問(wèn)題，并考慮與現(xiàn)代微電子工業(yè) 的兼容性問(wèn)題以及各波段廣泛的適應(yīng)性，本發(fā)明的目的旨在提供一種多波段可調(diào)的硅基微 盤混合激光器及其制備方法。通過(guò)選擇不同波段的增益介質(zhì)，以及改變微盤微腔的結(jié)構(gòu)參 數(shù)，調(diào)節(jié)激光器模式波段及位置，實(shí)現(xiàn)一種芯片可集成的、成本低廉、多波段模式可調(diào)的硅 基微盤微腔激光器。本發(fā)明上述硅基激光器的目的，其實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案為多波段硅基微盤混合激光器，其特征在于所述激光器的主要結(jié)構(gòu)為形成于硅基底上的微盤微腔集合體，且各微盤表面設(shè)有波段可調(diào)的增益介質(zhì)。其中該增益介質(zhì)為與微 盤結(jié)合且用于實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生光的薄膜介質(zhì)，薄膜厚度介于IOnm 5μπι，選材上選 用與硅基底結(jié)合牢固的增益介質(zhì)材料，其中至少包括紫外波段的ZnO薄膜及可見光波段的 有機(jī)Alq薄膜。而且，該硅基底上的微盤微腔具有體積離散性，其微盤直徑范圍介于2 μ m 200 μ m可調(diào)，且微腔高度介于500nm 50 μ m可調(diào)。本發(fā)明上述硅基激光器制備方法的目的，將通過(guò)以下工藝步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)I、將硅片樣品上自然形成的SiO2層酸洗去除，并利用熱氧化法在硅片樣品表面 生長(zhǎng)IOOnm 5 μ m厚度離散分布的SiO2層；II、利用光刻顯影在SiO2層表面形成圓盤形掩模，并酸洗去除掩模外的SiO2 ；III、先采用干法垂直刻蝕法在硅片樣品表面形成直徑2μπι 200μπκ高度 500nm 50 μ m、離散體積的圓柱形臺(tái)面，再采用干法或濕法各向異性刻蝕法將圓柱形SiO2 臺(tái)面下的硅刻蝕，僅保留部分柱體硅支撐的SiO2圓盤；IV、利用薄膜沉積方法在SiO2圓盤表面制備IOnm 5 μ m的增益介質(zhì)；V、利用腐蝕液和去離子水分步驟依次對(duì)硅片樣品進(jìn)行浸蝕、清洗，去除硅片樣品 基底上多余的掩模及腐蝕液，其中所述腐蝕液與去離子水的液位均沒(méi)及硅片樣品基底且低 于SiO2圓盤的高度；VI、對(duì)清洗后的硅片樣品進(jìn)行退火處理。進(jìn)一步地，步驟IV中所述薄膜沉積方法至少包括PECVD、M0CVD、濺射、熱蒸發(fā)、旋涂 中的一種。而步驟V中去除硅片樣品基底上多余薄膜的方法還至少包括濕法腐蝕、激光燒 蝕和聚焦離子束刻蝕中的一種。實(shí)施本發(fā)明的技術(shù)方案，其有益效果體現(xiàn)為由于可用作增益介質(zhì)材料的選擇面寬，因此本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)多波段集成的硅基激光 器，通過(guò)改變SiO2微盤的結(jié)構(gòu)尺寸，可實(shí)現(xiàn)共振模式能量與受激輻射能量匹配，實(shí)現(xiàn)激光出 射；其制作方法實(shí)施簡(jiǎn)易，工藝成熟，重復(fù)率高，有效降低了制作成本，具有產(chǎn)業(yè)化前景。以下便結(jié)合實(shí)施例附圖，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的詳述，以使本發(fā)明 技術(shù)方案更易于理解、掌握。


圖1是本發(fā)明多波段硅基微盤混合激光器的整體制備工藝流程示意圖。
具體實(shí)施例方式針對(duì)硅基激光器亟待解決的引入增益介質(zhì)的問(wèn)題，并考慮與現(xiàn)代微電子工業(yè)的兼 容性問(wèn)題以及各波段廣泛的適應(yīng)性，本發(fā)明提供了一種切實(shí)可行，基于光刻、刻蝕和薄膜淀 積等現(xiàn)代微電子工藝方法制備多波段可調(diào)的硅基微盤微腔激光器的方法。通過(guò)選擇不同波 段的增益介質(zhì)，以及改變微盤微腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)，調(diào)節(jié)模式波段及位置。實(shí)現(xiàn)一種芯片可集成 的、成本低廉、多波段模式可調(diào)的硅基微盤微腔激光器。該激光器的主要結(jié)構(gòu)為形成于硅基底上的微盤微腔集合體?；谖⒈P微腔的高品 質(zhì)因子(108)的硅基微型環(huán)芯微腔，為激光器的設(shè)計(jì)提供了高品質(zhì)的共振腔結(jié)構(gòu)。而本發(fā) 明從激光器制造三要素出發(fā)，提出在各微盤表面加工有波段可調(diào)的增益介質(zhì)。其中該增益介質(zhì)為與微盤結(jié)合緊密且用于實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生光的薄膜介質(zhì)。根據(jù)所需產(chǎn)生激光的 波段及模式位置的區(qū)別，該增益介質(zhì)的薄膜厚度介于IOnm 5 μ m可選，在同一硅片樣品上 增益介質(zhì)薄膜選材上至少包括紫外波段的ZnO薄膜及可見光波段的有機(jī)Alq薄膜，凡是能 在SiO2上淀積的增益介質(zhì)材料都可以結(jié)合在SiO2圓盤上，無(wú)須考慮與單晶硅襯底晶格失配 所產(chǎn)生的應(yīng)力問(wèn)題，自然形成增益介質(zhì)材料的圓盤共振腔結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)在硅芯片基底上 的激光發(fā)射。而且，該硅基底上的微盤微腔具有體積離散性，其微盤直徑范圍介于2μπι 200 μ m可調(diào)，且微腔高度介于500nm 50 μ m可調(diào)。如圖1所示，是本發(fā)明多波段硅基微盤混合激光器的整體制備工藝流程示意圖。 由圖中所示可見，其制備工藝完全基于現(xiàn)代微電子工藝。實(shí)施例一I、用稀釋的HF酸將硅片樣品1表面的SiO2層2a漂洗去除；II、利用熱氧化的方法在硅片樣品1表面生長(zhǎng)IOOnm的SiO2層2b ；III、利用光刻顯影工藝，在SiO2層2b表面形成圓盤形光刻膠掩模3 ；IV、利用稀釋的HF酸，將光刻膠掩模3外的SiO2層2b去除，實(shí)現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移；V、利用干法垂直刻蝕硅方法刻出直徑為2 μ m至200 μ m范圍不等，高度為500nm 至50 μ m范圍不等的圓柱形臺(tái)面；VI、利用干法或濕法各向異性刻蝕技術(shù)將Si02層2b下方的大部分硅刻去，形成環(huán) 芯微腔5并僅保留部分支撐SiO2圓盤4 ；通、利用薄膜淀積手段，如PECVD、M0CVD、濺射、熱蒸發(fā)、旋涂法等多種薄膜制備工 藝之一，在制備好的SiO2圓盤4表面制備厚度為IOnm離散分布的紫外波段的ZnO薄膜或 可見光波段的有機(jī)Alq薄膜等的增益介質(zhì)6 ；通、利用濕法腐蝕、激光燒蝕、聚焦離子束刻蝕等方法之一將微盤底部的多余薄膜 去除，使腐蝕液體高度低于微盤高度，且剛好沒(méi)過(guò)硅片樣品底部，去除底部多余薄膜，而不 損傷微盤4上表面增益介質(zhì)薄膜6 ；IX、用去離子水清洗，使去離子水液面高度低于微盤高度，且剛好沒(méi)過(guò)硅片樣品底 部，將底部殘余腐蝕液體清除；X、利用退火處理方法，改善增益介質(zhì)材料與SiO2圓盤表面的接觸性能。實(shí)施例二I、用稀釋的HF酸將硅片樣品1表面的SiO2層2a漂洗去除；II、利用熱氧化的方法在硅片樣品1表面生長(zhǎng)5 μ m的SiO2層2b ；III、利用光刻顯影工藝，在SiO2層2b表面形成圓盤形光刻膠掩模3 ；IV、利用稀釋的HF酸，將光刻膠掩模3外的SiO2層2b去除，實(shí)現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移；V、利用干法垂直刻蝕硅方法刻出直徑為2 μ m至200 μ m范圍不等，高度為500nm 至50 μ m范圍不等的圓柱形臺(tái)面；VI、利用干法或濕法各向異性刻蝕技術(shù)將SiO2層2b下方的大部分硅刻去，形成環(huán) 芯微腔5并僅保留部分支撐SiO2圓盤4 ；通、利用薄膜淀積手段，如PECVD、M0CVD、濺射、熱蒸發(fā)、旋涂法等多種薄膜制備工 藝之一，在制備好的SiO2圓盤4表面制備厚度為5 μ m離散分布的紫外波段的ZnO薄膜和 可見光波段的有機(jī)Alq薄膜等的增益介質(zhì)6 ；
通、利用濕法腐蝕、激光燒蝕、聚焦離子束刻蝕等方法之一將微盤底部的多余薄膜 去除，使腐蝕液體高度低于微盤高度，且剛好沒(méi)過(guò)硅片樣品底部，去除底部多余薄膜，而不 損傷微盤4上表面增益介質(zhì)薄膜6 ；IX、用去離子水清洗，使去離子水液面高度低于微盤高度，且剛好沒(méi)過(guò)硅片樣品底 部，將底部殘余腐蝕液體清除；X、利用退火處理方法，改善增益介質(zhì)材料與SiO2圓盤表面的接觸性能。實(shí)施例三I、用稀釋的HF酸將硅片樣品1表面的SiO2層2a漂洗去除；II、利用熱氧化的方法在硅片樣品1表面生長(zhǎng)1 μ m的SiO2層2b ；III、利用光刻顯影工藝，在SiO2層2b表面形成圓盤形光刻膠掩模3 ；IV、利用稀釋的HF酸，將光刻膠掩模3外的SiO2層2b去除，實(shí)現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移；V、利用干法垂直刻蝕硅方法刻出直徑為2 μ m、5 μ m、10 μ m、50 μ m、200 μ m不等， 高度為 500ηπι、1μπι、5μπι、10μπι、20μπι、50μπι 不等的圓柱形臺(tái)面；VI、利用干法或濕法各向異性刻蝕技術(shù)將SiO2層2b下方的大部分硅刻去，形成環(huán) 芯微腔5并僅保留部分支撐SiO2圓盤4 ；通、利用薄膜淀積手段，如PECVD、M0CVD、濺射、熱蒸發(fā)、旋涂法等多種薄膜制備工 藝之一，在制備好的SiO2圓盤4表面制備10nm、100nm、500nm、lym、5ym離散分布的紫外 波段的ZnO薄膜或可見光波段的有機(jī)Alq薄膜等的增益介質(zhì)6 ；通、利用濕法腐蝕、激光燒蝕、聚焦離子束刻蝕等方法之一將微盤底部的多余薄膜 去除，使腐蝕液體高度低于微盤高度，且剛好沒(méi)過(guò)硅片樣品底部，去除底部多余薄膜，而不 損傷微盤4上表面增益介質(zhì)薄膜6 ；IX、用去離子水清洗，使去離子水液面高度低于微盤高度，且剛好沒(méi)過(guò)硅片樣品底 部，將底部殘余腐蝕液體清除；X、利用退火處理方法，改善增益介質(zhì)材料與SiO2圓盤表面的接觸性能。。本發(fā)明基于常規(guī)微電子工藝制備的SiO2微盤結(jié)構(gòu)，可在其表面制備多個(gè)波段的增 益介質(zhì)材料，如紫外波段的ZnO薄膜，可見光區(qū)的有機(jī)Alq薄膜等。從而實(shí)現(xiàn)在硅芯片基底 上的激光發(fā)射。本發(fā)明可應(yīng)用的增益介質(zhì)材料選擇面寬，可實(shí)現(xiàn)多波段的硅基激光器；通過(guò) 改變SiO2微盤的結(jié)構(gòu)尺寸，可實(shí)現(xiàn)共振模式能量與受激輻射能量匹配，實(shí)現(xiàn)激光出射靈活 可調(diào)；其制作方法實(shí)施簡(jiǎn)易，工藝成熟，重復(fù)率高，有效地降低了研發(fā)制作成本，具有產(chǎn)業(yè)化 前景。綜上所述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，其實(shí)施例僅作為說(shuō)明、突出本發(fā)明特征及效果 之用，并非以此限制本發(fā)明的多樣性實(shí)施方式。因此但凡基于本發(fā)明上述特征經(jīng)簡(jiǎn)單修改 或等效替換所形成的技術(shù)方案，均應(yīng)包含于本專利申請(qǐng)的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
多波段硅基微盤混合激光器，其特征在于所述激光器的主要結(jié)構(gòu)為形成于硅基底上的微盤微腔集合體，且各微盤表面設(shè)有波段可調(diào)的增益介質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多波段硅基微盤混合激光器，其特征在于所述增益介質(zhì)為 與微盤結(jié)合且用于實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生光的薄膜介質(zhì)，薄膜厚度介于IOnm 5μπι。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多波段硅基微盤混合激光器，其特征在于所述增益介質(zhì)至 少包括紫外波段的ZnO薄膜及可見光波段的有機(jī)Alq薄膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多波段硅基微盤混合激光器，其特征在于所述硅基底上 的微盤微腔具有體積離散性，其微盤直徑范圍介于2 μ m 200 μ m可調(diào)，且微腔高度介于 500nm 50 μ m 可調(diào)。
5.權(quán)利要求1所述多波段硅基微盤混合激光器的制備方法，其特征在于包括步驟I、將硅片樣品上自然形成的SiO2層酸洗去除，并利用熱氧化法在硅片樣品表面生長(zhǎng) IOOnm 5 μ m厚度離散分布的SiO2層；II、利用光刻顯影在SiO2層表面形成圓盤形掩模，并酸洗去除掩模外的SiO2；III、先采用干法垂直刻蝕法在硅片樣品表面形成直徑2μπι 200μπκ高度500nm 50 μ m、離散體積的圓柱形臺(tái)面，再采用干法或濕法各向異性刻蝕法將圓柱形SiO2S面下的 硅刻蝕，僅保留部分柱體硅支撐的SiO2圓盤；IV、利用薄膜沉積方法在SiO2圓盤表面制備增益介質(zhì)；V、利用腐蝕液和去離子水分步驟依次對(duì)硅片樣品進(jìn)行浸蝕、清洗，去除硅片樣品基 底上多余的掩模及腐蝕液，其中所述腐蝕液與去離子水的液位均沒(méi)及硅片樣品基底且低于 SiO2圓盤的高度；VI、對(duì)清洗后的硅片樣品進(jìn)行退火處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多波段硅基微盤混合激光器的制備方法，其特征在于步驟 IV中所述薄膜沉積方法至少包括PECVD、M0CVD、濺射、熱蒸發(fā)、旋涂中的一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多波段硅基微盤混合激光器的制備方法，其特征在于步驟 V中去除硅片樣品基底上多余薄膜的方法還至少包括激光燒蝕和聚焦離子束刻蝕中的一 種。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種多波段硅基微盤混合激光器及其制備方法，其中激光器的主要結(jié)構(gòu)為形成于硅基底上的微盤微腔集合體，且各微盤表面設(shè)有波段可調(diào)的增益介質(zhì)。增益介質(zhì)為與SiO2微盤基底結(jié)合牢固的薄膜介質(zhì)材料，激光波段由增益介質(zhì)波段決定；模式位置由SiO2微盤結(jié)構(gòu)尺寸和薄膜自身厚度決定。本發(fā)明制作過(guò)程基于現(xiàn)代微電子成熟工藝制備而成，該硅基微盤微腔結(jié)構(gòu)，不僅可以作為硅基光源器件，也可以作為硅芯片為基底的光互聯(lián)通訊、光子計(jì)算芯片、硅基傳感器、濾波器、探測(cè)器的核心元件，擁有高靈敏度、低成本、寬范圍、芯片可集成等優(yōu)點(diǎn)。在腔量子電動(dòng)力學(xué)即微腔限制情況下光與物質(zhì)相互作用等量子光學(xué)和量子信息研究領(lǐng)域也具有重要意義。
文檔編號(hào)H01S5/30GK101895060SQ201010196468
公開日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月10日
發(fā)明者王亦, 蔣春萍, 錢波 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所