氮化物非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔器件及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種氮化物非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔器件及制備方法，光學(xué)微腔器件包括硅襯底層、設(shè)置在硅襯底層上的氮化鎵層，氮化鎵層中設(shè)置有非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔和水平的支撐臂，非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔下方設(shè)置有貫穿硅襯底層的空腔，使非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔完全懸空，非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔通過(guò)支撐臂與氮化鎵層連接，實(shí)現(xiàn)微腔內(nèi)部光全反射傳播，最終方向性的輸出。本發(fā)明器件能夠?qū)崿F(xiàn)激光選頻并且定向輸出的功能、制造工藝簡(jiǎn)便、輸出功率高。
【專利說(shuō)明】氮化物非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔器件及制備方法
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本文屬于信息材料與器件領(lǐng)域，涉及基于氮化物的非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔器件及其制備過(guò)程。
[0003]【背景技術(shù)】
[0004]微腔型光電子器件具有尺寸小、易于集成、功耗低以及品質(zhì)因子高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)光學(xué)微腔可以在極小的空間內(nèi)產(chǎn)生巨大的光強(qiáng)，同時(shí)降低了腔內(nèi)模式數(shù)目，影響腔內(nèi)物質(zhì)原子的自發(fā)福射特性，在微腔激光器、生化傳感器以及光通信系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
[0005]回音壁模式的光學(xué)微腔(包括微球、微環(huán)或微盤等)是一種新型的高品質(zhì)因子的集成光學(xué)器件。由于回音壁模式繞著微腔內(nèi)壁全反射傳播，光場(chǎng)被很好的限制在微腔中，因此通常需要波導(dǎo)、棱鏡或者光纖錐等精密的倏逝波耦合系統(tǒng)將光信號(hào)提取出來(lái)。為了解決回音壁模式激光的方向性出射問(wèn)題，通常有耦合方式和非對(duì)稱結(jié)構(gòu)兩種方式。耦合腔能夠產(chǎn)生模場(chǎng)畸變的超模式，還能對(duì)腔模的品質(zhì)因子進(jìn)行調(diào)制，從而降低激光閾值，進(jìn)行模式選擇。非對(duì)稱腔避免了精密顆合的困難并且高效收集光信號(hào)。
[0006]同時(shí)，具有禁帶寬度大、電子漂移飽和速度高、介電常數(shù)小、導(dǎo)熱性能好等特點(diǎn)，更加適合于制作高溫、高頻及大功率電子器件。氮化物能覆蓋從紫外光到可見(jiàn)光這樣一個(gè)很寬范圍的頻譜，這是它們成為制備短波長(zhǎng)藍(lán)光激光器倍受關(guān)注的材料。
[0007]
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]技術(shù)問(wèn)題:本發(fā)明提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)激光選頻并且定向輸出的功能、制造工藝簡(jiǎn)便、輸出功率高的氮化物非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔器件，并提供一種該微腔器件的制備方法。
[0009]技術(shù)方案:本發(fā)明的氮化物非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔器件，以硅基氮化物晶片為載體，包括硅襯底層、設(shè)置在硅襯底層上的氮化鎵層，氮化鎵層中設(shè)置有非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔和水平的支撐臂，非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔下方設(shè)置有貫穿硅襯底層的空腔，使非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔完全懸空，非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔通過(guò)支撐臂與氮化鎵層連接。非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔是由兩個(gè)直徑在20-30微米的半圓形氮化鎵薄膜拼合而成，兩個(gè)半圓形氮化鎵薄膜的直徑之差為廣2微米，其中一個(gè)半圓形氮化鎵薄膜的一端與另一個(gè)半圓形氮化鎵薄膜的一端相切。
[0010] 本發(fā)明的制備氮化物非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔器件的方法，包括如下步驟:
(I)在硅基氮化物晶片的氮化鎵層上表面旋涂一層電子束光刻膠，采用電子束曝光技術(shù)在電子束光刻膠層上定義出非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔和將非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔連接到氮化鎵層上的水平的支撐臂，非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔是由兩個(gè)直徑在20-30微米的半圓形氮化鎵薄膜拼合而成，兩個(gè)半圓形氮化鎵薄膜的直徑之差為I~2微米，其中一個(gè)半圓形氮化鎵薄膜的一端與另一個(gè)半圓形氮化鎵薄膜的一端相切；
(2)采用反應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)將步驟(1)中定義的非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔和支撐臂轉(zhuǎn)移到氮化鎵層中，轉(zhuǎn)移過(guò)程中反應(yīng)耦合等離子體刻蝕深度為40(T500nm ；
(3)在硅基氮化物晶片的氮化鎵層上表面和硅襯底層下表面旋涂一層電子束光刻膠，用以保護(hù)已加工器件，采用電子束曝光技術(shù)在硅襯底層下表面的電子束光刻膠層上打開(kāi)一個(gè)刻蝕窗口；
(4)將氮化鎵層作為刻蝕阻擋層，采用深硅刻蝕技術(shù)，通過(guò)刻蝕窗口將硅襯底層貫穿刻蝕至氮化鎵層的下表面，在硅襯底層中形成一個(gè)空腔；
(5)采用反應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)，在氮化鎵層下表面向上刻蝕，將非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔下方的氮化鎵材料刻穿，形成完全懸空的光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)，然后采用氧氣等離子灰化方法去除硅襯底層和氮化鎵層上的殘余電子束刻膠，得到氮化物非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔器件。
[0011]本發(fā)明解決了微腔制備中因支撐問(wèn)題帶來(lái)的難度，提供了一種簡(jiǎn)易的微腔結(jié)構(gòu)和較為簡(jiǎn)便的制備方法。本發(fā)明的光學(xué)微腔器件中，氮化物能覆蓋從紫外光到可見(jiàn)光這樣一個(gè)很寬范圍的頻譜，這是它們成為制備短波長(zhǎng)藍(lán)光激光器倍受關(guān)注的材料在LED、半導(dǎo)體激光等光學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用技術(shù)，采用氮化鎵作為微腔器件的制作材料，能夠?qū)崿F(xiàn)從紫外光到可見(jiàn)光范圍內(nèi)的短波長(zhǎng)光的選頻，起到激光諧振腔的作用。本發(fā)明采用的非對(duì)稱似圓形結(jié)構(gòu)微腔，增加光在微腔中的傳播光程，從而在相同能量泵浦的條件下大大提高出光效率。
[0012]有益效果:本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn):
(I)采用支撐臂方式，使得圓盤與支撐臂都采用同一種材料——氮化鎵，氮化物能覆蓋從紫外光到可見(jiàn)光這樣一個(gè)很寬范圍的頻譜，這是它們成為制備短波長(zhǎng)藍(lán)光激光器倍受關(guān)注的材料。相比現(xiàn)有的立體柱狀支撐，使得整個(gè)制備工藝更為簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)成本降低，在集成方面更加方便，實(shí)用性強(qiáng)。
[0013](2)消除硅襯底，達(dá)到器件懸空，同時(shí)采用背后減薄技術(shù)，減薄氮化鎵層，得到超薄懸空氮化物非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔器件，從而把光場(chǎng)模式控制在很小的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)單頻模式選擇。
[0014](3)本發(fā)明采用非對(duì)稱畸變圓形結(jié)構(gòu)微腔，由兩個(gè)直徑相差微小的半圓組合在一起非對(duì)稱型結(jié)構(gòu)，使得光路在腔內(nèi)全反射傳輸，增加光在微腔中的傳播光程，從而在相同能量泵浦的條件下大大提高出光效率，最后通過(guò)消逝波耦合突出部分切線方向出射，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度穩(wěn)定輸出，解決了方向可控性問(wèn)題。
[0015](4)選擇氮化物材料，能覆蓋從紫外光到可見(jiàn)光這樣一個(gè)很寬范圍的頻譜，有利于實(shí)現(xiàn)紫外激光，是制備短波長(zhǎng)激光器的優(yōu)勢(shì)材料，在增大信息的光存儲(chǔ)密度、深海通信、材料加工、激光打印、大氣污染監(jiān)測(cè)等方面有著巨大的應(yīng)用市場(chǎng)。
[0016]
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明氮化物非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔器件正視圖； 圖2為本發(fā)明氮化物非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔器件俯視圖；
圖3為本發(fā)明氮化物非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔器件側(cè)視圖；
圖4為本發(fā)明氮化物非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔器件的制備工藝流程圖。
[0018]圖中有:硅襯底層1，氮化鎵層2，非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔3，支撐臂4。
[0019]
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合說(shuō)明書附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明:
圖1、圖2、圖3給出了本發(fā)明的氮化物非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔器件的結(jié)構(gòu)示意圖，以硅基氮化物晶片為載體，包括硅襯底層1、設(shè)置在硅襯底層I上的氮化鎵層2，氮化鎵層2中設(shè)置有非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔3和水平的支撐臂4，非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔3下方設(shè)置有貫穿硅襯底層I的空腔，使非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔3完全懸空，非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔3通過(guò)支撐臂4與氮化鎵層2連接。非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔3是由兩個(gè)直徑分別為20微米?30微米的半圓形氮化鎵薄膜在兩者的半圓斷面處拼合而成，兩個(gè)半圓形氮化鎵薄膜的直徑之差為廣2微米，如圖2所示，其中一個(gè)半圓形氮化鎵薄膜的一端與另一個(gè)半圓形氮化鎵薄膜的一端相切，兩個(gè)半圓形氮化鎵薄膜在另一端的結(jié)合部位則呈階梯狀。
[0021]本發(fā)明的實(shí)施例1中，非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔3的兩個(gè)半圓形氮化鎵薄膜分別為20微米和21微米，兩者直徑之差為I微米。
[0022]實(shí)施例2中，非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔3的兩個(gè)半圓形氮化鎵薄膜分別為28微米和30微米，兩者直徑之差為2微米。
[0023]實(shí)施例3中，非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔3的兩個(gè)半圓形氮化鎵薄膜分別為20微米和21.705微米，兩者直徑之差為1.705微米。
[0024]本發(fā)明采用光刻技術(shù)，在氮化鎵層2中刻蝕出帶支撐臂4的非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔3 ;米用深娃刻蝕技術(shù)，刻蝕掉非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔3下面的娃襯底層I,使非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔3懸空；采用反應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)，減薄氮化鎵層2，最后得到所設(shè)計(jì)器件。
[0025]本發(fā)明的氮化物非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔器件的具體制備步驟如下:
(1)在硅基氮化物晶片的氮化鎵層2上表面旋涂一層電子束光刻膠，采用電子束曝光技術(shù)在電子束光刻膠層上定義出設(shè)計(jì)圖紙所定義的帶支撐臂4的非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔3的結(jié)構(gòu)；
(2)采用反應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)將步驟(I)中定義的非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔3和支撐臂4轉(zhuǎn)移到氮化鎵層2中，轉(zhuǎn)移過(guò)程中反應(yīng)耦合等離子體刻蝕深度為400?500nm ；
(3)在娃基氮化物晶片的氮化鎵層2上表面和娃襯底層I下表面旋涂一層電子束光刻膠，用以保護(hù)已加工器件，采用電子束曝光技術(shù)在硅襯底層I下表面的電子束光刻膠層上打開(kāi)一個(gè)刻蝕窗口；
(4)將氮化鎵層2作為刻蝕阻擋層，采用深硅刻蝕技術(shù)，通過(guò)刻蝕窗口將硅襯底層貫穿刻蝕至氮化鎵層2的下表面，在硅襯底層I中形成一個(gè)空腔； (5)采用反應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)，在氮化鎵層2下表面向上刻蝕，將非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔3下方的氮化鎵層I刻穿，形成完全懸空的光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)，然后采用氧氣等離子灰化方法去除硅襯底層I和氮化鎵層2上的殘余電子束刻膠，得到氮化物非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔器件。
【權(quán)利要求】
1.一種氮化物非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔器件，其特征在于，該器件以硅基氮化物晶片為載體，包括硅襯底層(I )、設(shè)置在所述硅襯底層(I)上的氮化鎵層(2)，所述氮化鎵層(2)中設(shè)置有非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔(3)和水平的支撐臂(4)，所述非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔(3)下方設(shè)置有貫穿硅襯底層(I)的空腔，使非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔(3 )完全懸空，非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔(3 )通過(guò)支撐臂(4 )與氮化鎵層(2 )連接； 所述非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔(3)是由兩個(gè)直徑在20-30微米的半圓形氮化鎵薄膜拼合而成，所述兩個(gè)半圓形氮化鎵薄膜的直徑之差為廣2微米，其中一個(gè)半圓形氮化鎵薄膜的一端與另一個(gè)半圓形氮化鎵薄膜的一端相切。
2.一種制備氮化物非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔器件的方法，其特征在于，該方法以硅基氮化物晶片為載體，包括如下步驟: (1)在硅基氮化物晶片的氮化鎵層(2)上表面旋涂一層電子束光刻膠，采用電子束曝光技術(shù)在電子束光刻膠層上定義出非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔(3)和將所述非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔(3)連接到氮化鎵層(2)上的水平的支撐臂(4)，非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔(3)是由兩個(gè)直徑在20-30微米的半圓形氮化鎵薄膜拼合而成，所述兩個(gè)半圓形氮化鎵薄膜的直徑之差為廣2微米，其中一個(gè)半圓形氮化鎵薄膜的一端與另一個(gè)半圓形氮化鎵薄膜的一端相切； (2)采用反應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)將所述步驟(1)中定義的非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔(3 )和支撐臂(4 )轉(zhuǎn)移到氮化鎵層(2 )中，所述轉(zhuǎn)移過(guò)程中反應(yīng)耦合等離子體刻蝕深度為400~500nm ； (3 )在硅基氮化物晶片的氮化鎵層(2 )上表面和硅襯底層(I)下表面旋涂一層電子束光刻膠，用以保護(hù)已加工器件，采用電子束曝光技術(shù)在硅襯底層(I)下表面的電子束光刻膠層上打開(kāi)一個(gè)刻蝕窗口； (4)將氮化鎵層(2)作為刻蝕阻擋層，采用深硅刻蝕技術(shù)，通過(guò)刻蝕窗口將硅襯底層(I)貫穿刻蝕至氮化鎵層(2)的下表面，在硅襯底層(I)中形成一個(gè)空腔； (5)采用反應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)，在氮化鎵層(2)下表面向上刻蝕，將非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔(3)下方的氮化鎵材料刻穿，形成完全懸空的光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)，然后采用氧氣等離子灰化方法去除硅襯底層(I)和氮化鎵層(2)上的殘余電子束刻膠，得到氮化物非對(duì)稱型回音壁模式光學(xué)微腔器件。
【文檔編號(hào)】H01S5/00GK103972789SQ201410134928
【公開(kāi)日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年4月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月4日
【發(fā)明者】王永進(jìn), 白丹, 朱剛毅, 李欣, 施政, 高緒敏, 陳佳佳 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)