一种微曲面DBR及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开一种微曲面DBR及其制备方法和应用，属于纳米尺度的微结构制造工艺。本发明专利技术微曲面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。本发明专利技术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。式体积和较高品质因子的光学微腔。式体积和较高品质因子的光学微腔。

【技术实现步骤摘要】
一种微曲面DBR及其制备方法和应用

：
[0001]本专利技术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)。

技术介绍
：
[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路
：
[0004]为了克服以上的难点，本专利技术提出了一种微曲面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。
[0005]本专利技术提供的技术方案如下：
[0006]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
[0007][0008]H＝(L+r)
‑
(L
‑
r)＝2r
[0009]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。
[0010]本专利技术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。即本专利技术提供的微曲面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。
[0011]本专利技术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。
[0012]本专利技术纳米小球的材料通常选取与堆垛结构的最底层材料一致。
[0013]本专利技术微曲面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。
[0014]本专利技术提供的微曲面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。
[0015]进一步，本专利技术提供了微曲面DBR的制备方法，其特征在于，
[0016]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；
[0017]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。
[0018]本专利技术微曲面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。本专利技术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。
[0019]本专利技术的技术效果是：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。
[0020]因此，专利技术具有如下的优点：
[0021](1)本专利技术工艺简单，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。
[0022](2)本专利技术不涉及光刻，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。
[0023](3)本专利技术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。
[0024](4)相比于FIB刻蚀形成曲面DBR的方法，本专利技术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。
[0025](5)本专利技术具有普适性，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
[0026]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；
[0027]图2为本专利技术微曲面DBR的几何关系示意图；
[0028]图3为本专利技术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DBR VCSEL；
[0029]图4为本专利技术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
[0030]本专利技术微曲面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。本专利技术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，并且随着堆垛结构本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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。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...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈焕卿，于果，李俊超，胡晓东，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：