多波段硅基微盘混合激光器及其制备方法技术

本发明专利技术揭示了一种多波段硅基微盘混合激光器及其制备方法，其中激光器的主要结构为形成于硅基底上的微盘微腔集合体，且各微盘表面设有波段可调的增益介质。增益介质为与ＳｉＯ２微盘基底结合牢固的薄膜介质材料，激光波段由增益介质波段决定；模式位置由ＳｉＯ２微盘结构尺寸和薄膜自身厚度决定。本发明专利技术制作过程基于现代微电子成熟工艺制备而成，该硅基微盘微腔结构，不仅可以作为硅基光源器件，也可以作为硅芯片为基底的光互联通讯、光子计算芯片、硅基传感器、滤波器、探测器的核心元件，拥有高灵敏度、低成本、宽范围、芯片可集成等优点。在腔量子电动力学即微腔限制情况下光与物质相互作用等量子光学和量子信息研究领域也具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种微盘微腔激光器及其制法，尤其涉及一种集成于硅芯片上、具有 多波段、模式可调等特性的硅基微盘激光器的结构设计及制备方法。
技术介绍
硅，因其在地壳中仅次于氧元素的丰富蕴藏量，以其优良稳定的半导体晶体管性 能，极大地推动了微电子芯片制造工业的发展。也为人类社会迈入信息时代奠定了坚实的 基础。遵循着高登 摩尔预言的方向，以Intel公司为代表，芯片单位面积可集成的晶体管 数目以每18个月翻一番的惊人速度迅速增加，其运算速度也急速提升。然而随着尺寸的减 小，原有的芯片制造技术也面临着越来越多的挑战，当沟道尺寸接近单原子层时，量子效应 将发挥作用；新近的多核技术架构则是为了解决芯片元件小化后越来越严重的功耗发热问 题。在可以预见的将来，摩尔定律将不可避免的走到尽头。全世界的科研工作者也在从各 个角度寻找能够达到更高运算速度、更低功耗的结构设计。一种依然从电子的角度，如石墨 烯、单电子晶体管等；另一种途径也是Intel近年来正在加紧研发的，利用光子作为芯片内 传输信息载体的光子芯片设计，即硅光子学。光子相对于电子，拥有更大的带宽和更低的功 耗及发热，而其传输速度更是有质的飞跃。本世纪以来，硅光子学的研究取得了飞速的发展，世界上第一台硅基拉曼激光器、 GHz的光调制器、GHz的雪崩锗硅光探测器都在Intel公司相继实现。世界其他研究机构在 硅基光子学领域也取得了许多重要成果。然而，受限于硅材料本身的间接带隙结构，制造高 效率硅基有源激光器一直是摆在全世界科学家面前的一个巨大挑战(拉曼激光器为无源 激光器，即光放大器)。另一方面，近年来，对于硅基光学微腔的研究也取得了长足的进展。基于微盘微腔 的高品质因子(108)的硅基微型环芯微腔在加州理工大学实现，为硅基高效激光器的研发 开拓了新的途径。众所周知制造激光器的三要素，泵浦源、共振腔、增益介质。加州理工微 腔结构为激光器的设计提供了高品质的共振腔结构。泵浦可以采用激光激发的方式。需要 解决的是增益介质的问题。2005年，美国加利福尼亚圣芭芭拉大学采用混合介质的办法，即 在硅基波导结构上制备III-V族材料作为增益介质，成功制备出硅基混合激光器。
技术实现思路
针对上述硅基激光器亟待解决的引入增益介质的问题，并考虑与现代微电子工业 的兼容性问题以及各波段广泛的适应性，本专利技术的目的旨在提供一种多波段可调的硅基微 盘混合激光器及其制备方法。通过选择不同波段的增益介质，以及改变微盘微腔的结构参 数，调节激光器模式波段及位置，实现一种芯片可集成的、成本低廉、多波段模式可调的硅 基微盘微腔激光器。本专利技术上述硅基激光器的目的，其实现的技术方案为多波段硅基微盘混合激光器，其特征在于所述激光器的主要结构为形成于硅基底上的微盘微腔集合体，且各微盘表面设有波段可调的增益介质。其中该增益介质为与微 盘结合且用于实现粒子数反转并产生光的薄膜介质，薄膜厚度介于IOnm 5μπι，选材上选 用与硅基底结合牢固的增益介质材料，其中至少包括紫外波段的ZnO薄膜及可见光波段的 有机Alq薄膜。而且，该硅基底上的微盘微腔具有体积离散性，其微盘直径范围介于2 μ m 200 μ m可调，且微腔高度介于500nm 50 μ m可调。本专利技术上述硅基激光器制备方法的目的，将通过以下工艺步骤来实现I、将硅片样品上自然形成的SiO2层酸洗去除，并利用热氧化法在硅片样品表面 生长IOOnm 5 μ m厚度离散分布的SiO2层；II、利用光刻显影在SiO2层表面形成圆盘形掩模，并酸洗去除掩模外的SiO2 ；III、先采用干法垂直刻蚀法在硅片样品表面形成直径2μπι 200μπκ高度 500nm 50 μ m、离散体积的圆柱形台面，再采用干法或湿法各向异性刻蚀法将圆柱形SiO2 台面下的硅刻蚀，仅保留部分柱体硅支撑的SiO2圆盘；IV、利用薄膜沉积方法在SiO2圆盘表面制备IOnm 5 μ m的增益介质；V、利用腐蚀液和去离子水分步骤依次对硅片样品进行浸蚀、清洗，去除硅片样品 基底上多余的掩模及腐蚀液，其中所述腐蚀液与去离子水的液位均没及硅片样品基底且低 于SiO2圆盘的高度；VI、对清洗后的硅片样品进行退火处理。进一步地，步骤IV中所述薄膜沉积方法至少包括PECVD、M0CVD、溅射、热蒸发、旋涂 中的一种。而步骤V中去除硅片样品基底上多余薄膜的方法还至少包括湿法腐蚀、激光烧 蚀和聚焦离子束刻蚀中的一种。实施本专利技术的技术方案，其有益效果体现为由于可用作增益介质材料的选择面宽，因此本专利技术可实现多波段集成的硅基激光 器，通过改变SiO2微盘的结构尺寸，可实现共振模式能量与受激辐射能量匹配，实现激光出 射；其制作方法实施简易，工艺成熟，重复率高，有效降低了制作成本，具有产业化前景。以下便结合实施例附图，对本专利技术的具体实施方式作进一步的详述，以使本专利技术 技术方案更易于理解、掌握。附图说明图1是本专利技术多波段硅基微盘混合激光器的整体制备工艺流程示意图。 具体实施例方式针对硅基激光器亟待解决的引入增益介质的问题，并考虑与现代微电子工业的兼 容性问题以及各波段广泛的适应性，本专利技术提供了一种切实可行，基于光刻、刻蚀和薄膜淀 积等现代微电子工艺方法制备多波段可调的硅基微盘微腔激光器的方法。通过选择不同波 段的增益介质，以及改变微盘微腔的结构参数，调节模式波段及位置。实现一种芯片可集成 的、成本低廉、多波段模式可调的硅基微盘微腔激光器。该激光器的主要结构为形成于硅基底上的微盘微腔集合体。基于微盘微腔的高品 质因子(108)的硅基微型环芯微腔，为激光器的设计提供了高品质的共振腔结构。而本发 明从激光器制造三要素出发，提出在各微盘表面加工有波段可调的增益介质。其中该增益介质为与微盘结合紧密且用于实现粒子数反转并产生光的薄膜介质。根据所需产生激光的 波段及模式位置的区别，该增益介质的薄膜厚度介于IOnm 5 μ m可选，在同一硅片样品上 增益介质薄膜选材上至少包括紫外波段的ZnO薄膜及可见光波段的有机Alq薄膜，凡是能 在SiO2上淀积的增益介质材料都可以结合在SiO2圆盘上，无须考虑与单晶硅衬底晶格失配 所产生的应力问题，自然形成增益介质材料的圆盘共振腔结构，从而实现在硅芯片基底上 的激光发射。而且，该硅基底上的微盘微腔具有体积离散性，其微盘直径范围介于2μπι 200 μ m可调，且微腔高度介于500nm 50 μ m可调。如图1所示，是本专利技术多波段硅基微盘混合激光器的整体制备工艺流程示意图。 由图中所示可见，其制备工艺完全基于现代微电子工艺。实施例一I、用稀释的HF酸将硅片样品1表面的SiO2层2a漂洗去除；II、利用热氧化的方法在硅片样品1表面生长IOOnm的SiO2层2b ；III、利用光刻显影工艺，在SiO2层2b表面形成圆盘形光刻胶掩模3 ；IV、利用稀释的HF酸，将光刻胶掩模3外的SiO2层2b去除，实现图形转移；V、利用干法垂直刻蚀硅方法刻出直径为2 μ m至200 μ m范围不等，高度为500nm 至50 μ m范围不等的圆柱形台面；VI、利用干法或湿法各向异性刻蚀技术将Si02层2b下方的大部分硅刻去，形成环 芯微腔5并仅保留部分支撑SiO2圆盘4 ；通、利用薄膜淀积手段，如PECVD、M0CVD本文档来自技高网...

【技术保护点】
多波段硅基微盘混合激光器，其特征在于：所述激光器的主要结构为形成于硅基底上的微盘微腔集合体，且各微盘表面设有波段可调的增益介质。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：钱波，蒋春萍，王亦，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]