一種調節GaAs基二維光子晶體微腔共振模式的方法
2023-06-17 05:26:36 2
專利名稱：一種調節GaAs基二維光子晶體微腔共振模式的方法
技術領域：
本發明涉及GaAs基二維光子晶體製作技術領域，尤其涉及一種調節GaAs基二維 光子晶體微腔共振模式的方法，屬於GaAs基二維光子晶體微腔製作的一部分，主要是用來 調節光子晶體微腔共振模式。
背景技術：
光子晶體中光子禁帶的存在，使得某些特定頻率的光不能通過。二維光子晶體由 於具有較高的品質因子，較小的模式體積，易於加工的特點，並且可以實現具有優異特性的 光電子器件，如光子晶體量子點單光子源、光子晶體雷射器、光子晶體大角度彎曲波導等， 近些年來成為人們研究的熱點之一。二維平板光子晶體是指在平面內利用光子晶體的帶隙特性對光進行控制，在垂直 於平面的方向上利用高折射率波導層將光限制在微腔內。製備GaAs 二維光子晶體的方法一般採用電子束曝光，幹法刻蝕在平面襯底上形 成周期性排布的孔洞，最後採用溼法腐蝕方法將將GaAs基光子晶體下的AlGaAs犧牲層腐 蝕掏空，使光子晶體形成懸空的二維光子晶體波導層結構。在製作的過程中，光子晶體孔洞的直徑與平板厚度會與理論值會有一定的誤差， 最後會導致光子晶體微腔模式與理論值存在偏差，從而不能很好的使光子晶體模式與量子 點產生耦合共振。因此，如何精確地調節光子晶體的孔洞直徑，從而最終達到光子晶體模式與微腔 內量子點產生完全耦合成為光子晶體製作過程中的一個難點。
發明內容
(一)要解決的技術問題本發明的目的在於提供一種精確調節光子晶體孔洞直徑，從而調節微腔模式，達 到控制GaAs基二維光子晶體微腔模式與量子點發光波長共振的方法。( 二 )技術方案為達到上述目的，本發明提供了一種調節GaAs基二維光子晶體微腔共振模式的 方法，包括如下步驟A、製作GaAs基二維光子晶體；B、將GaAs基二維光子晶體置於過氧化氫中氧化，在GaAs表面形成一定厚度的氧 化層薄膜；C、在常溫下用質量濃度為18%的鹽酸溶液腐蝕GaAs基二維光子晶體表面層的氧 化層，用微區PL光譜測量光子晶體的微腔模式的變化；D、重複步驟B和C，直至獲得光子晶體微腔模式與量子點發光波長相等，產生共 振，停止腐蝕。上述方案中，所述步驟A包括
在GaAs襯底上外延生長AlGaAs犧牲層；在AlGaAs犧牲層上外延生長一定厚度的GaAs層；在GaAs層上外延生長InAs量子點；在量子點上外延生長一定厚度的GaAs層，將量子點埋住；採用PECVD生長SiO2薄膜； 在SiO2薄膜上懸塗一層電子束膠；採用電子束曝光方法在電子束膠上形成光子晶體圖形；採用RIE刻蝕方法將電子束膠上圖形轉移至SiO2上；去除SiO2表面剩餘的電子束膠，採用ICP刻蝕方法將SiO2表面上的圖形轉移至 GaAs 上；用5 %的HF溶液將GaAs表面殘餘的SiO2和光子晶體底部的AlGaAs犧牲層腐蝕 掉，形成懸空的GaAs基二維光子晶體平板結構。上述方案中，所述AlGaAs犧牲層的組分為Ala7Gaa3As,厚度為lOOOnm。上述方案中，所述採用PECVD生長SiO2薄膜的厚度為150nm。上述方案中，所述在SiO2薄膜上懸塗一層電子束膠為ZEP520膠，厚度為300nm。上述方案中，所述GaAs基二維光子晶體的厚度為200nm，InAs量子點置於GaAs 二 維光子晶體平板結構的中央。上述方案中，所述GaAs基二維光子晶體的孔心間距為300nm，孔半徑為50nm，厚度 為200nm，對應的光子晶體微腔模式大於1300nm。上述方案中，所述步驟B與步驟C之間進一步包括將GaAs基二維光子晶體從過 氧化氫中取出，並用去離子水衝洗，再用氮氣吹乾。上述方案中，所述步驟C中所述腐蝕時間為60秒，腐蝕之後將GaAs基二維光子晶 體從鹽酸溶液中取出，並用去離子水衝洗，再用氮氣吹乾。(三)有益效果本發明提供的調節GaAs基二維光子晶體微腔共振模式的方法，是在室溫下將 GaAs基二維光子晶體置於過氧化氫中，由於氧化作用會在光子晶體表面生長一層氧化物， 利用稀釋的鹽酸溶液腐蝕GaAs表面的氧化層。每去掉一層氧化層之後，將光子晶體再用過 氧化氫進行氧化，接著再進行腐蝕，再氧化，直至光子晶體微腔模式與量子點發光波長相等 為止，停止腐蝕。常溫下，過氧化氫每次氧化GaAs表面，氧化層的厚度約為1. 5nm，這樣就可 以通過精確調節光子晶體孔洞的方法達到準確控制光子晶體微腔模式的目的，同時通過化 學腐蝕可以改善孔洞側壁的平滑度，提高光子晶體微腔的品質因子。
圖1是本發明提供的調節GaAs基二維光子晶體微腔共振模式的方法流程圖；圖2是本發明提供的製作GaAs基二維光子晶體微腔結構的工藝流程圖；圖3是腐蝕光子晶體表面SiO2和底部AlGaAs犧牲層後光子晶體平板結構的掃描 電鏡圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照 附圖，對本發明進一步詳細說明。如圖1所示，圖1是本發明提供的調節GaAs基二維光子晶體微腔共振模式的方法 流程圖，包括如下步驟步驟101 製作GaAs基二維光子晶體；步驟102 將GaAs基二維光子晶體置於過氧化氫中氧化，在GaAs表面形成一定厚 度的氧化層薄膜；步驟103 在常溫下用質量濃度為18%的鹽酸溶液腐蝕GaAs基二維光子晶體表面 層的氧化層，用微區PL光譜測量光子晶體的微腔模式的變化；步驟104 重複步驟102和103，直至獲得光子晶體微腔模式與量子點發光波長相 等，產生共振，停止腐蝕。上述步驟101所述製作GaAs基二維光子晶體，具體包括步驟1、在GaAs襯底上外延生長AlGaAs犧牲層；步驟2、在AlGaAs犧牲層上外延生長一定厚度的GaAs層；步驟3、在GaAs層上外延生長InAs量子點；步驟4、在量子點上外延生長一定厚度的GaAs層，將量子點埋住；步驟5、採用PECVD生長SiO2薄膜；步驟6、在SiO2薄膜上懸塗一層電子束膠；步驟7、採用電子束曝光方法在電子束膠上形成光子晶體圖形；步驟8、採用RIE刻蝕方法，將電子束膠上圖形轉移至SiO2上；步驟9、去除SiO2表面剩餘的電子束膠，採用ICP刻蝕方法將SiO2表面上的圖形 轉移至GaAs上；步驟10、用5%的HF溶液將GaAs表面殘餘的SiO2和光子晶體底部的AlGaAs犧 牲層腐蝕掉，形成懸空的GaAs基二維光子晶體平板結構。上述步驟102與步驟103之間進一步包括將GaAs基二維光子晶體從過氧化氫中 取出，並用去離子水衝洗，再用氮氣吹乾。上述步驟103中所述腐蝕時間為60秒，腐蝕之後將GaAs基二維光子晶體從鹽酸 溶液中取出，並用去離子水衝洗，再用氮氣吹乾。請參閱圖2，圖2是本發明提供的製作GaAs基二維光子晶體微腔結構的工藝流程 圖，包括如下步驟步驟201 在襯底50上，使用分子束外延方法外延生長AlGaAs犧牲層40，該襯底 50為半絕緣GaAs，犧牲層40的厚度為IOOOnm ；步驟202 在犧牲層40上生長GaAs波導層30，該波導層厚度為200nm，InAs量子 點層置于波導層中央；步驟203 在波導層30上，使用PECVD澱積掩膜層20，該掩膜層20為SiO2,其厚度 為 150nm ；步驟204 在掩膜層20上，再懸塗電子束膠10，該電子束膠10為ZEP520膠，其厚 度為300nm ；
步驟205 使用電子束曝光方法在電子束膠10上形成光子晶體圖形；步驟206 使用PIE刻蝕將電子束膠10上的圖形轉移至20上；步驟207 清除10之後，使用ICP刻蝕將20上的圖形轉移至30上；步驟208 用HF溶液將20和部分40腐蝕，形成光子晶體平板結構；圖3示出了腐 蝕光子晶體表面SiO2和底部AlGaAs犧牲層後，光子晶體平板結構的掃描電鏡圖。製作好光子晶體之後，接下來需對光子晶體微腔模式進行調節。GaAs基光子晶體 置於過氧化氫中，由於氧化的作用，GaAs表面會形成一薄層氧化層，採用18%的鹽酸溶液 將表面的氧化層腐蝕掉，增大孔洞直徑及減小平板厚度，使微腔模式藍移。由於每次腐蝕 GaAs表面的氧化層均是一小薄層，約為1. 5nm，所以可以微小調節微腔模式。採用該方法不 僅可以精確調節光子晶體微腔模式輕微藍移，還可以通過溼法腐蝕，使光子晶體表面及孔 洞側壁變得更加光滑，有利於提高光子晶體微腔的品質因子。具體步驟如下步驟209 將製作好的光子晶體在常溫下置於過氧化氫中60秒，使在GaAs表面形 成一定厚度的氧化層薄膜；步驟210 在常溫下，用18%鹽酸溶液腐蝕GaAs表面層的氧化層，用微區PL光譜 測量光子晶體的微腔模式的變化；步驟211 重複步驟209和210，直至獲得光子晶體微腔模式與量子點發光波長相 等，產生共振，停止腐蝕。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡 在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保 護範圍之內。
權利要求
一種調節GaAs基二維光子晶體微腔共振模式的方法，其特徵在於，包括如下步驟A、製作GaAs基二維光子晶體；B、將GaAs基二維光子晶體置於過氧化氫中氧化，在GaAs表面形成一定厚度的氧化層薄膜；C、在常溫下用質量濃度為18％的鹽酸溶液腐蝕GaAs基二維光子晶體表面層的氧化層，用微區PL光譜測量光子晶體的微腔模式的變化；D、重複步驟B和C，直至獲得光子晶體微腔模式與量子點發光波長相等，產生共振，停止腐蝕。
2.根據權利要求1所述的調節GaAs基二維光子晶體微腔共振模式的方法，其特徵在 於，所述步驟A包括在GaAs襯底上外延生長AlGaAs犧牲層； 在AlGaAs犧牲層上外延生長一定厚度的GaAs層； 在GaAs層上外延生長InAs量子點； 在量子點上外延生長一定厚度的GaAs層，將量子點埋住； 採用等離子體化學氣相澱積法生長SiO2薄膜； 在SiO2薄膜上懸塗一層電子束膠； 採用電子束曝光方法在電子束膠上形成光子晶體圖形； 採用反應離子刻蝕方法將電子束膠上圖形轉移至SiO2上；去除SiO2表面剩餘的電子束膠，採用感應耦合等離子刻蝕方法將SiO2表面上的圖形轉 移至GaAs上；用5%的HF溶液將GaAs表面殘餘的SiO2和光子晶體底部的AlGaAs犧牲層腐蝕掉，形 成懸空的GaAs基二維光子晶體平板結構。
3.根據權利要求2所述的調節GaAs基二維光子晶體微腔共振模式的方法，其特徵在 於，所述AlGaAs犧牲層的組分為Ala7Gaa3As,厚度為lOOOnm。
4.根據權利要求2所述的調節GaAs基二維光子晶體微腔共振模式的方法，其特徵在 於，所述採用PECVD生長SiO2薄膜的厚度為150nm。
5.根據權利要求2所述的調節GaAs基二維光子晶體微腔共振模式的方法，其特徵在 於，所述在SiO2薄膜上懸塗一層電子束膠為ZEP520膠，厚度為300nm。
6.根據權利要求1所述的調節GaAs基二維光子晶體微腔共振模式的方法，其特徵在於，所 述GaAs基二維光子晶體的厚度為200nm，InAs量子點置於GaAs 二維光子晶體平板結構中央。
7.根據權利要求1所述的調節GaAs基二維光子晶體微腔共振模式的方法，其特徵在 於，所述GaAs基二維光子晶體的孔心間距為300nm，孔半徑為50nm，厚度為200nm，對應的光 子晶體微腔模式大於1300nm。
8.根據權利要求1所述的調節GaAs基二維光子晶體微腔共振模式的方法，其特徵在 於，所述步驟B與步驟C之間進一步包括將GaAs基二維光子晶體從過氧化氫中取出，並用去離子水衝洗，再用氮氣吹乾。
9.根據權利要求1所述的調節GaAs基二維光子晶體微腔共振模式的方法，其特徵在 於，所述步驟C中所述腐蝕時間為60秒，腐蝕之後將GaAs基二維光子晶體從鹽酸溶液中取 出，並用去離子水衝洗，再用氮氣吹乾。
全文摘要
本發明公開了一種調節GaAs基二維光子晶體微腔共振模式的方法，包括如下步驟A、製作GaAs基二維光子晶體；B、將GaAs基二維光子晶體置於過氧化氫中氧化，在GaAs表面形成一定厚度的氧化層薄膜；C、在常溫下用質量濃度為18％的鹽酸溶液腐蝕GaAs基二維光子晶體表面層的氧化層，用微區PL光譜測量光子晶體的微腔模式的變化；D、重複步驟B和C，直至獲得光子晶體微腔模式與量子點發光波長相等，產生共振，停止腐蝕。利用本發明，通過精確調節光子晶體孔洞的方法可以達到準確控制光子晶體微腔模式的目的，同時通過化學腐蝕可以改善孔洞側壁的平滑度，提高光子晶體微腔的品質因子。
文檔編號G02B6/122GK101881856SQ20091008349
公開日2010年11月10日 申請日期2009年5月6日 優先權日2009年5月6日
發明者葉小玲, 彭銀生, 徐波, 王佔國 申請人:中國科學院半導體研究所