高反射率高帶寬的亞波長光柵反射鏡的製作方法
2023-11-07 02:00:02 1
專利名稱：高反射率高帶寬的亞波長光柵反射鏡的製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體光電子器件技術領域，尤其涉及一種高反射率高帶寬的亞波長 光柵反射鏡的製作方法。
背景技術：
高反射率高帶寬的反射鏡在半導體光電器件中具有重要的應用，它是構建雷射諧 振腔的必備元素。金屬反射鏡具有非常高的反射帶寬，但是吸收損耗限制了它的應用。目前 布拉格反射鏡作為一種高反射率反射鏡，廣泛應用於垂直腔面發射雷射器中。由於布拉格 反射鏡的反射率和帶寬依賴於兩種組成材料的折射率和每層厚度控制的精度。兩種組成材 料的折射率差越大，布拉格反射鏡的反射率和帶寬越大。考慮到材料生長過程中晶格匹配 因素，組成布拉格反射鏡的兩種材料的折射率差通常比較小，因此布拉格反射鏡需要25-40 對才能達到足夠高的反射率，厚度高達數微米，而且反射帶寬只有3-9%，同時對材料生長 控制提出了巨大的挑戰。對於藍綠光和遠紅外波段，布拉格反射鏡的設計和生長更為困難。 特別是在可調諧垂直腔面發射雷射器中，高反射帶寬、高反射率和低損耗的反射鏡尤為重 要。由於布拉格反射鏡有諸如反射率不高、反射帶寬窄、不緊湊等不足，2004年人 們提出了一種微型高反射率高反射帶寬的高折射率差的亞波長光柵，如文獻「Carlos F. R.Mateus，et al.，IEEE Photonics TechnologyLetters, 2004 (16) :1676」所報導。這禾中 高折射率差的亞波長光柵厚度只有百納米量級，高反射率帶寬達到35%，完全可以代替布 拉格反射鏡用於垂直腔面發射雷射器中。2007年，加州大學Berkeley分校Chang-Hasnain 小組實驗報導了他們採用高折射率差的亞波長光柵構成的垂直腔面發射雷射器實現了單 模激射，驗證了高折射率差的亞波長光柵完全可以代替布拉格反射鏡構建雷射諧振腔。
發明內容
有鑑於此，本發明的主要目的在於提供一種高反射率高帶寬的亞波長光柵反射鏡 的製作方法，這種亞波長光柵反射鏡具有高反射率高帶寬，厚度只有百納米量級，可以代替 布拉格反射鏡用於構建雷射諧振腔。為達到上述目的，本發明提供一種高反射率高帶寬的亞波長光柵反射鏡的製作方 法，包括如下步驟步驟1 取一襯底；步驟2 在該襯底上依次生長材料層、介質層和金屬層，在介質層和金屬層界面處 能夠激發表面等離子體模式；步驟3 採用感應耦合等離子體刻蝕的方法或者剝離技術，依次將金屬層、介質層 和材料層刻蝕，形成周期性的條形光柵結構，完成器件的製作。其中所述周期性的條形光柵結構的刻蝕深度到襯底的表面。其中所述的周期性的條形光柵結構的周期小於工作波長，只有0級衍射發生。
其中所述襯底的材料為空氣或者低折射率介質材料。所述低折射率介質材料的襯底為二氧化矽、氧化鎂、氧化鋁、氮化矽或氟化鎂。其中所述材料層為矽、砷化鎵、砷化鋁鎵或磷化銦。其中所述介質層的材料為二氧化矽、氮化矽或氟化鎂。其中所述金屬層的材料為金、銀、鋁或銅。其中所述的亞波長光柵反射鏡的工作波長覆蓋深紫外到遠紅外波段。從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果1、本發明提供的這種高反射率高帶寬的亞波長光柵反射鏡，只有百納米量級厚 度，非常微型緊湊，易於和其他光電器件集成，並且製作工藝和半導體工藝兼容。2、本發明提供的這種高反射率高帶寬的亞波長光柵反射鏡，具有高帶寬高反射 率，可以代替布拉格反射鏡構建雷射諧振腔，解決了布拉格反射鏡材料選擇及其生長難題。3、本發明提供的這種高反射率高帶寬的亞波長光柵反射鏡，和高折射率差的亞波 長光柵相比，具有更高反射率、更高反射帶寬。
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，其中圖1為本發明提供的這種高反射率高帶寬的亞波長光柵反射鏡的結構示意圖。圖 中ζ坐標方向代表垂直方向；x、y坐標方向代表水平方向。圖2為本發明第一個實例提供的這種高反射率高帶寬的亞波長光柵反射鏡的 TM(電場平行χ方向)偏振光的反射率-波長曲線。圖3為本發明第一個實例提供的這種高反射率高帶寬的亞波長光柵反射鏡的 TE (電場平行y方向)偏振光的反射率-波長曲線。圖中，1為襯底，2為材料層，3為介質層，4為金屬層。
具體實施例方式如圖1所示，本發明提供一種高反射率高帶寬的亞波長光柵反射鏡的製作方法， 包括如下步驟步驟1 取一襯底1，所述襯底1的材料為空氣或者低折射率介質材料；步驟2 在該襯底1上依次生長材料層2、介質層3和金屬層4 ；所述結構在在介質 層3和金屬層4界面處能夠激發表面等離子體模式，這種表面等離子模式能夠增強反射；所 述材料層2為矽、砷化鎵、砷化鋁鎵或磷化銦；所述介質層3的材料為二氧化矽、氮化矽或氟 化鎂；所述金屬層4的材料為金、銀、鋁或銅；步驟3 採用感應耦合等離子體刻蝕的方法或剝離技術，依次將金屬層4、介質層 3和材料層2刻蝕直到襯底1，形成周期性的條形光柵結構，完成器件的製作；所述總刻蝕 深度為金屬層4、介質層3和材料層2三層厚度的總和；所述結構在橫向χ形成高折射率差 (高折射率/低折射率的周期分布)的折射率分布。所述的周期性的條形光柵結構的周期小於工作波長，只有0級衍射發生；所述的 亞波長光柵反射鏡的工作波長覆蓋深紫外到遠紅外波段。
基於圖1這種高反射率高帶寬的亞波長光柵反射鏡，以下結合具體的實施例對本 發明提供的這種高反射率高帶寬的亞波長光柵反射鏡作進一步詳細說明。實施例一本實例的這種高反射率高帶寬的亞波長光柵反射鏡，其襯底1為空氣(折射率為 1)；材料層2為Ala6Giia4As (折射率為3. 2)，厚度為235nm ；介質層3為二氧化矽(折射率 為1. 47)厚度為400nm ；金屬層4為金，厚度為IOOnm ；亞波長光柵的周期為380nm，條寬為 250nmo本實例的測量結果如圖2和圖3所示。圖2是依照本發明第一個實例提供的這種 高反射率高帶寬的亞波長光柵反射鏡的理論計算得到的TM(電場平行χ方向)偏振光的 反射率-波長曲線，帶寬Δ λ/λ為19. 7% (> 99. 5%，Δ λ為150nm，λ為780nm)。圖 3是依照本發明第一個實例提供的這種高反射率高帶寬的亞波長光柵反射鏡的理論計算得 到的TE(電場平行y方向)偏振光的反射率-波長曲線，它在所關注波長範圍內的反射率 都超過了 95%。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
1.一種高反射率高帶寬的亞波長光柵反射鏡的製作方法，包括如下步驟步驟1 取一襯底；步驟2 在該襯底上依次生長材料層、介質層和金屬層，在介質層和金屬層界面處能夠 激發表面等離子體模式；步驟3 採用感應耦合等離子體刻蝕的方法或者剝離技術，依次將金屬層、介質層和材 料層刻蝕，形成周期性的條形光柵結構，完成器件的製作。
2.根據權利要求1所述的高反射率高帶寬的亞波長光柵反射鏡的製作方法，其中所述 周期性的條形光柵結構的刻蝕深度到襯底的表面。
3.根據權利要求1所述的高反射率高帶寬的亞波長光柵反射鏡的製作方法，其中所述 的周期性的條形光柵結構的周期小於工作波長，只有0級衍射發生。
4.根據權利要求1所述的高反射率高帶寬的亞波長光柵反射鏡的製作方法，其中所述 襯底的材料為空氣或者低折射率介質材料。
5.根據權利要求4所述的微高反射率高帶寬的亞波長光柵反射鏡的製作方法，其中所 述低折射率介質材料的襯底為二氧化矽、氧化鎂、氧化鋁、氮化矽或氟化鎂。
6.根據權利要求1所述的高反射率高帶寬的亞波長光柵反射鏡的製作方法，其中所述 材料層為矽、砷化鎵、砷化鋁鎵或磷化銦。
7.根據權利要求1所述的高反射率高帶寬的亞波長光柵反射鏡的製作方法，其中所述 介質層的材料為二氧化矽、氮化矽或氟化鎂。
8.根據權利要求1所述的高反射率高帶寬的亞波長光柵反射鏡的製作方法，其中所述 金屬層的材料為金、銀、鋁或銅。
9.根據權利要求1所述的高反射率高帶寬的亞波長光柵反射鏡的製作方法，其中所述 的亞波長光柵反射鏡的工作波長覆蓋深紫外到遠紅外波段。
全文摘要
本發明提供一種高反射率高帶寬的亞波長光柵反射鏡的製作方法，包括如下步驟步驟1取一襯底；步驟2在該襯底上依次生長材料層、介質層和金屬層，在介質層和金屬層界面處能夠激發表面等離子體模式；步驟3採用感應耦合等離子體刻蝕的方法或者剝離技術，依次將金屬層、介質層和材料層刻蝕，形成周期性的條形光柵結構，完成器件的製作。
文檔編號G02B5/18GK102109625SQ20111004996
公開日2011年6月29日 申請日期2011年3月2日 優先權日2011年3月2日
發明者付非亞, 劉安金, 周文君, 王宇飛, 鄭婉華, 陳微 申請人:中國科學院半導體研究所