專利名稱：一種調(diào)節(jié)GaAs基二維光子晶體微腔共振模式的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及GaAs基二維光子晶體制作技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種調(diào)節(jié)GaAs基二維 光子晶體微腔共振模式的方法，屬于GaAs基二維光子晶體微腔制作的一部分，主要是用來(lái) 調(diào)節(jié)光子晶體微腔共振模式。
背景技術(shù)：
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(guò)。二維光子晶體由 于具有較高的品質(zhì)因子，較小的模式體積，易于加工的特點(diǎn)，并且可以實(shí)現(xiàn)具有優(yōu)異特性的 光電子器件，如光子晶體量子點(diǎn)單光子源、光子晶體激光器、光子晶體大角度彎曲波導(dǎo)等， 近些年來(lái)成為人們研究的熱點(diǎn)之一。二維平板光子晶體是指在平面內(nèi)利用光子晶體的帶隙特性對(duì)光進(jìn)行控制，在垂直 于平面的方向上利用高折射率波導(dǎo)層將光限制在微腔內(nèi)。制備GaAs 二維光子晶體的方法一般采用電子束曝光，干法刻蝕在平面襯底上形 成周期性排布的孔洞，最后采用濕法腐蝕方法將將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(dǎo)層結(jié)構(gòu)。在制作的過(guò)程中，光子晶體孔洞的直徑與平板厚度會(huì)與理論值會(huì)有一定的誤差， 最后會(huì)導(dǎo)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(diǎn)產(chǎn)生耦合共振。因此，如何精確地調(diào)節(jié)光子晶體的孔洞直徑，從而最終達(dá)到光子晶體模式與微腔 內(nèi)量子點(diǎn)產(chǎn)生完全耦合成為光子晶體制作過(guò)程中的一個(gè)難點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的在于提供一種精確調(diào)節(jié)光子晶體孔洞直徑，從而調(diào)節(jié)微腔模式，達(dá) 到控制GaAs基二維光子晶體微腔模式與量子點(diǎn)發(fā)光波長(zhǎng)共振的方法。( 二 )技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種調(diào)節(jié)GaAs基二維光子晶體微腔共振模式的 方法，包括如下步驟A、制作GaAs基二維光子晶體；B、將GaAs基二維光子晶體置于過(guò)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(zhì)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(qū)PL光譜測(cè)量光子晶體的微腔模式的變化；D、重復(fù)步驟B和C，直至獲得光子晶體微腔模式與量子點(diǎn)發(fā)光波長(zhǎng)相等，產(chǎn)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(zhǎng)AlGaAs犧牲層；在AlGaAs犧牲層上外延生長(zhǎng)一定厚度的GaAs層；在GaAs層上外延生長(zhǎng)InAs量子點(diǎn)；在量子點(diǎn)上外延生長(zhǎng)一定厚度的GaAs層，將量子點(diǎn)埋??；采用PECVD生長(zhǎng)SiO2薄膜； 在SiO2薄膜上懸涂一層電子束膠；采用電子束曝光方法在電子束膠上形成光子晶體圖形；采用RIE刻蝕方法將電子束膠上圖形轉(zhuǎn)移至SiO2上；去除SiO2表面剩余的電子束膠，采用ICP刻蝕方法將SiO2表面上的圖形轉(zhuǎn)移至 GaAs 上；用5 %的HF溶液將GaAs表面殘余的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(jié)構(gòu)。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，所述采用PECVD生長(zhǎng)SiO2薄膜的厚度為150nm。上述方案中，所述在SiO2薄膜上懸涂一層電子束膠為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(diǎn)置于GaAs 二 維光子晶體平板結(jié)構(gòu)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(duì)應(yīng)的光子晶體微腔模式大于1300nm。上述方案中，所述步驟B與步驟C之間進(jìn)一步包括將GaAs基二維光子晶體從過(guò) 氧化氫中取出，并用去離子水沖洗，再用氮?dú)獯蹈伞Ｉ鲜龇桨钢?，所述步驟C中所述腐蝕時(shí)間為60秒，腐蝕之后將GaAs基二維光子晶 體從鹽酸溶液中取出，并用去離子水沖洗，再用氮?dú)獯蹈伞?三)有益效果本發(fā)明提供的調(diào)節(jié)GaAs基二維光子晶體微腔共振模式的方法，是在室溫下將 GaAs基二維光子晶體置于過(guò)氧化氫中，由于氧化作用會(huì)在光子晶體表面生長(zhǎng)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后，將光子晶體再用過(guò) 氧化氫進(jìn)行氧化，接著再進(jìn)行腐蝕，再氧化，直至光子晶體微腔模式與量子點(diǎn)發(fā)光波長(zhǎng)相等 為止，停止腐蝕。常溫下，過(guò)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(guò)精確調(diào)節(jié)光子晶體孔洞的方法達(dá)到準(zhǔn)確控制光子晶體微腔模式的目的，同時(shí)通過(guò)化 學(xué)腐蝕可以改善孔洞側(cè)壁的平滑度，提高光子晶體微腔的品質(zhì)因子。


圖1是本發(fā)明提供的調(diào)節(jié)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(fā)明提供的制作GaAs基二維光子晶體微腔結(jié)構(gòu)的工藝流程圖；圖3是腐蝕光子晶體表面SiO2和底部AlGaAs犧牲層后光子晶體平板結(jié)構(gòu)的掃描 電鏡圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。如圖1所示，圖1是本發(fā)明提供的調(diào)節(jié)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 制作GaAs基二維光子晶體；步驟102 將GaAs基二維光子晶體置于過(guò)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(zhì)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(qū)PL光譜測(cè)量光子晶體的微腔模式的變化；步驟104 重復(fù)步驟102和103，直至獲得光子晶體微腔模式與量子點(diǎn)發(fā)光波長(zhǎng)相 等，產(chǎn)生共振，停止腐蝕。上述步驟101所述制作GaAs基二維光子晶體，具體包括步驟1、在GaAs襯底上外延生長(zhǎng)AlGaAs犧牲層；步驟2、在AlGaAs犧牲層上外延生長(zhǎng)一定厚度的GaAs層；步驟3、在GaAs層上外延生長(zhǎng)InAs量子點(diǎn)；步驟4、在量子點(diǎn)上外延生長(zhǎng)一定厚度的GaAs層，將量子點(diǎn)埋住；步驟5、采用PECVD生長(zhǎng)SiO2薄膜；步驟6、在SiO2薄膜上懸涂一層電子束膠；步驟7、采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、采用RIE刻蝕方法，將電子束膠上圖形轉(zhuǎn)移至SiO2上；步驟9、去除SiO2表面剩余的電子束膠，采用ICP刻蝕方法將SiO2表面上的圖形 轉(zhuǎn)移至GaAs上；步驟10、用5%的HF溶液將GaAs表面殘余的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(jié)構(gòu)。上述步驟102與步驟103之間進(jìn)一步包括將GaAs基二維光子晶體從過(guò)氧化氫中 取出，并用去離子水沖洗，再用氮?dú)獯蹈?。上述步驟103中所述腐蝕時(shí)間為60秒，腐蝕之后將GaAs基二維光子晶體從鹽酸 溶液中取出，并用去離子水沖洗，再用氮?dú)獯蹈?。?qǐng)參閱圖2，圖2是本發(fā)明提供的制作GaAs基二維光子晶體微腔結(jié)構(gòu)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(zhǎng)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(zhǎng)GaAs波導(dǎo)層30，該波導(dǎo)層厚度為200nm，InAs量子 點(diǎn)層置于波導(dǎo)層中央；步驟203 在波導(dǎo)層30上，使用PECVD淀積掩膜層20，該掩膜層20為SiO2,其厚度 為 150nm ；步驟204 在掩膜層20上，再懸涂電子束膠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(zhuǎn)移至20上；步驟207 清除10之后，使用ICP刻蝕將20上的圖形轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)；圖3示出了腐 蝕光子晶體表面SiO2和底部AlGaAs犧牲層后，光子晶體平板結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖。制作好光子晶體之后，接下來(lái)需對(duì)光子晶體微腔模式進(jìn)行調(diào)節(jié)。GaAs基光子晶體 置于過(guò)氧化氫中，由于氧化的作用，GaAs表面會(huì)形成一薄層氧化層，采用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(lán)移。由于每次腐蝕 GaAs表面的氧化層均是一小薄層，約為1. 5nm，所以可以微小調(diào)節(jié)微腔模式。采用該方法不 僅可以精確調(diào)節(jié)光子晶體微腔模式輕微藍(lán)移，還可以通過(guò)濕法腐蝕，使光子晶體表面及孔 洞側(cè)壁變得更加光滑，有利于提高光子晶體微腔的品質(zhì)因子。具體步驟如下步驟209 將制作好的光子晶體在常溫下置于過(guò)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(qū)PL光譜 測(cè)量光子晶體的微腔模式的變化；步驟211 重復(fù)步驟209和210，直至獲得光子晶體微腔模式與量子點(diǎn)發(fā)光波長(zhǎng)相 等，產(chǎn)生共振，停止腐蝕。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種調(diào)節(jié)GaAs基二維光子晶體微腔共振模式的方法，其特征在于，包括如下步驟A、制作GaAs基二維光子晶體；B、將GaAs基二維光子晶體置于過(guò)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(zhì)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(qū)PL光譜測(cè)量光子晶體的微腔模式的變化；D、重復(fù)步驟B和C，直至獲得光子晶體微腔模式與量子點(diǎn)發(fā)光波長(zhǎng)相等，產(chǎn)生共振，停止腐蝕。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)節(jié)GaAs基二維光子晶體微腔共振模式的方法，其特征在 于，所述步驟A包括在GaAs襯底上外延生長(zhǎng)AlGaAs犧牲層； 在AlGaAs犧牲層上外延生長(zhǎng)一定厚度的GaAs層； 在GaAs層上外延生長(zhǎng)InAs量子點(diǎn)； 在量子點(diǎn)上外延生長(zhǎng)一定厚度的GaAs層，將量子點(diǎn)埋?。?采用等離子體化學(xué)氣相淀積法生長(zhǎng)SiO2薄膜； 在SiO2薄膜上懸涂一層電子束膠； 采用電子束曝光方法在電子束膠上形成光子晶體圖形； 采用反應(yīng)離子刻蝕方法將電子束膠上圖形轉(zhuǎn)移至SiO2上；去除SiO2表面剩余的電子束膠，采用感應(yīng)耦合等離子刻蝕方法將SiO2表面上的圖形轉(zhuǎn) 移至GaAs上；用5%的HF溶液將GaAs表面殘余的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(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的調(diào)節(jié)GaAs基二維光子晶體微腔共振模式的方法，其特征在 于，所述AlGaAs犧牲層的組分為Ala7Gaa3As,厚度為lOOOnm。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的調(diào)節(jié)GaAs基二維光子晶體微腔共振模式的方法，其特征在 于，所述采用PECVD生長(zhǎng)SiO2薄膜的厚度為150nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的調(diào)節(jié)GaAs基二維光子晶體微腔共振模式的方法，其特征在 于，所述在SiO2薄膜上懸涂一層電子束膠為ZEP520膠，厚度為300nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)節(jié)GaAs基二維光子晶體微腔共振模式的方法，其特征在于，所 述GaAs基二維光子晶體的厚度為200nm，InAs量子點(diǎn)置于GaAs 二維光子晶體平板結(jié)構(gòu)中央。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)節(jié)GaAs基二維光子晶體微腔共振模式的方法，其特征在 于，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(duì)應(yīng)的光 子晶體微腔模式大于1300nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)節(jié)GaAs基二維光子晶體微腔共振模式的方法，其特征在 于，所述步驟B與步驟C之間進(jìn)一步包括將GaAs基二維光子晶體從過(guò)氧化氫中取出，并用去離子水沖洗，再用氮?dú)獯蹈伞?br> 9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)節(jié)GaAs基二維光子晶體微腔共振模式的方法，其特征在 于，所述步驟C中所述腐蝕時(shí)間為60秒，腐蝕之后將GaAs基二維光子晶體從鹽酸溶液中取 出，并用去離子水沖洗，再用氮?dú)獯蹈伞?br> 全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種調(diào)節(jié)GaAs基二維光子晶體微腔共振模式的方法，包括如下步驟A、制作GaAs基二維光子晶體；B、將GaAs基二維光子晶體置于過(guò)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(zhì)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(qū)PL光譜測(cè)量光子晶體的微腔模式的變化；D、重復(fù)步驟B和C，直至獲得光子晶體微腔模式與量子點(diǎn)發(fā)光波長(zhǎng)相等，產(chǎn)生共振，停止腐蝕。利用本發(fā)明，通過(guò)精確調(diào)節(jié)光子晶體孔洞的方法可以達(dá)到準(zhǔn)確控制光子晶體微腔模式的目的，同時(shí)通過(guò)化學(xué)腐蝕可以改善孔洞側(cè)壁的平滑度，提高光子晶體微腔的品質(zhì)因子。
文檔編號(hào)G02B6/122GK101881856SQ20091008349
公開(kāi)日2010年11月10日 申請(qǐng)日期2009年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月6日
發(fā)明者葉小玲, 彭銀生, 徐波, 王占國(guó) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所