專利名稱：一種調節(jié)GaAs基二維光子晶體微腔共振模式的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及GaAs基二維光子晶體制作技術領域，尤其涉及一種調節(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 調節(jié)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 于具有較高的品質因子，較小的模式體積，易于加工的特點，并且可以實現(xiàn)具有優(yōu)異特性的 光電子器件，如光子晶體量子點單光子源、光子晶體激光器、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 于平面的方向上利用高折射率波導層將光限制在微腔內。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層結構。在制作的過程中，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， 最后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(jié)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制作過程中的一個難點。

發(fā)明內容
(一)要解決的技術問題本發(fā)明的目的在于提供一種精確調節(jié)光子晶體孔洞直徑，從而調節(jié)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(fā)光波長共振的方法。( 二 )技術方案為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種調節(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(qū)PL光譜測量光子晶體的微腔模式的變化；D、重復步驟B和C，直至獲得光子晶體微腔模式與量子點發(fā)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?。徊捎肞ECVD生長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，所述采用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量子點置于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于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，并用去離子水沖洗，再用氮氣吹干。上述方案中，所述步驟C中所述腐蝕時間為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，再用氮氣吹干。(三)有益效果本發(fā)明提供的調節(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氧化氫中，由于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后，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(fā)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(jié)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(fā)明提供的調節(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犧牲層后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(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。如圖1所示，圖1是本發(fā)明提供的調節(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(qū)PL光譜測量光子晶體的微腔模式的變化；步驟104 重復步驟102和103，直至獲得光子晶體微腔模式與量子點發(fā)光波長相 等，產生共振，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?。徊襟E5、采用PECVD生長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，并用去離子水沖洗，再用氮氣吹干。上述步驟103中所述腐蝕時間為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，再用氮氣吹干。請參閱圖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上的圖形轉移至20上；步驟207 清除10之后，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犧牲層后，光子晶體平板結構的掃描電鏡圖。制作好光子晶體之后，接下來需對光子晶體微腔模式進行調節(jié)。GaAs基光子晶體 置于過氧化氫中，由于氧化的作用，GaAs表面會形成一薄層氧化層，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，所以可以微小調節(jié)微腔模式。采用該方法不 僅可以精確調節(jié)光子晶體微腔模式輕微藍移，還可以通過濕法腐蝕，使光子晶體表面及孔 洞側壁變得更加光滑，有利于提高光子晶體微腔的品質因子。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 測量光子晶體的微腔模式的變化；步驟211 重復步驟209和210，直至獲得光子晶體微腔模式與量子點發(fā)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(fā)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(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保 護范圍之內。
權利要求
一種調節(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(qū)PL光譜測量光子晶體的微腔模式的變化；D、重復步驟B和C，直至獲得光子晶體微腔模式與量子點發(fā)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(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??； 采用等離子體化學氣相淀積法生長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表面剩余的電子束膠，采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構。
3.根據權利要求2所述的調節(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.根據權利要求2所述的調節(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SiO2薄膜的厚度為150nm。
5.根據權利要求2所述的調節(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.根據權利要求1所述的調節(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量子點置于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(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，對應的光 子晶體微腔模式大于1300nm。
8.根據權利要求1所述的調節(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之間進一步包括將GaAs基二維光子晶體從過氧化氫中取出，并用去離子水沖洗，再用氮氣吹干。
9.根據權利要求1所述的調節(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，再用氮氣吹干。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種調節(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(qū)PL光譜測量光子晶體的微腔模式的變化；D、重復步驟B和C，直至獲得光子晶體微腔模式與量子點發(fā)光波長相等，產生共振，停止腐蝕。利用本發(fā)明，通過精確調節(jié)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(yōu)先權日2009年5月6日
發(fā)明者葉小玲, 彭銀生, 徐波, 王占國 申請人:中國科學院半導體研究所