專利名稱：基于聚焦離子束技術(shù)深刻蝕一維光子晶體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電子信息科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及半導(dǎo)體光子晶體的制作方案和技術(shù)，即一種基于聚焦離子束技術(shù)制備半導(dǎo)體/空氣交替的周期性一維光子晶體的方法和技術(shù)。特別是用于實現(xiàn)亞微米尺度高深寬比周期性溝槽結(jié)構(gòu)光柵的方法，也是用于解決GaN基激光二極管及其它短腔長半導(dǎo)體激光器腔鏡面制備難點以及研制可集成化高深寬比微型光柵和未來光集成回路的一種先進(jìn)方法。
背景技術(shù)：
聚焦離子束(FIB)刻蝕是上世紀(jì)90年代才出現(xiàn)的一種先進(jìn)的干法刻蝕技術(shù)，F(xiàn)IB技術(shù)能實現(xiàn)離子束的圖形化刻蝕和圖形化誘導(dǎo)沉積。其主要功能包括離子束誘導(dǎo)沉積直接進(jìn)行微米甚至納米尺度的圖形化掩膜保護(hù)(沉積材料有金屬Pt、W和絕緣材料SiO2)；在刻蝕區(qū)直接用CAD生成刻蝕圖形；數(shù)字掃描控制的聚焦精細(xì)的高能離子束進(jìn)行圖形化直寫式刻蝕；用氣體選擇刻蝕方式進(jìn)行選擇性刻蝕和精細(xì)修補；利用成像技術(shù)可對刻蝕結(jié)果進(jìn)行原位觀察，對刻蝕形狀做即時反饋等。
FIB的刻蝕是用高能聚焦離子束轟擊樣品，使樣品中的原子從表面濺射出來，以物理的方式進(jìn)行刻蝕加工。與化學(xué)腐蝕相比不會對掩膜下襯底邊緣腐蝕；與RIE、ICP、CAIBE等干法刻蝕相比，不需要復(fù)雜的掩膜和圖形轉(zhuǎn)移，可以以直寫的方式將設(shè)計好的圖形刻在需要加工的區(qū)域；此外，它對不同材料尤其是同一材料系中的不同材料的刻蝕選擇性不強(qiáng)，這一點亦非常不同于濕法腐蝕和其它的干法刻蝕技術(shù)；特別是FIB在小的束流下加工的線寬可以達(dá)到10nm，且有很好的深寬比(可達(dá)10∶1)，是一種高精度的深亞微米的圖形制備技術(shù)。
光子晶體是介質(zhì)折射率在波長尺度范圍內(nèi)發(fā)生周期性變化從而可產(chǎn)生光子帶隙的微結(jié)構(gòu)材料。理論和實驗證實，就像利用半導(dǎo)體操縱電子那樣，人們可利用光子晶體來操縱光子，從而制造出各種新型的微、納米光子學(xué)器件。兩種介質(zhì)交替的多層膜和深刻蝕的半導(dǎo)體/空氣周期性結(jié)構(gòu)實質(zhì)上都是典型的一維光子晶體。其最廣泛的應(yīng)用是制成各種光柵性薄膜和微結(jié)構(gòu)，比如各種分布布拉格反射器(DBR)等。研究表明，半導(dǎo)體/空氣一維光子晶體只需幾個周期就可達(dá)到很高的反射率，同時具有較寬的半高寬。
半導(dǎo)體激光二極管(LD)是一種小型便捷的固體激光光源，廣泛應(yīng)用于光通信、光存儲(VCD、DVD)等信息技術(shù)領(lǐng)域，也是光電集成回路中重要的有源器件。波長為0.4微米的GaN基藍(lán)紫光激二極管(LD)是信息科技領(lǐng)域下一代DVD超高密度光存取技術(shù)的關(guān)鍵性器件——光源，可使DVD存儲容量比用現(xiàn)有紅光LD光源的光盤增至4-5倍，當(dāng)前GaN基激光器已成為世界各主要國家研究和發(fā)展的熱點。
在現(xiàn)有傳統(tǒng)的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器鏡面的制作中面臨各種技術(shù)問題有待解決。比如在腔面自然解理后還需要通過蒸鍍多層介質(zhì)膜來提高反射率；又如研制集成光路和短腔LD的鏡面必須采用干法刻蝕代替自然解理；再如GaN基短波長激光器因與襯底晶格嚴(yán)重失配、解理腔鏡面反射率極低、波長短對腔鏡面平整度要求苛刻等問題成為研制GaN基激光器的關(guān)鍵性難題?，F(xiàn)有各種方法的共同特點是工藝技術(shù)繁復(fù)、制備工序多、周期長、更難以實現(xiàn)集成光路中的激光腔鏡面。
采用FIB技術(shù)制備半導(dǎo)體/空氣一維光子晶體便成為研制邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器高質(zhì)量鏡面的一個優(yōu)選方案，也是一維光子晶體的直接而有效的應(yīng)用，尤其可直接運用于解決GaN基激光器鏡面的關(guān)鍵性技術(shù)難點，并可制成具有各種功能的高深寬比微型光柵，還可望用于研制各種集成光電和未來的集成光子學(xué)回路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出基于半導(dǎo)體一維光子晶體概念并結(jié)合先進(jìn)的FIB刻蝕技術(shù)，發(fā)展了一套在半導(dǎo)體上制作亞微米級高深寬比布拉格組合光柵即一維光子晶體的方法和加工工藝，找到了用FIB解決深亞微米尺度、高深寬比和側(cè)壁陡直平整溝槽刻蝕的技術(shù)關(guān)鍵和訣竅。本發(fā)明根據(jù)在先發(fā)明專利申請“基于一維光子晶體的腔結(jié)構(gòu)及其制備方法”(申請?zhí)枮?00510011368.9)設(shè)計思想和方法，此項技術(shù)已直接運用于解決GaN基激光器諧振腔鏡面制備的難點，特別是成功獲得GaN基激光器腔鏡面。實現(xiàn)GaN基周期小(低達(dá)400nm或更小)、深達(dá)1.5微米或更深的垂直溝槽(側(cè)壁垂直度達(dá)88°以上)的半導(dǎo)體/空氣一維光子晶體，是目前FIB制備出的周期最短的GaN基布拉格光柵，達(dá)到了國際先進(jìn)水平，因此無論從材料系對象、制備工藝技術(shù)以及一維光子晶體布拉格反射器的組合諸方面均體現(xiàn)了本發(fā)明的創(chuàng)造性與新穎性。發(fā)明的方法和技術(shù)方案也已證明用于其它半導(dǎo)體材料系激光器的可行性，并可用于發(fā)展新型光子集成回路。
本發(fā)明的目的是提供一種工序簡單、快速、有效的制備一維光子晶體的制備方法。也是一種可直接運用于研制新型半導(dǎo)體激光二極管諧振腔鏡面的制備方案及方法，比如在半導(dǎo)體激光二極管的邊發(fā)射條形結(jié)構(gòu)兩端采用FIB技術(shù)加工，按發(fā)明專利“基于一維光子晶體的腔結(jié)構(gòu)及其制備方法”(申請?zhí)?00510011368.9)的方法可制作出的多種組合的一維光子晶體腔鏡面結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明包括以下三個主要步驟1)計算和設(shè)計具有一維光子晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體/空氣(DBR)布拉格光柵的具體尺寸和容差要求，為FIB加工條件的選擇提供依據(jù)；2)對所需加工的半導(dǎo)體樣品進(jìn)行加工前處理準(zhǔn)備。包括電接觸和機(jī)械穩(wěn)定性等方面的處理；3)根據(jù)加工要求確定合適的FIB加工條件并設(shè)計出合理的加工次序進(jìn)行加工。這包括離子束束流大小的選擇；沉積保護(hù)層材料及厚度的選擇；輔助刻蝕槽的設(shè)計和加工；放大倍數(shù)的選擇及刻蝕圖形的設(shè)計；半導(dǎo)體/空氣(DBR)結(jié)構(gòu)成型的刻蝕條件及刻蝕后處理方法等。
通過上述工藝步驟，一次性完成高反射率諧振腔鏡面的加工。


下面結(jié)合在半導(dǎo)體激光二極管上研制一維光子晶體的實例進(jìn)一步詳細(xì)地以

本發(fā)明采用聚焦離子束刻蝕的加工步驟圖1現(xiàn)有未經(jīng)聚焦離子束刻蝕的典型的半導(dǎo)體激光二極管結(jié)構(gòu)示意圖；圖2用聚焦離子束誘導(dǎo)沉積鉑(Pt)金屬膜保護(hù)層；圖3在待加工一維光子晶體區(qū)域的條型結(jié)構(gòu)兩側(cè)用聚焦離子束刻蝕出兩個槽口；圖4用聚焦離子束刻蝕出半導(dǎo)體/空氣組合的一維光子晶體；圖5聚焦離子束刻蝕半導(dǎo)體/空氣組合的一維光子晶體樣品剖面示意圖；圖中標(biāo)記內(nèi)容如下1-外延襯底；2-n-型區(qū)；3-多量子阱有源層；4-p-型區(qū)；5-p-型歐姆接觸層；6-n-型歐姆接觸層；7-離子束誘導(dǎo)沉積的Pt保護(hù)層；8-聚焦離子束刻蝕的槽口；9-半導(dǎo)體/空氣一維光子晶體的深刻蝕空氣縫隙；D1-一維光子晶體中的半導(dǎo)體層D2-一維光子晶體中刻蝕的空氣縫隙。
具體實施例方式
下面參照本發(fā)明的附圖，更詳細(xì)的描述出本發(fā)明的最佳實施例。
本實施方式中以中心波長在405nm的GaN激光器作為加工對象，用FIB技術(shù)制作一維光子晶體反射鏡面為最佳實例，對本發(fā)明進(jìn)行說明。
實例中所用的氮化物基激光二極管結(jié)構(gòu)為典型的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，如圖1所示，值得指出，圖1的結(jié)構(gòu)也可以其它結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體樣品來代替，即采用本項發(fā)明以聚焦離子束刻蝕技術(shù)在其它半導(dǎo)體樣品上同樣實現(xiàn)深刻蝕的一維光子晶體。半導(dǎo)體激光二極管芯的外延多層結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)的“分別限制”結(jié)構(gòu)，由金屬有機(jī)化合物氣相沉積(MOCVD)技術(shù)生長而成，其發(fā)光的有源層由多量子阱組成，有源層夾在P型和N型層的中間，并且分別具有正負(fù)兩個電注入接點區(qū)域，發(fā)光區(qū)為條形結(jié)構(gòu)，所述條形結(jié)構(gòu)可以是波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的氧化條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或脊條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。條形的寬度為2至20微米或更寬。通過常規(guī)的半導(dǎo)體微加工工藝制作出分立管芯的芯片。
考慮中心波長在405nm的GaN激光器，設(shè)計加工的一維光子晶體為空氣/半導(dǎo)體(DBR)，考慮到當(dāng)DBR周期數(shù)大于3時，反射率已大于99％。所以對于405nm的器件我們將DBR的對數(shù)選為3個周期。同時注意到半導(dǎo)體層或空氣隙的尺度會因加工過程中的一些不穩(wěn)定因素發(fā)生漲落，在考慮反射率大于90％的情況下，半導(dǎo)體層或刻蝕溝槽即空氣隙的加工容差可以在設(shè)定尺寸左右變化約20-30nm。
下面為加工激光器一維光子晶體諧振腔鏡面的詳細(xì)過程及步驟1)設(shè)計和計算半導(dǎo)體/空氣一維光子晶體結(jié)構(gòu)的具體尺寸參數(shù)和加工的容差，為FIB刻蝕條件的選擇提供依據(jù)；2)確保加工對象在樣品臺上有良好的電接觸和機(jī)械穩(wěn)定性，以防樣品因充放電和機(jī)械漂移給加工精度帶來影響；3)如圖3所示，在待加工的區(qū)域先用聚焦離子束誘導(dǎo)沉積大小和厚度適當(dāng)?shù)你K(Pt)金屬薄膜保護(hù)層，以保證刻蝕側(cè)壁的平整度要求；
4)在一維光子晶體結(jié)構(gòu)加工區(qū)的條型結(jié)構(gòu)兩側(cè)開適當(dāng)大小和深度的槽口，以避免刻蝕過程聚焦離子束引起的反沉積現(xiàn)象，獲得更好的深寬比和刻蝕側(cè)壁的垂直度；5)在待加工一維光子晶體區(qū)域選擇適當(dāng)?shù)姆糯蟊稊?shù)并生成刻蝕圖形，以提高圖形生成精度；6)通過選擇合適的離子束束流，聚焦、消像散，獲得好的離子束探針，以保證刻蝕精度；7)如圖4所示為用聚焦離子束刻蝕出半導(dǎo)體/空氣組合的一維光子晶體，根據(jù)情況可采用一次法(一次刻蝕成型)或兩次法(兩次刻蝕成型)刻出半導(dǎo)體/空氣組合的一維光子晶體?？涛g的尺寸和精度由1)中計算確定，刻蝕深度由激光二極管外延結(jié)構(gòu)決定，以深達(dá)n區(qū)限制層以下為宜；圖5所示為聚焦離子束刻蝕半導(dǎo)體/空氣組合的一維光子晶體樣品剖面示意圖；8)通過對加工的圖形原位觀察，做適當(dāng)?shù)男薷模?)通入金屬增強(qiáng)刻蝕氣體，選擇合適的離子束束流對加工區(qū)做后處理，以減小損傷層和清除刻蝕反沉積物質(zhì)。
本發(fā)明的積極效果光子晶體是折射率在波長尺度范圍內(nèi)發(fā)生周期性變化從而使色散關(guān)系發(fā)生改變、可產(chǎn)生光子帶隙的具有微結(jié)構(gòu)的材料。理論和實驗證實，人們可利用光子晶體微結(jié)構(gòu)來操縱光波，因此借助基于光子晶體概念的微納米光子學(xué)及器件應(yīng)用展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景。由半導(dǎo)體/空氣交替結(jié)構(gòu)組成的一維周期性光子晶體，可形成各種分布布拉格光柵，比如可用于獲得微型高反射鏡、微型波導(dǎo)、微腔激光器及濾波器等。
傳統(tǒng)的(如GaAs或InP基材料系)邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的諧振腔鏡面一般由自然解理面組成。但是其反射率取決于半導(dǎo)體材料的折射率，這樣，GaAs或InP基的自然解理鏡面反射率理論極限值約為30％，而GaN基僅為18％。為此，在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體邊發(fā)射激光器制備工藝中一般采用先制備出自然解理的諧振腔鏡面，再通過蒸鍍多層介質(zhì)薄膜來提高鏡面的反射率，這樣的制備方法步驟多，工藝繁復(fù)，而且只能制備分立的激光器，無法實現(xiàn)半導(dǎo)體激光器的光集成。顯然，采用半導(dǎo)體/空氣一維周期性光子晶體來充當(dāng)激光器諧振腔鏡面，顯示了明顯的優(yōu)越性可一次性同時替代腔鏡解理和多層膜蒸鍍的研制工序；不僅如此，它也是使現(xiàn)有的分立的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器實現(xiàn)光集成的必由技術(shù)途徑。
由于需要深亞微米的刻蝕，現(xiàn)有的半導(dǎo)體/空氣一維周期性光子晶體的技術(shù)方案主要采用電子束曝光和干法刻蝕相結(jié)合的微加工技術(shù)來實現(xiàn)，其制備工序繁復(fù)、周期長、技術(shù)難度大。采用了聚焦離子束刻蝕技術(shù)免除了繁復(fù)的工序，一次性快速靈活地完成了光子晶體的制備體現(xiàn)無可比擬的優(yōu)越性。
本發(fā)明的主要優(yōu)點本發(fā)明以先進(jìn)的聚焦離子束刻蝕技術(shù)工藝一次性代替了傳統(tǒng)的自然腔鏡面的解理和多層介質(zhì)薄膜的蒸鍍多次步驟，得到高反射率的諧振腔鏡面。既得到了較高反射率的鏡面又簡化了工藝步驟。具體而言1)制備方法簡單易行。一次完成了多個步驟所需達(dá)到的效果，簡化了工藝步驟；2)尤其是解決了藍(lán)寶石襯底上生長的GaN基激光器的諧振腔鏡面制作的難點；3)可用于制作GaN基激光器的集成光路；4)本發(fā)明的方法不僅適用于GaN基激光二極管，而且也可用于其它各種波段和材料系的半導(dǎo)體激光二極管及其微型光柵和集成光路的制作、研究和生產(chǎn)。
因此本發(fā)明提出的方法具有積極的效果。為FIB技術(shù)研制和實現(xiàn)周期小至亞微米尺度的深刻蝕的半導(dǎo)體/空氣一維光子晶體方面提供了工藝步驟簡單和現(xiàn)實可行的先進(jìn)、高效的制造方法。
盡管為說明目的公開了本發(fā)明的最佳實施例和附圖，其實在用FIB研制不同材料系的半導(dǎo)體/空氣一維光子晶體中，由于刻蝕出具有高深寬比、側(cè)壁垂直和平整的溝槽的一維光子晶體的技術(shù)難度最大，本項發(fā)明當(dāng)然也適用于不能同時滿足上述要求的任何光柵的制作；由于GaN發(fā)光波長最短，要求加工的光子晶體尺度最小，因而GaN基的光子晶體的制作難度最大，我們也已同時采用本發(fā)明的技術(shù)成功實現(xiàn)了波長較長的紅光波段InGaAlP系一維光子晶體，并用于紅光InGaAlP半導(dǎo)體激光器腔鏡面的研制，當(dāng)然也適用于波長更長的紅外波段的半導(dǎo)體光子晶體的研制。所以本領(lǐng)域的技術(shù)人員有必要指出在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換、變化和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于最佳實施例和附圖所公開的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種基于聚焦離子束技術(shù)深刻蝕一維光子晶體的方法，具體包括以下三個步驟1)計算和設(shè)計具有一維光子晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體/空氣布拉格光柵的具體尺寸和容差要求，為FIB加工條件的選擇提供依據(jù)；2)對所需加工的半導(dǎo)體樣品進(jìn)行加工前處理準(zhǔn)備；3)根據(jù)加工要求確定合適的FIB加工條件并設(shè)計出合理的加工次序進(jìn)行加工；這包括離子束束流大小的選擇；沉積保護(hù)層材料及厚度的選擇；輔助刻蝕槽的設(shè)計和加工；放大倍數(shù)的選擇及刻蝕圖形的設(shè)計；半導(dǎo)體/空氣結(jié)構(gòu)成型的刻蝕條件及刻蝕后處理方法。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聚焦離子束技術(shù)深刻蝕一維光子晶體的方法，其特征在于，對所需加工的半導(dǎo)體樣品進(jìn)行加工前處理準(zhǔn)備具體為電接觸和機(jī)械穩(wěn)定性方面的處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聚焦離子束技術(shù)深刻蝕一維光子晶體的方法，其特征在于離子束束流大小的選擇具體根據(jù)一維光子晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體/空氣反射鏡的具體尺寸和容差要求決定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聚焦離子束技術(shù)深刻蝕一維光子晶體的方法，其特征在于，沉積保護(hù)層材料及厚度的選擇具體為在待加工的區(qū)域先用聚焦離子束誘導(dǎo)沉積大小和厚度適當(dāng)?shù)你K(Pt)金屬薄膜保護(hù)層，以保證刻蝕側(cè)壁的平整度要求。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聚焦離子束技術(shù)深刻蝕一維光子晶體的方法，其特征在于，輔助刻蝕槽的設(shè)計和加工具體為在一維光子晶體結(jié)構(gòu)加工區(qū)的條型結(jié)構(gòu)兩側(cè)開適當(dāng)大小和深度的槽口，以避免刻蝕過程聚焦離子束引起的反沉積現(xiàn)象，獲得更好的深寬比和刻蝕側(cè)壁的垂直度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聚焦離子束技術(shù)深刻蝕一維光子晶體的方法，其特征在于，通過選擇合適的離子束束流，聚焦、消像散，獲得好的離子束探針，以保證刻蝕精度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聚焦離子束技術(shù)深刻蝕一維光子晶體的方法，其特征在于，刻蝕后進(jìn)一步如下處理通過對加工的圖形原位觀察，做適當(dāng)?shù)男薷模煌ㄈ虢饘僭鰪?qiáng)刻蝕氣體，選擇合適的離子束束流對加工區(qū)做后處理，以減小損傷層和清除刻蝕反沉積物質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明在使用先進(jìn)的聚焦離子束刻蝕技術(shù)加工GaN基激光器諧振腔鏡面的工藝中提出了一種簡潔、快速、有效的工藝步驟和方法，它包括以下三個主要步驟計算和設(shè)計具有一維光子晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體/空氣(DBR)反射鏡的具體尺寸和容差要求，為FIB加工條件的選擇提供依據(jù)；對所需加工的半導(dǎo)體激光二極管進(jìn)行加工前處理準(zhǔn)備。包括電接觸和機(jī)械穩(wěn)定性等方面的處理；根據(jù)加工要求確定合適的FIB加工條件并設(shè)計出合理的加工次序進(jìn)行加工。這包括離子束束流大小的選擇；沉積保護(hù)層材料及厚度的選擇；輔助刻蝕槽的設(shè)計和加工；放大倍數(shù)的選擇及刻蝕圖形的設(shè)計；半導(dǎo)體/空氣(DBR)結(jié)構(gòu)成型的刻蝕條件及刻蝕后處理方法等。
文檔編號H01S5/00GK1983509SQ200510126469
公開日2007年6月20日 申請日期2005年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月13日
發(fā)明者徐軍, 章蓓, 張振生, 代濤 申請人:北京大學(xué)