三维光子限制光学微腔结构及其制备方法

摘要

本发明涉及半导体光电子光学领域，提供了一种三维光子限制光学微腔结构及其制备方法，其制备方法具体包括：提供硅衬底，利用光刻及刻蚀工艺在硅衬底上制备微米级的凹坑结构；在所述硅衬底的凹坑上沉积凹形布拉格反射器薄膜；提供用以进行光激发及光探测的光纤端面，将所述光纤端面置于凹形布拉格反射器薄膜的上方，即形成凹形布拉格反射器薄膜与光纤端面共同构成的三维光子限制光学微腔结构。通过该方法制备的三维光子限制光学微腔结构可以方便测量及分析，检测精度高，具有广泛应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电子信息及微腔量子光学，尤其涉及一种三维光子限制光学微腔结构及其制备方法。

背景技术

光学微腔是一种将光子限制在光波长尺度内的光学谐振结构。通常的光学微腔结构包括了法布里-佩罗微腔、基于耳语廊模式的微盘微腔、微球微腔和微环微腔、以及光子晶体或光子带隙微腔等。近年来，光学微腔已经在包括光子和通讯器件、腔量子电动力学和量子光学、非线性光学和混沌系统动力学、生物医药检测、微机械及光机械等领域取得了长足的进展。

从光学微腔的发展历史看，每当一种新型的高品质光学微腔结构出现，都会激起一系列相关物理及器件的研究。同时，根据Purcell效应，高品质因子和小模式体积是光学微腔调控原子自发辐射速率的关键参数，也是光学微腔设计所追求的目标。理论上，三维光子限制光学微腔，可以兼顾这些目标。但是从已有的研究看，微球微腔虽然能够实现三维光子限制，但其不易与芯片集成，且模式体积较大。

相关技术中的硅基光子微腔结构的制备方法包括：在制备好的凸起的图形衬底上淀积一维微腔结构（包含上下两个布拉格反射器和中间的缺陷层），由于共形生长的效果，形成对微腔中缺陷层（或有源层）三维限制的效果。然而，在实际应用过程中，尤其是在生物化学传感领域应用的过程中，并不容易在结构表面上修饰样品，并进行测量；同时由于这一结构将光场限制在其中心位置，并非在其表面，导致其检测结果不精确，效果不明显。

因此，有必要提出一种新的三维光子限制光学微腔结构及其制备方法来解决上述问题。

发明内容

本发明提供了一种方便测量及分析，检测精度高，具有广泛应用价值的三维光子限制光学微腔结构及其制备方法。

本发明采用如下技术方案：

一种三维光子限制光学微腔结构，其包括：设有凹坑的硅衬底、在凹坑中共形生长的硅基凹形布拉格反射器薄膜及置于所述凹形布拉格反射器薄膜上方，用以进行光激发和光测试的光纤端面。

一种三维光子限制光学微腔结构的制备方法，其方法包括：提供硅衬底，在硅衬底上制备微米级的凹坑结构；在所述硅衬底的凹坑上沉积布拉格反射器薄膜；提供用以进行光激发及光探测的光纤端面，将所述光纤端面置于布拉格反射器薄膜的上方。

优选的，所述凹坑设有底部及侧壁，在所述硅衬底的凹坑上沉积布拉格反射器薄膜后，所述凹坑的底部及侧壁均形成布拉格反射器结构。

优选的，将所述光纤端面垂直地置于布拉格反射器薄膜的正上方，并密封住所述凹坑的开口。

优选的，所述光纤端面置于布拉格反射器薄膜的上方之前还包括，将光纤端面直角切割及抛光处理。

优选的，在所述硅衬底上刻蚀的凹坑的横向尺寸为1μm～1000μm，纵向尺寸为1nm～200μm。

优选的，所述凹坑中生长布拉格反射器薄膜的厚度为λ×n_m /4，其中，λ为三维光子限制光学微腔结构的中心波长，n_m为薄膜在该波长处的折射率。

优选的，布拉格反射器薄膜由两种折射率不同的第一薄膜和第二薄膜交替淀积而构成，所述第一薄膜的材料为氧化硅，所述第二薄膜的材料为氮化硅。

优选的，布拉格反射器薄膜由两种折射率不同的第一薄膜和第二薄膜交替淀积而构成，所述薄膜采用氧化硅材料而制成，第一薄膜的氧含量及硅含量与第二薄膜的氧含量及硅含量不同。

优选的，布拉格反射器薄膜由两种折射率不同的第一薄膜和第二薄膜交替淀积而构成，所述薄膜采用氮化硅材料而制成，第一薄膜的氮含量及硅含量与第二薄膜的氮含量及硅含量不同。

本发明的优点在于: 本发明在衬底上制备凹形坑状结构，并在其上淀积布拉格反射器多层薄膜结构，结合测试光纤端面，形成对凹形结构中所注入样品的三维空间限制和光场限制。这一结构中可以很方便地引入多种样品，具有广泛的适应性，结合光纤测量技术，可以很方便的实现样品光谱测量，实现定性及定量分析。在半导体光电子信息、生物传感检测及微腔量子光学领域都有广泛的应用价值。由于整体器件结构制备过程与微电子CMOS工艺兼容，这一器件制作成本较低，易于产业化。

附图说明

图1为本发明三维光子限制光学微腔结构较佳实施例的剖面示意图；

图2(a)-(f)为本发明三维光子限制光学微腔结构的制备方法的较佳实施例的步骤示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，为本发明三维光子限制光学微腔结构的较佳实施例的剖面图，三维光子限制光学微腔结构10包括设有凹坑110的硅衬底11，在凹坑110中沉积有硅基凹形布拉格反射器薄膜12及置于所述凹形布拉格反射器薄膜12上方，用以进行光激发和光测试的光纤端面13，其中，布拉格反射器薄膜12由第一薄膜121和第二薄膜122两种折射率不同的材料交替淀积而构成。优选的，所述第一薄膜121由氧化硅制成，第二薄膜122由氮化硅制成。当然，第一薄膜121和第二薄膜122也可以均采用氧化硅制成，即调节两种薄膜中氧化硅的氧含量和硅含量，使得第一薄膜121的氧含量和硅含量不同于第二薄膜122的氧含量和硅含量；同理，第一薄膜121和第二薄膜122也可以均采用氮化硅制成，方法与氧化硅相同。这样，就可以保证第一薄膜121和第二薄膜122的折射率不同，从而在凹坑110内交替沉积而形成所需的布拉格反射器薄膜12。

如图2所示，为本发明三维光子限制光学微腔结构制备方法的较佳实施例的步骤示意图，该方法包括如下步骤：

步骤001：参照图2（a）至图2（d），提供硅衬底11，在硅衬底11的两端设置掩膜102，对未设掩膜102的部位用光刻技术及刻蚀工艺，刻蚀出微米级的凹坑110，其中，硅衬底11设有上表面103及与上表面103相对的下表面104，所述凹坑110自上表面103向下表面104延伸而成，且其包括与上表面103相连的侧壁105及与侧壁105相连的底部106，在本实施例中，刻蚀工艺干法刻蚀，当然，也可以采用湿法刻蚀；

步骤002：参照图2（e），在硅衬底11的凹坑110上利用薄膜淀积的工艺沉积出硅基凹形布拉格反射器薄膜12，该布拉格反射器薄膜12的沉积范围包括硅衬底11的上表面103、凹坑110的侧壁105及底部106，且布拉格反射器薄膜12由两种折射率不同的材料交替淀积而构成，检测时，需将待测物品放入布拉格反射器薄膜12中；

步骤003：参照图2（f），提供用以进行光激发及光探测的光纤端面13，对该光纤端面13进行直角切割及抛光处理，将光纤端面13靠近硅衬底11的上表面103移动，并垂直地置于凹形布拉格反射器薄膜的正上方，以封住凹坑110的开口，即可最终形成凹形布拉格反射器薄膜与光纤端面共同构成的三维光子限制光学微腔结构。在本步骤中，光纤切割，可通过光纤切割刀完成，端面抛光可用光纤抛光薄膜完成。

在本实施例中，在所述硅衬底上刻蚀的凹坑的横向尺寸为1μm～1000μm，纵向尺寸为1nm～200μm。凹坑中生长布拉格反射器薄膜的厚度为λ×n_m /4，其中，λ为三维光子限制光学微腔结构的中心波长，n_m为薄膜在该波长处的折射率。

优选的，步骤001中的光刻技术通过紫外光刻机完成，光刻条件为：光刻模式：Hard模式；曝光时间：4.5秒至7秒；显影时间：30秒至50秒。

优选的，步骤001中，干法刻蚀的条件为：刻蚀气源包括：SF₆、O_2、、C₄F₈其流量分别为：20sccm至30sccm、20sccm至50sccm、20sccm至50sccm；刻蚀功率为400W至1000W；射频功率为40W至70W；反应腔压力为4 mTorr至10 mTorr（毫托）；刻蚀时间为4分钟至10分钟。刻蚀完毕后，用丙酮、异丙酮超生5钟分至10分钟去除掩膜材料光刻胶。若采用湿法刻蚀工艺，则可以应用氢氟酸、硝酸及二者的混合液，或氢氧化钾溶液等。 

优选的，步骤002的薄膜淀积可以通过增强等离子体化学气相沉积（PECVD）技术、或低压化学气相沉积（LPCVD）技术、或电子束蒸发、或溅射等方法实现。以淀积氧化硅薄膜的PECVD工艺为例，薄膜生长条件如下：功率源频率为13.56MHz，基片温度为350℃，工作气压为2000mTorr；气源为：SiH₄、N₂O、Ar；通过调节不同气源间的比例、沉积气压、沉积时间可以调节薄膜的折射率和厚度。通过在步骤001所得的凹坑中交替沉积高低折射率且光程为1/4设计波长的硅基薄膜，可以得到布拉格反射器结构。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。