专利名称：高反射率高带宽的亚波长光栅反射镜的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体光电子器件技术领域，尤其涉及一种高反射率高带宽的亚波长 光栅反射镜的制作方法。
背景技术：
高反射率高带宽的反射镜在半导体光电器件中具有重要的应用，它是构建激光谐 振腔的必备元素。金属反射镜具有非常高的反射带宽，但是吸收损耗限制了它的应用。目前 布拉格反射镜作为一种高反射率反射镜，广泛应用于垂直腔面发射激光器中。由于布拉格 反射镜的反射率和带宽依赖于两种组成材料的折射率和每层厚度控制的精度。两种组成材 料的折射率差越大，布拉格反射镜的反射率和带宽越大。考虑到材料生长过程中晶格匹配 因素，组成布拉格反射镜的两种材料的折射率差通常比较小，因此布拉格反射镜需要25-40 对才能达到足够高的反射率，厚度高达数微米，而且反射带宽只有3-9%，同时对材料生长 控制提出了巨大的挑战。对于蓝绿光和远红外波段，布拉格反射镜的设计和生长更为困难。 特别是在可调谐垂直腔面发射激光器中，高反射带宽、高反射率和低损耗的反射镜尤为重 要。由于布拉格反射镜有诸如反射率不高、反射带宽窄、不紧凑等不足，2004年人 们提出了一种微型高反射率高反射带宽的高折射率差的亚波长光栅，如文献“Carlos F. R.Mateus，et al.，IEEE Photonics TechnologyLetters, 2004 (16) :1676”所报道。这禾中 高折射率差的亚波长光栅厚度只有百纳米量级，高反射率带宽达到35%，完全可以代替布 拉格反射镜用于垂直腔面发射激光器中。2007年，加州大学Berkeley分校Chang-Hasnain 小组实验报道了他们采用高折射率差的亚波长光栅构成的垂直腔面发射激光器实现了单 模激射，验证了高折射率差的亚波长光栅完全可以代替布拉格反射镜构建激光谐振腔。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种高反射率高带宽的亚波长光栅反射镜 的制作方法，这种亚波长光栅反射镜具有高反射率高带宽，厚度只有百纳米量级，可以代替 布拉格反射镜用于构建激光谐振腔。为达到上述目的，本发明提供一种高反射率高带宽的亚波长光栅反射镜的制作方 法，包括如下步骤步骤1 取一衬底；步骤2 在该衬底上依次生长材料层、介质层和金属层，在介质层和金属层界面处 能够激发表面等离子体模式；步骤3 采用感应耦合等离子体刻蚀的方法或者剥离技术，依次将金属层、介质层 和材料层刻蚀，形成周期性的条形光栅结构，完成器件的制作。其中所述周期性的条形光栅结构的刻蚀深度到衬底的表面。其中所述的周期性的条形光栅结构的周期小于工作波长，只有0级衍射发生。
其中所述衬底的材料为空气或者低折射率介质材料。所述低折射率介质材料的衬底为二氧化硅、氧化镁、氧化铝、氮化硅或氟化镁。其中所述材料层为硅、砷化镓、砷化铝镓或磷化铟。其中所述介质层的材料为二氧化硅、氮化硅或氟化镁。其中所述金属层的材料为金、银、铝或铜。其中所述的亚波长光栅反射镜的工作波长覆盖深紫外到远红外波段。从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果1、本发明提供的这种高反射率高带宽的亚波长光栅反射镜，只有百纳米量级厚 度，非常微型紧凑，易于和其他光电器件集成，并且制作工艺和半导体工艺兼容。2、本发明提供的这种高反射率高带宽的亚波长光栅反射镜，具有高带宽高反射 率，可以代替布拉格反射镜构建激光谐振腔，解决了布拉格反射镜材料选择及其生长难题。3、本发明提供的这种高反射率高带宽的亚波长光栅反射镜，和高折射率差的亚波 长光栅相比，具有更高反射率、更高反射带宽。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明，其中图1为本发明提供的这种高反射率高带宽的亚波长光栅反射镜的结构示意图。图 中ζ坐标方向代表垂直方向；x、y坐标方向代表水平方向。图2为本发明第一个实例提供的这种高反射率高带宽的亚波长光栅反射镜的 TM(电场平行χ方向)偏振光的反射率-波长曲线。图3为本发明第一个实例提供的这种高反射率高带宽的亚波长光栅反射镜的 TE (电场平行y方向)偏振光的反射率-波长曲线。图中，1为衬底，2为材料层，3为介质层，4为金属层。
具体实施例方式如图1所示，本发明提供一种高反射率高带宽的亚波长光栅反射镜的制作方法， 包括如下步骤步骤1 取一衬底1，所述衬底1的材料为空气或者低折射率介质材料；步骤2 在该衬底1上依次生长材料层2、介质层3和金属层4 ；所述结构在在介质 层3和金属层4界面处能够激发表面等离子体模式，这种表面等离子模式能够增强反射；所 述材料层2为硅、砷化镓、砷化铝镓或磷化铟；所述介质层3的材料为二氧化硅、氮化硅或氟 化镁；所述金属层4的材料为金、银、铝或铜；步骤3 采用感应耦合等离子体刻蚀的方法或剥离技术，依次将金属层4、介质层 3和材料层2刻蚀直到衬底1，形成周期性的条形光栅结构，完成器件的制作；所述总刻蚀 深度为金属层4、介质层3和材料层2三层厚度的总和；所述结构在横向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。所述的周期性的条形光栅结构的周期小于工作波长，只有0级衍射发生；所述的 亚波长光栅反射镜的工作波长覆盖深紫外到远红外波段。
基于图1这种高反射率高带宽的亚波长光栅反射镜，以下结合具体的实施例对本 发明提供的这种高反射率高带宽的亚波长光栅反射镜作进一步详细说明。实施例一本实例的这种高反射率高带宽的亚波长光栅反射镜，其衬底1为空气(折射率为 1)；材料层2为Ala6Giia4As (折射率为3. 2)，厚度为235nm ；介质层3为二氧化硅(折射率 为1. 47)厚度为400nm ；金属层4为金，厚度为IOOnm ；亚波长光栅的周期为380nm，条宽为 250nmo本实例的测量结果如图2和图3所示。图2是依照本发明第一个实例提供的这种 高反射率高带宽的亚波长光栅反射镜的理论计算得到的TM(电场平行χ方向)偏振光的 反射率-波长曲线，带宽Δ λ/λ为19. 7% (> 99. 5%，Δ λ为150nm，λ为780nm)。图 3是依照本发明第一个实例提供的这种高反射率高带宽的亚波长光栅反射镜的理论计算得 到的TE(电场平行y方向)偏振光的反射率-波长曲线，它在所关注波长范围内的反射率 都超过了 95%。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
权利要求
1.一种高反射率高带宽的亚波长光栅反射镜的制作方法，包括如下步骤步骤1 取一衬底；步骤2 在该衬底上依次生长材料层、介质层和金属层，在介质层和金属层界面处能够 激发表面等离子体模式；步骤3 采用感应耦合等离子体刻蚀的方法或者剥离技术，依次将金属层、介质层和材 料层刻蚀，形成周期性的条形光栅结构，完成器件的制作。
2.根据权利要求1所述的高反射率高带宽的亚波长光栅反射镜的制作方法，其中所述 周期性的条形光栅结构的刻蚀深度到衬底的表面。
3.根据权利要求1所述的高反射率高带宽的亚波长光栅反射镜的制作方法，其中所述 的周期性的条形光栅结构的周期小于工作波长，只有0级衍射发生。
4.根据权利要求1所述的高反射率高带宽的亚波长光栅反射镜的制作方法，其中所述 衬底的材料为空气或者低折射率介质材料。
5.根据权利要求4所述的微高反射率高带宽的亚波长光栅反射镜的制作方法，其中所 述低折射率介质材料的衬底为二氧化硅、氧化镁、氧化铝、氮化硅或氟化镁。
6.根据权利要求1所述的高反射率高带宽的亚波长光栅反射镜的制作方法，其中所述 材料层为硅、砷化镓、砷化铝镓或磷化铟。
7.根据权利要求1所述的高反射率高带宽的亚波长光栅反射镜的制作方法，其中所述 介质层的材料为二氧化硅、氮化硅或氟化镁。
8.根据权利要求1所述的高反射率高带宽的亚波长光栅反射镜的制作方法，其中所述 金属层的材料为金、银、铝或铜。
9.根据权利要求1所述的高反射率高带宽的亚波长光栅反射镜的制作方法，其中所述 的亚波长光栅反射镜的工作波长覆盖深紫外到远红外波段。
全文摘要
本发明提供一种高反射率高带宽的亚波长光栅反射镜的制作方法，包括如下步骤步骤1取一衬底；步骤2在该衬底上依次生长材料层、介质层和金属层，在介质层和金属层界面处能够激发表面等离子体模式；步骤3采用感应耦合等离子体刻蚀的方法或者剥离技术，依次将金属层、介质层和材料层刻蚀，形成周期性的条形光栅结构，完成器件的制作。
文档编号G02B5/18GK102109625SQ20111004996
公开日2011年6月29日 申请日期2011年3月2日 优先权日2011年3月2日
发明者付非亚, 刘安金, 周文君, 王宇飞, 郑婉华, 陈微 申请人:中国科学院半导体研究所