边发射激光传感芯片及其制备方法与流程

本发明涉及激光传感芯片，具体涉及边发射激光传感芯片及其制备方法。

背景技术：

1、激光传感芯片技术在测量未知液体折射率方面具有高灵敏度和高精度的优势，适用于多种生物化学传感领域。激光传感芯片测量未知液体折射率的技术主要依赖于光纤激光传感系统与表面等离子体共振（spr）效应或局域表面等离子共振（lspr）相结合。

2、基于光纤激光传感系统的生物化学检测由于需要在激光器芯片的上表面进行，因此激光器芯片多为vcsel（vertical-cavity surface-emitting laser，垂直腔面发射激光器），可靠性和稳定性较高。但是采用vcsel结构作为构建基础时，为保证良好的输出光束特性，有源层工作面积必须限制在较小的孔径内，所以导致激光输出功率较低，检测效果受限。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种边发射激光传感芯片及其制备方法，以解决现有边发射激光传感芯片难以兼顾集成度和激光检测效果的问题。

2、第一方面，本发明提供了一种边发射激光传感芯片的制备方法，包括：

3、形成外延结构，外延结构包括层叠设置的衬底层、下包层、下波导层、有源层、上波导层、上包层和盖层，有源层用于产生激光；

4、在外延结构上形成沿第一方向间隔的第一沟槽和第二沟槽，第一沟槽和第二沟槽由盖层延伸至上波导层，且第一沟槽和第二沟槽之间形成脊结构，脊结构包括沿第二方向依次设置的单模过滤区、功率放大区和功能区，第一方向和第二方向相互垂直；

5、在盖层远离衬底层的一侧表面形成绝缘层，绝缘层包括沿第一方向间隔设置的第一开口和第二开口，第一开口至少露出脊结构的单模过滤区和功率放大区的部分表面，以形成电流注入表面；第二开口露出脊结构的功能区的部分表面，第一开口和第二开口之间的功能区的表面形成传感表面；

6、在功能区内形成斜沟槽，斜沟槽由第二开口延伸到至少穿过有源层，以使斜沟槽的侧壁面将有源层内沿第二方向传播的激光反射至传感表面出射；

7、在传感表面的绝缘层上形成纳米传感结构，纳米传感结构适于承载待检测物质。

8、有益效果：本发明的边发射激光传感芯片的制备方法，通过在外延结构的脊结构内本体成型斜沟槽，改变激光传感芯片内原有的激光光路，将在有源层内水平激射的激光转变为朝向外延结构表面的传感表面的激光，实现侧壁出光到垂直腔面出光的光路变化，且一体外延结构内成型，集成度高，可通用常规激光器制备的工艺路线，无需复杂的光路和封装系统，有助于进一步实现激光检测的小型化、低成本和可重复利用。更进一步地，在传感表面上设置纳米传感结构，利用表面等离子共振模式和局域表面等离子体共振模式，在纳米传感结构中激发多种耦合模式。当在纳米传感结构上放置不同折射率的某种待检测物质时，通过纳米传感结构的主导耦合模式的变化，得到变化的激光的光谱吸收，从而得到关于波长的偏移量，通过偏移量可以建立该待检测物质的折射率和波长偏移之间的关系，从而可以实现未知待检测物质的折射率的获取，这种检测方式适用范围广且检测简单高效。

9、在一种可选的实施方式中，斜沟槽的延伸方向与传感表面之间的夹角为45°。

10、有益效果：通过设置斜向45°的斜沟槽，能够将在有源层内水平激射的激光转化为竖直向上的激光，有助于简化竖直向上的激光光程的计算，进而简化传感表面上面各结构层的制备，保证出射到纳米传感结构各处的激光的一致性以及输出功率。

11、在一种可选的实施方式中，在功能区内形成斜沟槽的步骤中，采用反应离子束刻蚀法由第二开口朝向功能区内刻蚀，以形成与传感表面之间夹角为45°的斜沟槽；反应离子束刻蚀法采用的刻蚀气体为氯气和氩气的混合气体，或者，四氯化碳和氩气的混合气体。

12、有益效果：采用反应离子束刻蚀法能够实现高蚀刻速率和各向异性，有助于形成清晰且轮廓分明的侧壁面，且离子轰击可以更好地控制蚀刻方向，便于精准控制斜面倾斜角度；此外，采用惰性气体作为辅助的刻蚀气体，能够提高刻蚀的稳定性，避免对外延结构产生不必要的损伤。

13、在一种可选的实施方式中，在盖层远离衬底层的一侧表面形成绝缘层的步骤中，通过反应离子束刻蚀法刻蚀部分的绝缘层，以在绝缘层上形成第一开口和第二开口；刻蚀绝缘层的刻蚀速率和刻蚀外延结构的刻蚀速率的比值大于10:1。

14、有益效果：刻蚀形成斜沟槽和刻蚀绝缘层均采用反应离子束刻蚀法，且设置刻蚀绝缘层的氮化硅材料与刻蚀功能区的gaas/aigaas体系，二者之间的刻蚀速率的比值大于10:1，通过调节物理和化学刻蚀占比让斜沟槽的侧壁光滑，与物理解理的谐振面可比拟。

15、在一种可选的实施方式中，绝缘层的光学厚度为激光的半波长的整数倍，绝缘层的光学厚度为绝缘层的膜层厚度与绝缘层的折射率的乘积。

16、有益效果：通过设置绝缘层的厚度为激光的半波长的整数倍，实现对绝缘层厚度的控制精准，保证在45°斜沟槽作用下有水平激射转变为竖直向上激射的激光在通过绝缘层出射时，绝缘层的厚度不会影响激光的强度和相位，保证激光的出射一致性和输出功率。

17、在一种可选的实施方式中，纳米传感结构包括：层叠设置的第一金属层、介电间隔层和第二金属层，第一金属层靠近绝缘层设置；第二金属层包括多个纳米金属柱形成的光栅结构。

18、有益效果：第一方面，放置在介电间隔层上的多个纳米金属柱组成的二维周期光栅组成传感部分，介电间隔层和纳米金属柱都放置在第一金属层这层薄金属膜上，进而能在第一金属层上产生spr模式。第二方面，本发明这样的纳米传感结构包括：在顶层的第二金属层的光栅结构中激发的lspr模式、光栅结构与介电间隔层的界面处激发的lspr模式、以及在介电间隔层两侧的第一金属层和第二金属层之间的fabry-perot（法布里-珀罗干涉模式）模式。上述的多种模式能够使得不同的待检测物质会在激光波长下产生不同的光吸收变化，进而完成高精度的灵敏检测。第三方面，本发明的纳米传感结构设计为在吸收光谱中至少有两个峰，在反射光谱中相应有两个反峰，使得上述检测时的这些共振发生在lspr和spr模态的共振频率上，能够对应波长为750nm和944nm。

19、在一种可选的实施方式中，第二金属层的多个纳米金属柱呈阵列排布，纳米金属柱为边长为200nm，高度为30nm的正方形柱；相邻的纳米金属柱之间的间距为200nm。

20、有益效果：设置多个阵列排布的纳米金属柱，保证光栅结构进行激光检测的全面性很精准性。

21、在一种可选的实施方式中，第一金属层的厚度为30nm，介电间隔层的厚度为40nm，第二金属层的厚度为35nm。

22、有益效果：精准控制纳米传感结构的厚度，有助于实现对于确定波长的激光传感芯片的激光检测。

23、在一种可选的实施方式中，沿外延结构的第二方向，脊结构中的单模过滤区、功率放大区和功能区的长度的比例关系为3:3:4。

24、有益效果：通过限定和区域的长度的比例，一方面可以有效保证各个区域配合，实现较高输出功率的激光输出，进一步提高集成度；另一方面，便于在比例前提下调节沿第二方向的各部分的具体长度，工艺参数自由度高，不用受限于检测激光的强度、光谱等参数要求。

25、在一种可选的实施方式中，单模过滤区在第一方向上的宽度尺寸小于功能区在第一方向上的宽度尺寸；由单模过滤区一侧朝向功能区的一侧的方向上，功率放大区在第一方向上的宽度尺寸逐渐增大。

26、有益效果：通过设置横向尺寸保证各部分的功能，提高整体对激光出射的增强效果。

27、在一种可选的实施方式中，单模过滤区在第一方向上的宽度尺寸为4μm，功能区在第一方向上的宽度尺寸为7μm，功率放大区在外延结构的表面上的投影面为等边梯形。

28、有益效果：设置单模过滤区在第一方向上的宽度为4μm，设置功能区在第一方向上的宽度尺寸为7μm，则功率放大区为短边为4μm、长边为7μm的等边梯形。单模过滤区处通过限制横向尺寸4μm来产生750nm单模；但因为横向尺寸过小会影响单模输出功率不足，因此在中间衔接功率放大区，单模经过功率放大区后会实现功率的放大，方便后续激光传感的信号调节；最右边的功能区由于横向尺寸7μm也是允许多个模式存在的，所以经过功率放大区的激光会在该区域继续进行功率放大，最终实现激光的高效输出。

29、在一种可选的实施方式中，第一沟槽的侧壁和第二沟槽的侧壁与外延结构的表面法向之间的夹角的范围为1°~2°。

30、有益效果：尽可能保证脊结构的侧壁面接近垂直，以降低光子损耗，促进激光高效输出。

31、在一种可选的实施方式中，在功能区内形成斜沟槽之后，且在传感表面的绝缘层上形成纳米传感结构之前，制备方法还包括：形成第一电极层，第一电极层至少覆盖第一开口露出的脊结构的表面。

32、有益效果：第一电极层通过绝缘层的第一开口与露出的脊结构的表面相接触，以便于后续在第一电极层上打线键合连接外部电源，在外延结构的脊结构处进行电流注入。

33、在一种可选的实施方式中，在功能区内形成斜沟槽之后，且在形成第一电极层之前，制备方法还包括：在绝缘层远离衬底层的一侧形成种子层，种子层覆盖传感表面之外的绝缘层的表面以及第一开口露出的脊结构的表面，第一电极层通过种子层与脊结构电连接。

34、有益效果：种子层有助于在脊结构表面形成欧姆接触，进而增强第一电极层的电流注入效果。

35、在一种可选的实施方式中，在传感表面的绝缘层上形成纳米传感结构之后，还包括：在衬底层背离有源层的一侧表面形成第二电极层。

36、有益效果：第一电极层和第二电极层适于分别连通外部电源的正负极，以在外延结构内的有源层内产生光子，进而形成激光出射。

37、在一种可选的实施方式中，在衬底层背离有源层的一侧表面形成第二电极层之后，还包括：在外延结构沿第二方向相对靠近单模过滤区的端面上形成高反膜层；高反膜层包括硅与氮化硅的复合结构。

38、有益效果：在第二方向上，在外延结构产生单模激光的单模过滤区的一端设置包括层叠设置的硅和氮化硅的高反膜层，硅直接接触外延结构的侧壁面，硅和氮化硅组成的高反膜层的反射率为96%，使得有源层产生的激光尽可能多地出射。

39、第二方面，本发明还提供一种边发射激光传感芯片，包括：外延结构、脊结构、绝缘层、斜沟槽和纳米传感结构，外延结构包括层叠设置的衬底层、下包层、下波导层、有源层、上波导层、上包层和盖层，有源层用于产生激光；脊结构沿第二方向形成于外延结构上，脊结构在第一方向上的两侧形成与脊结构连通的第一沟槽和第二沟槽，第一沟槽和第二沟槽由盖层延伸至上波导层，脊结构包括沿第二方向依次设置的单模过滤区、功率放大区和功能区，第一方向和第二方向相互垂直；绝缘层形成于盖层远离衬底层的一侧表面，绝缘层包括沿第一方向间隔设置的第一开口和第二开口，第一开口至少露出脊结构的单模过滤区和功率放大区的部分表面，以形成电流注入表面；第二开口露出脊结构的功能区的部分表面，第一开口和第二开口之间的功能区的表面形成传感表面；斜沟槽形成于在功能区内，斜沟槽由第二开口延伸到至少穿过有源层，斜沟槽的侧壁面适于将有源层内沿第二方向传播的激光反射至传感表面；纳米传感结构形成于传感表面的绝缘层上，纳米传感结构适于承载待检测物质。

40、有益效果：本发明的边发射激光传感芯片，斜沟槽一体成型于外延结构的脊结构内，能够改变激光传感芯片内原有的激光光路，将在有源层内水平激射的激光转变为朝向外延结构表面的传感表面的激光，实现侧壁出光到垂直腔面出光的光路变化，且一体外延结构内成型，集成度高，可通用常规激光器制备的工艺路线，无需复杂的光路和封装系统。更进一步地，在传感表面上设置纳米传感结构，利用表面等离子共振模式和局域表面等离子体共振模式，在纳米传感结构中激发多种耦合模式。当在纳米传感结构上放置不同折射率的某种待检测物质时，通过纳米传感结构的主导耦合模式的变化，得到变化的激光的光谱吸收，从而得到关于波长的偏移量，通过偏移量可以建立该待检测物质的折射率和波长偏移之间的关系，从而可以实现未知待检测物质的折射率的获取，这种检测方式适用范围广且检测简单高效。

41、在一种可选的实施方式中，还包括：种子层、第一电极层、第二电极层和高反膜层，种子层形成于绝缘层背离衬底层的一侧，种子层覆盖传感表面之外的绝缘层的表面以及第一开口露出的脊结构的表面；第一电极层形成于种子层上，以与脊结构电连接；第二电极层形成于衬底层背离有源层的一侧表面；高反膜层形成于外延结构沿第二方向相对靠近单模过滤区的端面上，高反膜层包括硅与氮化硅的复合结构。

42、有益效果：种子层有助于在脊结构表面形成欧姆接触，进而增强第一电极层的电流注入效果。在种子层上覆盖的第一电极层能够确保与外部激励连接后电流的输入范围，使得各处的电流最终快速进入到脊结构内而在有源层产生激光。第一电极层和第二电极层适于分别连通外部电源的正负极，以在外延结构内的有源层内产生光子，进而形成激光出射。硅和氮化硅组成的高反膜层的反射率高达96%，使得有源层产生的激光尽可能多地出射。