[發(fā)明專利]激光器及其形成方法、諧振腔及其形成方法

有效

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• 申請日: 2011-11-24
• 公開（公告）號: CN102496851A
• 公開（公告）日: 2012-06-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 唐文濤
• 申請（專利權(quán)）人: 上海宏力半導(dǎo)體制造有限公司
• 主分類號: H01S5/10
• 分類號: H01S5/10;H01S5/12
• 代理公司: 北京集佳知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11227
• 代理人: 駱蘇華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于激光器領(lǐng)域，尤其是涉及應(yīng)用在激光器內(nèi)的諧振腔，及包含此諧振腔的激光器，以及諧振腔和激光器的形成方法。

背景技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，激光器的材料、性能、應(yīng)用等都越來越豐富越廣泛，但其結(jié)構(gòu)一般包括以下三個(gè)部分：

1、激光工作介質(zhì)

激光的工作介質(zhì)是獲得激光的必要條件。它是可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生光的受激輻射放大作用的物質(zhì)體系。可以是氣體、液體、固體或半導(dǎo)體。現(xiàn)有工作介質(zhì)近千種，可產(chǎn)生的激光波長包括從真空紫外到遠(yuǎn)紅外。

2、激勵(lì)源

是指為使激光工作介質(zhì)實(shí)現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而提供能量來源的機(jī)構(gòu)或裝置。一般可以用氣體放電的辦法來利用具有動能的電子去激發(fā)介質(zhì)原子，稱為電激勵(lì)；也可用脈沖光源來照射工作介質(zhì)，稱為光激勵(lì)；還有熱激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)、核能激勵(lì)等。

3、光學(xué)諧振腔

所謂光學(xué)諧振腔，是使受激輻射在光學(xué)諧振腔內(nèi)得到多次反饋而形成激光振蕩的結(jié)構(gòu)。諧振腔的作用為：①提供光學(xué)反饋能力，使受激輻射光子在腔內(nèi)多次往返以形成相干的持續(xù)振蕩。通常是由組成腔的兩個(gè)反射鏡的幾何形狀(反射面曲率半徑)和相對組合方式所決定；②對腔內(nèi)往返振蕩光束的方向和頻率進(jìn)行限制，以保證輸出激光具有一定的定向性和單色性。是由給定共振腔型對腔內(nèi)不同行進(jìn)方向和不同頻率的光，具有不同的選擇性損耗特性所決定的。

諧振腔的作用是選擇頻率一定、方向一致的光作最優(yōu)先的放大，而把其它頻率和方向的光加以抑制。

對于一般的激光器來說，諧振腔通常由兩塊與工作介質(zhì)軸線垂直的平面或凹球面反射鏡構(gòu)成。其中一塊幾乎全反射，另一塊讓光大部分反射、少量透射出去，以使激光可透過這塊鏡子而透射出，成為可利用的激光，而反射部分留在腔內(nèi)繼續(xù)增殖光子。

對于半導(dǎo)體器件級別激光器來說，諧振腔是由半導(dǎo)體晶體的自然解理面作為反射鏡形成的，通常在不出光的那一端鍍上高反多層介質(zhì)膜，如金屬膜，以增加反射率，而出光面鍍上減反膜，以減小反射率增大透光度。如半導(dǎo)體激光器的諧振腔就是利用與p-n結(jié)平面相垂直的自然解理面(110面)構(gòu)成，它有35％的反射率，已足以引起激光振蕩。若需增加反射率可在晶面上鍍一層二氧化硅，再鍍一層金屬銀膜，可獲得95％以上的反射率。

傳統(tǒng)諧振腔無法實(shí)現(xiàn)激光器與光波導(dǎo)在同一平面的整合，嚴(yán)重影響光的使用效率，并且對光電器件的進(jìn)一步整合起到阻礙作用，使得現(xiàn)有技術(shù)很難將半導(dǎo)體激光器直接應(yīng)用于半導(dǎo)體制造領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述問題，本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種激光器，包括：

工作介質(zhì)區(qū)域；

諧振腔，包括分別緊鄰所述工作介質(zhì)區(qū)域的相對兩側(cè)的兩個(gè)類光柵結(jié)構(gòu)，每一類光柵結(jié)構(gòu)由相鄰的單位厚度的第一介質(zhì)與單位厚度的第二介質(zhì)構(gòu)成的子單元周期性重復(fù)排布而成，其排布方向與預(yù)設(shè)的激光傳出方向一致，其中第一介質(zhì)和第二介質(zhì)的折射率不同。

可選的，所述諧振腔位于SOI襯底的頂層硅層內(nèi)，第一介質(zhì)的材料為硅，第二介質(zhì)的材料為氧化硅或氮化硅。

可選的，所述SOI的頂層硅層表面還形成有氧化硅層。

可選的，第一介質(zhì)的單元厚度、第二介質(zhì)的單元厚度與激光在真空內(nèi)傳播的波長滿足以下關(guān)系：

n1×a+n2×b＝kλ/2

其中，a為第一介質(zhì)的單位厚度，b為第二介質(zhì)的單位厚度，n1為第一介質(zhì)的折射率，n2為第二介質(zhì)的折射率，k為正整數(shù)，λ為激光在真空內(nèi)的波長。

可選的，第一介質(zhì)的材料為硅，第二介質(zhì)的材料為氧化硅，所述第一介質(zhì)的單位厚度a為0.123um，所述第二介質(zhì)的單位厚度b為0.273um。

可選的，所述第一介質(zhì)的單位寬度a和第二介質(zhì)的單位寬度b的和的范圍為30nm～999nm。

可選的，兩側(cè)的類光柵結(jié)構(gòu)完全擋住所述工作介質(zhì)區(qū)域沿預(yù)設(shè)的激光傳出方向的投影；兩側(cè)的類光柵結(jié)構(gòu)中，子單元的重復(fù)次數(shù)不同。

可選的，所述工作介質(zhì)區(qū)域一側(cè)的類光柵結(jié)構(gòu)中沿預(yù)設(shè)的激光傳出方向留有縫隙以形成一條激光的通路，另一側(cè)的類光柵結(jié)構(gòu)完全擋住所述工作介質(zhì)區(qū)域沿預(yù)設(shè)的激光傳出方向的投影。

本發(fā)明的實(shí)施例還提供了一種激光器的形成方法，包括：

提供一半導(dǎo)體基底；

在所述半導(dǎo)體基底中形成工作介質(zhì)區(qū)域；

利用光刻膠做掩模在所述工作介質(zhì)區(qū)域兩側(cè)刻蝕出沿其中軸線往兩邊周期性延伸的等距間隔的等寬的多個(gè)槽；

沉積氧化硅或者氮化硅填充所述槽。