GaAs微探尖的选择液相外延制备技术研究

论文摘要

扫描近场光学显微术(SNOM)是一种新型纳米尺度结构和信息研究的强有力的光电子学工具,它打破了传统光学衍射极限的限制,分辨率可达到纳米量级。其重要的应用之一是适应现代信息社会发展的需求,实现超高密度光存储。一般来说,用于超高密度光存储的扫描近场光学显微传感头由三个主要部分组成:半导体激光器、光电探测器和微探尖。这里的微探尖质量和性能将直接影响整个扫描近场光学显微系统。因此,如何制备高质量的微探尖已经成为近年来的研究热点。目前国内外制备微探尖的方法有很多种。对于光纤探尖,主要有热拉伸法和化学腐蚀法;对于介质和半导体材料探尖,主要有湿法刻蚀、干法刻蚀、混合法刻蚀、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)和自组织液相外延法等等。根据我们实验室现有的条件,针对上面几种方法出现的问题,本论文提出了一种新型的GaAs材料微探尖制备方法——选择液相外延方法。这种方法的基本思想是在已经外延生长好的垂直腔面发射激光器(VCSEL)结构表面沉积一层掩膜,然后利用常规的光刻和湿法刻蚀手段在掩膜上面形成尺寸和周期与激光器出光窗口一致的窗口阵列,最后利用掩膜对液相外延生长的阻断作用在窗口中液相外延生长出金字塔状微探尖。这种方法不仅可以将微探尖直接生长在激光器的出光表面上,省略了探尖转移的步骤,还自动解决了微探尖与激光器出光窗口的对准问题,并为实现多探尖并行扫描提供了工艺基础。在研究过程中,我们使用GaAs(001)衬底模拟VCSEL外延片表面,采用选择液相外延方法制各GaAs微探尖阵列,并用扫描电子显微镜(SEM)对微探尖阵列进行表征。结果表明,在合适的条件下,微探尖呈金字塔状,并具有较好的分布周期性和一致性。本文详细介绍了该种方法的工艺流程,包括掩膜的制备、光刻、湿法刻蚀、液相外延等等。研究了不同掩膜对微探尖生长的影响以及不同形状和不同取向的窗口设计对微探尖生长的影响,得到了不同窗口中微探尖的生长过程,优化了微探尖制备的液相外延生长条件。除此之外,考虑到工艺兼容等问题和拓展选择液相外延方法制备的微探尖的应用范围,我们还开发了两套微探尖的剥离技术(浓盐酸选择腐蚀缓冲层法和氨水选择腐蚀衬底法)与一套转移技术,成功地将微探尖从衬底上面剥离并转移到VCSEL的出光窗口表面,实现了微探尖和激光器的集成。这样使得选择液相外延方法制备的微探尖也可以应用于其它种类的扫描探针显微镜。最后,本论文介绍了晶体生长形态学中的布拉维法则、BFDH理论和SHAPE晶体生长形态模拟软件,采用这两种理论和SHAPE软件对GaAs晶体生长形态进行了预测和模拟,得到的预测结果和模拟结果与实验结果吻合得比较好。本项研究工作连续得到了两项国家自然科学基金(《用于超高密度光存储的集成式SNOM微探尖的选择生长研究》No.60377005和《影响GaAs微探尖阵列选择外延生长质量的关键技术研究》No.60777009)、科技部重大基础研究前期研究专项(《超高密度光存储》No.2004CCA03700)和高等学校博士学科点专项科研基金(《用于SNOM传感器的GaAs微探尖阵列选择生长质量改进技术》NO.20060141026)的支持,并已成功获得国家发明专利一项,批准号为ZL 03 1 33404.0。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 扫描近场光学显微镜原理及其应用
• 1.1.1 瑞利衍射极
• 1.1.2 瑞利衍射极限的突破和隐失场
• 1.1.3 扫描近场光学显微镜
• 1.2 探尖的制备技术
• 1.2.1 小孔探尖的制备方法
• 1.2.2 无孔探尖的制备方法
• 1.3 本文的研究内容
• 2 液相外延系统及选择液相外延方法制备GaAs微探尖阵列的主要工艺流程
• 2.1 液相外延系统
• 2.1.1 系统组成
• 2.1.2 生长原理
• 2.1.3 生长源的配置
• 2.2 主要工艺流程
• 2.2.1 衬底的预处理
• 2.2.2 掩膜的制备
• 2.2.3 液相外延生长窗口的制备
• 2.2.4 微探尖阵列的液相外延生长
• 2.3 实验结果及其表征
• 3 制备GaAs微探尖的液相外延生长条件研究
• 3.1 研究内容和方法
• 3.1.1 掩膜的制备
• 3.1.2 光刻与腐蚀
• 3.2 研究结果及分析
• 3.2.1 实验结果
• 3.2.2 液相外延生长条件对微探尖生长的影响
• 4 不同掩膜对选择液相外延生长微探尖阵列影响的研究
• 2薄膜'>4.1 液相沉积SiO₂薄膜
• 4.1.1 薄膜制备方法
• 4.1.2 实验结果
• 2膜'>4.2 磁控溅射SiO₂膜
• 4.2.1 薄膜制备方法
• 4.2.2 实验结果
• 2薄膜'>4.3 电子束蒸发SiO₂薄膜
• 4.3.1 薄膜制备方法
• 4.3.2 实验结果
• 4.4 真空热蒸发镀Al膜
• 4.4.1 薄膜制备方法
• 4.4.2 实验结果
• 4.5 液相外延AlGaAs膜
• 4.5.1 薄膜制备方法
• 4.5.2 实验结果
• 4.6 实验结果比较与分析
• 4.7 结论
• 5 不同形状和不同取向的窗口设计对微探尖生长影响的研究
• 5.1 研究内容和方法
• 5.2 实验结果与分析
• 5.3 微探尖生长过程的实验验证
• 5.3.1 等边三角形窗口中微探尖的生长过程
• 5.3.2 圆形窗口中微探尖的生长过程
• 5.3.3 正方形窗口中微探尖的生长过程
• 6 GaAs微探尖的转移以及与VCSEL激光器的集成
• 6.1 GaAs微探尖的转移
• 6.1.1 浓HCl选择腐蚀缓冲层法
• 6.1.2 氨水选择腐蚀衬底法
• 6.2 GaAs微探尖与VCSEL激光器的集成
• 7 GaAs微探尖生长形态模拟
• 7.1 GaAs的基本性质及其闪锌矿结构重要参数的计算
• 7.1.1 GaAs的基本性质
• 7.1.2 GaAs闪锌矿结构重要参数的计算
• 7.2 晶体生长形态预测方法与运用
• 7.2.1 布拉维法则
• 7.2.2 BFDH法则
• 7.3 GaAs微探尖生长形态的SHAPE模拟
• 7.3.1 SHAPE
• 7.3.2 SHAPE模拟结果
• 结论
• 创新点摘要
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢