CN108233181B - 集成谐振光栅微腔的悬空GaN薄膜激光器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种集成谐振光栅微腔的悬空GaN薄膜激光器及其制备方法，通过硅衬底剥离和悬空氮化物薄膜背后减薄技术，获得悬空量子阱二极管器件结构，并利用聚焦离子束刻蚀和电子束蒸镀技术形成集成于悬空InGaN/GaN量子阱二极管的谐振光栅微腔，实现集成谐振光栅微腔的电泵浦悬空GaN薄膜激光器，可以改变谐振光栅微腔的结构参数或集成不同谐振光栅微腔，调控微腔结构，实现波长可调的悬空GaN薄膜激光器。本发明提出的集成谐振光栅微腔的悬空GaN薄膜激光器可用于可见光通信、显示及传感领域。
Description
技术领域
本发明属于信息材料与器件领域，涉及一种集成谐振光栅微腔的悬空GaN薄膜激光器及其制备方法。
背景技术
半导体激光器又称激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器。由于物质结构上的差异，不同种类产生激光的具体过程比较特殊。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器在室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。半导体二极管激光器是最实用最重要的一类激光器。它体积小、寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成。并且还可以用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点，半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面以及获得了广泛的应用。
氮化物材料特别是GaN材料，具有较高的折射率，在可见光、近红外波段透明，是一种优异的光学材料。然而，由于SiC和蓝宝石衬底不易加工，而氮化物特别是GaN的加工技术也不成熟，限制了氮化物光子及光学微机电器件的发展。
发明内容
技术问题：本发明提供一种通过采用FIB微纳加工技术，在p-GaN层上加工谐振光栅微腔结构获得的集成谐振光栅微腔的悬空GaN薄膜激光器，通过改变谐振光栅微腔的结构参数或集成不同谐振光栅微腔，实现波长可调的硅衬底GaN基薄膜激光器。本发明同时提供了一种该激光器的制备方法。
技术方案：本发明的集成谐振光栅微腔的悬空GaN薄膜激光器，以硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元为载体，包括从下至上依次连接设置的硅衬底层、外延缓冲层、n-GaN层、p-n结量子阱器件、位于所述n-GaN层下方并贯穿硅衬底层、外延缓冲层的空腔、设置在所述空腔中并位于n-GaN层底面的分布式布拉格光栅，所述空腔使得p-n结量子阱器件悬空，n-GaN层上设置p-n结量子阱器件的区域与n-GaN层的边缘之间设置有隔离槽，并通过隔离槽中设置的n-GaN臂将该区域与n-GaN层的边缘连接，在所述n-GaN层上表面有刻蚀出的阶梯状台面，所述阶梯状台面包括下台面和位于下台面上的上台面，所述p-n结量子阱器件包括设置在下台面上的n-电极、从下至上依次连接设置在上台面上的InGaN/GaN多量子阱、p-GaN层、p-电极、贯穿所述p-GaN层、InGaN/GaN多量子阱至n-GaN层的光栅微腔，所述p-电极包括位于p-n结量子阱器件中心圆环形的带电区、位于所述带电区一侧的引线区、连接所述带电区和引线区的导电区，所述n-电极包括带缺口的圆环状的带电区和设置在所述带电区外侧并与之连接的引线区。
进一步的，本发明激光器中，光栅微腔是采用ICP刻蚀或电子束蒸镀技术在p-GaN层、InGaN/GaN多量子阱和n-GaN层中刻蚀或蒸镀出来的。
进一步的，本发明激光器中，分布式布拉格光栅蒸镀在n-GaN层底面，分布式布拉格光栅与光栅微腔形成谐振光栅，构成激光器的谐振条件。
进一步的，本发明激光器中，光栅微腔为圆形光栅结构或条形光栅结构。
进一步的，通过改变谐振光栅的结构和尺寸可以控制出射激光的波长。
本发明的制备上述集成谐振光栅微腔的悬空GaN薄膜激光器的方法，包括以下步骤：
步骤(1)对硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元的硅衬底层进行清洁后减薄抛光处理；
步骤(2)在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元上表面均匀涂上一层光刻胶，采用曝光技术在光刻胶层上定义出n-GaN台阶区域，所述n-GaN台阶区域包括下台面和上台面；
步骤(3)采用反应离子束刻蚀n-GaN台阶区域，得到阶梯状台面；
步骤(4)在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元上表面均匀涂上一层光刻胶，光刻定义出位于上台面的p-n结量子阱器件的p-电极窗口区域、位于下台面的p-n结量子阱器件的n-电极窗口区域，然后在所述p-电极窗口区域与n-电极窗口区域分别蒸镀Ni/Au，去除残余光刻胶后，实现p-电极与n-电极，在氮气氛围中退火，形成欧姆接触；
步骤(5)在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元上表面均匀涂上一层光刻胶，采用曝光技术在光刻胶层上定义出隔离槽区域；
步骤(6)去除隔离槽区域以外的光刻胶，采用反应离子束刻蚀n-GaN隔离槽区域，得到有支撑结构的隔离槽；
步骤(7)在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元顶层涂胶保护，防止刻蚀过程中损伤表面器件，在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元的硅衬底层下表面旋涂一层光刻胶层，利用背后对准技术，定义出一个对准并覆盖p-n结量子阱器件悬空部分的背后刻蚀窗口；
步骤(8)将外延缓冲层作为刻蚀阻挡层，利用背后深硅刻蚀技术，通过背后刻蚀窗口将所述硅衬底层贯穿刻蚀至外延缓冲层的下表面；
步骤(9)采用氮化物背后减薄刻蚀技术，从下往上对外延缓冲层和n-GaN层进行氮化物减薄处理，形成空腔和位于所述空腔上方的n-GaN层的悬空薄膜；
步骤(10)在空腔上方的悬空薄膜底部刻蚀得到栅微腔结构；
步骤(11)采用电子组蒸镀技术在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元背后蒸镀分布式布拉格光栅，获得集成谐振光栅微腔的悬空GaN薄膜激光器。
进一步的，本发明方法中，步骤中，栅微腔结构通过如下方式实现：在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元上表面均匀涂上一层光刻胶，采用曝光技术在光刻胶层上定义出光栅微腔结构，采用反应离子束刻蚀技术刻蚀微腔结构区域得到栅微腔结构。
进一步的，本发明方法中，步骤中，采用聚焦离子束刻蚀技术来实现光栅微腔结构。
本发明通过曝光技术和氮化物刻蚀工艺，将LED器件转移到顶层氮化物器件层，并且在周围形成隔离槽和支撑结构。利用各向异性硅刻蚀技术，剥离去除器件结构下硅衬底层和外延缓冲层，采用氮化物背后减薄刻蚀技术，获得悬空二极管器件。最后采用聚焦粒子束技术在二极管器件表面刻蚀谐振光栅，实现集成谐振光栅微腔的悬空GaN薄膜激光器。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
目前已有的类似的激光器都是采用双面蒸镀的方法构成激光发射的条件，本发明的集成谐振光栅微腔的悬空GaN薄膜激光器，采用一面蒸镀，另一面刻蚀的方法避免了大面积蒸镀膜厚不均匀的问题使得器件加工更加便捷。
传统的激光器采用双面蒸镀技术在激光器设置之初波长就已固定，难以调控，本发明的集成谐振光栅微腔的悬空GaN薄膜激光器，在LED器件上采用聚焦离子束刻蚀和ICP刻蚀等技术，可以与微机电结合，能够对光栅器件结构进行精准的调控，实现波长可调激光器。
附图说明
图1是本发明集成谐振光栅微腔的悬空GaN薄膜激光器的结构示意图。
图2是本发明集成线性谐振光栅微腔的悬空GaN薄膜激光器的俯视图。
图3是本发明集成圆形谐振光栅微腔的悬空GaN薄膜激光器的俯视图。
图4是本发明毫米级可转移的可见光通信薄膜LED器件的制造流程图。
图中有：1－硅衬底层；2－外延缓冲层；3－n-GaN层；4－n-GaN臂；5－n-电极；6－InGaN/GaN多量子阱；7－p-GaN层；8－p-电极；9－分布式布拉格光栅；10－隔离槽；11－光栅微腔。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。
本发明的集成谐振光栅微腔的悬空GaN薄膜激光器，以硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元为载体，包括硅衬底层1、设置在所述硅衬底层1上的外延缓冲层2、设置在所述外延缓冲层2上的n-GaN层3、设置在所述n-GaN层3上的p-n结量子阱器件，所述n-GaN层3下方设置有贯穿硅衬底层1、外延缓冲层2至n-GaN层3中的空腔，使得p-n结量子阱器件悬空；n-GaN层3上设置p-n结量子阱器件的区域与边缘之间设置有隔离槽，并通过隔离槽中设置的n-GaN臂将该区域与边缘连接，所述p-n结量子阱器件包括设置在n-GaN层3上的n-电极5和InGaN/GaN多量子阱6、从下至上依次连接设置在所述InGaN/GaN多量子阱6上的p-GaN层7、p-电极8，在所述n-GaN层3上表面有刻蚀出的阶梯状台面，所述阶梯状台面包括下台面和位于下台面上的上台面，所述InGaN/GaN多量子阱6、p-GaN层7、p-电极8从下至上依次连接设置在上台面上，所述n-电极5设置在下台面上；所述p-GaN层中集成谐振光栅微腔，所述p-电极8包括位于p-n结量子阱器件中心圆环形的带电区、位于边缘的引线区、连接所述带电区和引线区的导电区，所述n-电极5包括带缺口的圆环状的带电区和设置在所述带电区外侧并与之连接的引线区。
本发明集成谐振光栅微腔的悬空GaN薄膜激光器的一种实施例中，p-n结量子阱器件在硅基氮化物晶片的氮化物层上实现，且周围刻有隔离槽，通过支撑结构固定于氮化物层上，以后可以根据需要将器件从硅衬底剥离下来。
本发明的集成谐振光栅微腔的悬空GaN薄膜激光器，可以根据需求刻蚀出不同结构或同种结构不同参数的光栅，用来激发不同的激光。
本发明的制备上述毫米级可转移的可见光通信薄膜LED器件的方法，包括以下步骤：
步骤(1)对硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元的硅衬底层1进行清洁后减薄抛光处理；
步骤(2)在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元上表面均匀涂上一层光刻胶，采用曝光技术在光刻胶层上定义出n-GaN台阶区域，所述n-GaN台阶区域包括下台面和上台面；
步骤(3)采用反应离子束刻蚀n-GaN台阶区域，得到阶梯状台面；
步骤(4)在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元上表面均匀涂上一层光刻胶，光刻定义出位于上台面的p-n结量子阱器件的p-电极窗口区域、位于下台面的p-n结量子阱器件的n-电极窗口区域，然后在所述p-电极窗口区域与n-电极窗口区域分别蒸镀Ni/Au，去除残余光刻胶后，实现p-电极8与n-电极5，在氮气氛围中退火，形成欧姆接触；
步骤(5)在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元上表面均匀涂上一层光刻胶，采用曝光技术在光刻胶层上定义出隔离槽区域；
步骤(6)去除隔离槽区域以外的光刻胶，采用反应离子束刻蚀n-GaN隔离槽区域，得到有支撑结构的隔离槽；
步骤(7)在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元顶层涂胶保护，防止刻蚀过程中损伤表面器件，在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元的硅衬底层1下表面旋涂一层光刻胶层，利用背后对准技术，定义出一个对准并覆盖p-n结量子阱器件悬空部分的背后刻蚀窗口；
步骤(8)将外延缓冲层2作为刻蚀阻挡层，利用背后深硅刻蚀技术，通过背后刻蚀窗口将所述硅衬底层1贯穿刻蚀至外延缓冲层2的下表面；
步骤(9)采用氮化物背后减薄刻蚀技术，从下往上对外延缓冲层2和n-GaN层3进行氮化物减薄处理，形成空腔和位于所述空腔上方的悬空薄膜；
步骤(10)将设计好的光栅结构通过电子束或纳米压印或深紫外光刻转移到掩膜上，得到刻蚀窗口，用ICP通过刻蚀窗口得到光栅微腔11或者采用聚焦离子束刻蚀技术在器件上直接刻蚀出光栅微腔11。
步骤(12)采用电子组蒸镀技术在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元背后蒸镀分布式布拉格光栅9，获得集成谐振光栅微腔的悬空GaN薄膜激光器。
上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种集成谐振光栅微腔的悬空GaN薄膜激光器，其特征在于，该器件以硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元为载体，包括从下至上依次连接设置的硅衬底层（1）、外延缓冲层（2）、n-GaN层（3）、p-n结量子阱器件、位于所述n-GaN层（3）下方并贯穿硅衬底层（1）、外延缓冲层（2）的空腔、设置在所述空腔中并位于n-GaN层（3）底面的分布式布拉格光栅（9），所述空腔使得p-n结量子阱器件悬空，n-GaN层（3）上设置p-n结量子阱器件的区域与n-GaN层（3）的边缘之间设置有隔离槽（10），并通过隔离槽（10）中设置的n-GaN臂（4）将该区域与n-GaN层（3）的边缘连接，在所述n-GaN层（3）上表面有刻蚀出的阶梯状台面，所述阶梯状台面包括下台面和位于下台面上的上台面，所述p-n结量子阱器件包括设置在下台面上的n-电极（5）、从下至上依次连接设置在上台面上的InGaN/GaN多量子阱（6）、p-GaN层（7）、p-电极（8）、贯穿所述p-GaN层（7）、InGaN/GaN多量子阱（6）至n-GaN层（3）的光栅微腔（11），所述p-电极（8）包括位于p-n结量子阱器件中心圆环形的带电区、位于所述带电区一侧的引线区、连接所述带电区和引线区的导电区，所述n-电极（5）包括带缺口的圆环状的带电区和设置在所述带电区外侧并与之连接的引线区。
2.根据权利要求1所述的集成谐振光栅微腔的悬空GaN薄膜激光器，其特征在于，所述光栅微腔（11）是采用ICP刻蚀在p-GaN层（7）、InGaN/GaN多量子阱（6）和n-GaN层（3）中刻蚀出来的。
3.根据权利要求1所述的集成谐振光栅微腔的悬空GaN薄膜激光器，其特征在于，所述分布式布拉格光栅（9）蒸镀在n-GaN层（3）底面，分布式布拉格光栅（9）与光栅微腔（11）形成谐振光栅，构成激光器的谐振条件。
4.根据权利要求1、2或3所述的集成谐振光栅微腔的悬空GaN薄膜激光器，其特征在于，所述光栅微腔（11）为圆形光栅结构或条形光栅结构。
5.一种制备权利要求1、2、3或4所述集成谐振光栅微腔的悬空GaN薄膜激光器的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤（1）对硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元的硅衬底层（1）进行清洁后减薄抛光处理；
步骤（2）在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元上表面均匀涂上一层光刻胶，采用曝光技术在光刻胶层上定义出n-GaN台阶区域，所述n-GaN台阶区域包括下台面和上台面；
步骤（3）采用反应离子束刻蚀n-GaN台阶区域，得到阶梯状台面；
步骤（4）在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元上表面均匀涂上一层光刻胶，光刻定义出位于上台面的p-n结量子阱器件的p-电极窗口区域、位于下台面的p-n结量子阱器件的n-电极窗口区域，然后在所述p-电极窗口区域与n-电极窗口区域分别蒸镀Ni/Au，去除残余光刻胶后，实现p-电极（8）与n-电极（5），在氮气氛围中退火，形成欧姆接触；
步骤（5）在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元上表面均匀涂上一层光刻胶，采用曝光技术在光刻胶层上定义出隔离槽区域；
步骤（6）去除隔离槽区域以外的光刻胶，采用反应离子束刻蚀n-GaN隔离槽区域，得到有支撑结构的隔离槽；
步骤（7）在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元顶层涂胶保护，防止刻蚀过程中损伤表面器件，在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元的硅衬底层（1）下表面旋涂一层光刻胶层，利用背后对准技术，定义出一个对准并覆盖p-n结量子阱器件悬空部分的背后刻蚀窗口；
步骤（8）将外延缓冲层（2）作为刻蚀阻挡层，利用背后深硅刻蚀技术，通过背后刻蚀窗口将所述硅衬底层（1）贯穿刻蚀至外延缓冲层（2）的下表面；
步骤（9）采用氮化物背后减薄刻蚀技术，从下往上对外延缓冲层（2）和n-GaN层（3）进行氮化物减薄处理，形成空腔和位于所述空腔上方的n-GaN层（3）的悬空薄膜；
步骤（10）在空腔上方的悬空薄膜底部刻蚀得到光栅微腔（11）；
步骤（11）采用电子组蒸镀技术在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元背后蒸镀分布式布拉格光栅（9），获得集成谐振光栅微腔的悬空GaN薄膜激光器。
6.根据权利要求5所述的制备集成谐振光栅微腔的悬空GaN薄膜激光器的方法，其特征在于，所述步骤（10）中，光栅微腔（11）通过如下方式实现：在硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元上表面均匀涂上一层光刻胶，采用曝光技术在光刻胶层上定义出光栅微腔结构，采用反应离子束刻蚀技术或聚焦离子束刻蚀技术刻蚀微腔结构区域得到光栅微腔（11）。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: Yuen Road Qixia District of Nanjing City, Jiangsu Province, No. 9 210003 Applicant after: Nanjing Post & Telecommunication Univ. Address before: 210003, No. 66, new exemplary Road, Nanjing, Jiangsu Applicant before: Nanjing Post & Telecommunication Univ. |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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