CN108879322B - 基于金属微腔的半导体激光器及其制作方法 - Google Patents

基于金属微腔的半导体激光器及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于金属微腔的半导体激光器及其制作方法，包括第一硅衬底、金属反射镜以及依次设置于所述硅衬底上的环氧树脂层、金属膜、金属层、绝缘介质层、有源层；所述金属反射镜的一端穿过所述有源层及绝缘介质层与所述金属膜抵接，所述金属反射镜的另一端暴露于空气中，所述金属层和金属反射镜组成一金属腔，作为半导体激光器的光学谐振腔。应用本技术方案可实现金属腔损耗小，不仅可以提高微腔的品质因子还可以降低激光的振荡阈值。

Description

基于金属微腔的半导体激光器及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器领域，具体是指一种基于金属微腔的半导体激光器及其制作方法。
背景技术
半导体激光器具有效率高、体积小、重量轻、寿命长、制作简单、成本低等特点；其在激光打印、激光测距、激光雷达、光纤通信、红外照明、大气监视和化学光谱等方面获得了广泛的应用。早期，半导体激光器通常采用光子晶体微腔或在有源层两端镀上多层高反介质膜形成的介质腔作为光学谐振腔。2007年，A.V.Mas l ov和C.Z.N i ng的理论研究结果表明金属腔比介质腔对电磁波模式的局域能力更强，因此他们认为在半导体纳米线上包覆一层金属膜可以减小纳米线激光器的尺寸。另外，金属反射镜所占的体积比多层高反介质膜和光子晶体反射镜所占的体积更小，也有利于半导体激光器尺寸的减小。因此，基于金属微腔的半导体激光器成为了近年来的研究热点。
目前在半导体材料上制作金属腔的最简单的方法是在半导体材料表面覆盖一层金属膜，从而形成金属反射镜。金属反射镜和半导体材料表面上的金属膜共同组成了金属腔，作为激光器的光学谐振腔。这种制作方法虽然简单，但是金属反射镜的高度受限于半导体材料的厚度，导致金属腔的损耗较大，使得激光器的振荡阈值较高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种基于金属微腔的半导体激光器及其制作方法，实现金属腔损耗小，不仅可以提高微腔的品质因子还可以降低激光的振荡阈值。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于金属微腔的半导体激光器，包括第一硅衬底、金属反射镜以及依次设置于所述硅衬底上的环氧树脂层、金属膜、金属层、绝缘介质层、有源层；所述金属反射镜的一端穿过所述有源层及绝缘介质层与所述金属膜抵接，所述金属反射镜的另一端暴露于空气中，所述金属层和金属反射镜组成一金属腔，作为半导体激光器的光学谐振腔。
在一较佳的实施例中，所述绝缘介质层具体为二氟化镁、三氧化二铝、二氧化硅、氟化锂其中之一构成；所述绝缘介质层的厚度为5～100nm。
在一较佳的实施例中，所述绝缘介质层的厚度越厚，光波导模式的传播损耗越小，激光形成的阈值越低。
在一较佳的实施例中，所述有源层具体为半导体纳米片或半导体纳米线。
在一较佳的实施例中，所述半导体纳米片或半导体纳米线具体由硒化镉、硫化镉、氧化锌、砷化镓、铟镓氮和铟镓砷磷中的一种制成；所述半导体纳米片或半导体纳米线的厚度范围为几十到几百纳米。
在一较佳的实施例中，所述金属层厚度范围为50～200nm，所述金属层具体由金属材料制成。
在一较佳的实施例中，所述金属腔的形状具体为平行平面腔、凹凸腔、平凹腔、圆形腔、长方形腔、正多边形腔其中之一。
本发明还提供了一种制作基于金属微腔的半导体激光器的方法，制作出如上述所述的基于金属微腔的半导体激光器；包括如下步骤：
步骤1，首先取两片单晶硅衬底，分别记为所述第一硅衬底和第二硅衬底，进行超声清洗，在洗净干燥后的第二硅衬底上旋涂一层300～600nm厚的PMMA膜，干燥备用；
步骤2，利用微操作系统将所述有源层转移到所述PMMA膜远离所述第二硅衬底的那一面上，并使所述有源层与所述PMMA膜紧密贴合；
步骤3，用磁控溅射或电子束蒸发或脉冲激光沉积方法在所述有源层远离所述PMMA膜的那一面上蒸镀一层绝缘介质层，后再蒸镀一层金属层；
步骤4，利用微纳米加工技术在第二硅衬底、PMMA膜、有源层、绝缘介质层、金属层组成的多层结构上刻蚀出一刻蚀腔，其刻蚀深度等于金属层、绝缘介质层、有源层和PMMA膜的总厚度；
步骤5，利用磁控溅射镀膜机在所述刻蚀腔沉积一层厚度大于所述刻蚀深度的金属膜，使所述刻蚀腔完全抵接所述金属膜，从而形一成金属反射镜，所述金属反射镜和金属膜共同组成了金属腔；
步骤6，用环氧树脂将清洗干燥后的第一硅衬底粘在所述金属膜上；
步骤7，待所述环氧树脂固化后，用一个干净的刀片将所述第二硅衬底以及所述第二硅衬底上的PMMA膜与有源层剥离开，并用丙酮清洗残留在有源层上的PMMA膜，这样就形成了金属微腔半导体激光器。
在一较佳的实施例中，所述金属反射镜的高度大于所述绝缘介质层和有源层的厚度之和，且金属反射镜暴露在空气中的高度等于所述PMMA层的厚度。
在一较佳的实施例中，所述金属腔为光学谐振腔，且所述金属腔的高度等于所述绝缘介质层、有源层和PMMA层的厚度之和，通过增加PMMA层的厚度增加所述金属反射镜的高度。
相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：
1.本发明提供的基于金属微腔的半导体激光器及其制作方法采用金属腔作为激光器的光学谐振腔，金属腔的高度大于绝缘介质层和有源层的总厚度，通过增加PMMA层的厚度可以增加金属反射镜的高度，从而减少金属腔中光波导模式在腔镜处的损耗，降低激光的振荡阈值。另外，位于有源层和薄金属层之间的绝缘介质层还可以降低金属腔中光波导模式的传播损耗，并且通过增加绝缘介质层的厚度可以进一步降低光波导模式的传播损耗，同样有利于激光的形成。
2.本发明提供的基于金属微腔的半导体激光器及其制作方法因半导体纳米片或半导体纳米线的增益大以及金属腔的损耗小可以在室温下工作。
3.本发明提供的基于金属微腔的半导体激光器及其制作方法具有物理尺寸较小、制作工艺成熟、加工过程可精确控制、激光振荡阈值较低等特点。
附图说明
图1是本发明实施例基于金属微腔的CdSe纳米片激光器的制作方法中步骤6获得的结构的示意图；
图2是本发明实施例基于金属微腔的CdSe纳米片激光器的结构示意图；
图3是本发明的实施例基于金属微腔的CdSe纳米片激光器在不同泵浦光功率密度下的发射光谱。
图4是本发明的实施例基于金属微腔的CdSe纳米片激光器的输入-输出光强变化关系。
具体实施方式
下文结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
一种基于金属微腔的半导体激光器，参考图1至4，包括第一硅衬底8、金属反射镜6以及依次设置于所述硅衬底上的环氧树脂7层、金属膜、金属层、绝缘介质层、有源层；所述金属反射镜6的一端穿过所述有源层及绝缘介质层与所述金属膜抵接，所述金属反射镜6的另一端暴露于空气中，所述金属层和金属反射镜6组成一金属腔，作为半导体激光器的光学谐振腔。所述金属腔的形状具体为平行平面腔、凹凸腔、平凹腔、圆形腔、长方形腔、正多边形腔其中之一。
具体来说，所述绝缘介质层具体为二氟化镁、三氧化二铝、二氧化硅、氟化锂其中之一构成；所述绝缘介质层的厚度为5至100nm。在本实施例中，所述绝缘介质层选用的是二氟化镁。所述绝缘介质层的厚度越厚，光波导模式的传播损耗越小，激光形成的阈值越低。
具体来说，所述有源层具体为半导体纳米片或半导体纳米线。
具体来说，所述半导体纳米片或半导体纳米线具体由硒化镉、硫化镉、氧化锌、砷化镓、铟镓氮和铟镓砷磷中的一种制成；所述半导体纳米片或半导体纳米线的厚度范围为几十到几百纳米。在本实施例中，所述有源层选用的是硒化镉纳米片。
具体来说，所述金属层厚度范围为50至200nm，所述金属层具体由金属材料制成，例如金、银、铝其中的一种，还可以使用其他金属材料，属于简单替换，不能以此限定本发明的保护范围。在本实施例中，所述金属层选用的是金膜51。
以下详细介绍如何制作上述基于金属微腔的半导体激光器的方法，包括如下步骤：
步骤1，首先取两片单晶硅衬底，分别记为所述第一硅衬底8和第二硅衬底，进行超声清洗，在洗净干燥后的第二硅衬底上旋涂一层300至600nm厚的PMMA膜2，干燥备用；本实施例选用的是300nm厚的PMMA膜2。
步骤2，利用微操作系统将所述硒化镉纳米片3转移到所述PMMA膜2远离所述第二硅衬底的那一面上，并使所述硒化镉纳米片3与所述PMMA膜2紧密贴合。
步骤3，用磁控溅射或电子束蒸发或脉冲激光沉积方法在所述硒化镉纳米片3远离所述PMMA膜2的那一面上蒸镀一层10nm厚的绝缘介质层，即二氟化镁薄膜4；后再蒸镀一层金属层，即一层100nm厚的金膜51。
步骤4，利用微纳米加工技术在第二硅衬底、PMMA膜2、硒化镉纳米片3、二氟化镁薄膜4、金膜51组成的多层结构上刻蚀出一刻蚀腔，所述刻蚀腔的形状、尺寸与预先设计的光学谐振腔完全一样，即为平行平面腔、凹凸腔、平凹腔、圆形腔、长方形腔、正多边形腔其中之一；其刻蚀深度等于金膜51、二氟化镁薄膜4、硒化镉纳米片3和PMMA膜2的总厚度。
步骤5，利用磁控溅射镀膜机在所述刻蚀腔沉积一层厚度大于所述刻蚀深度的金属膜，本实施例选用的是600nm厚的银膜52，使所述刻蚀腔完全抵接所述金属膜，从而形一成金属反射镜6，所述金属反射镜6和金属膜共同组成了金属腔。
步骤6，用环氧树脂7将清洗干燥后的第一硅衬底8粘在所述银膜52上；
步骤7，待所述环氧树脂7固化后，用一个干净的刀片将所述第二硅衬底以及所述第二硅衬底上的PMMA膜2与有源层剥离开，并用丙酮清洗残留在有源层上的PMMA膜2，这样就形成了金属微腔半导体激光器。
具体来说，所述金属反射镜6的高度大于所述绝缘介质层和有源层的厚度之和，且金属反射镜6暴露在空气中的高度等于所述PMMA层的厚度。所述金属腔为光学谐振腔，且所述金属腔的高度等于所述绝缘介质层、有源层和PMMA层的厚度之和，通过增加PMMA层的厚度增加所述金属反射镜6的高度。
本发明基于金属微腔的半导体激光器的工作原理为：泵浦光经物镜聚焦后入射到金属腔上，金属腔中的增益介质即有源层硒化镉纳米片3吸收光子的能量后实现粒子数反转分布，产生受激辐射，并利用金属腔的正反馈实现光放大而产生激光。本发明采用的泵浦光是波长425nm的飞秒激光，其重复频率90MHz，脉宽150fs，本发明的所有测试都是在室温下进行。图3是本发明的具体实施例在不同平均功率密度的泵浦光激励下的发射光谱，最下面的曲线表示泵浦光的平均功率密度低于激光阈值时金属腔中增益介质产生的荧光谱，中间的曲线表示泵浦光的平均功率密度达到激光阈值时的发射谱，最上面的曲线表示泵浦光的平均功率密度高于激光阈值时的发射谱。从图3中可以看出，当泵浦光的平均功率密度超过激光阈值时，发射光谱上出现六个明显的激光峰，意味着激光的形成。这六个激光峰的中心波长分别为722.5、725.2、727.8、730.7、732.7、735.5nm，相应的品质因子分别为715、678、587、624、832、826。图4是本发明的具体实施例输出光强随入射泵浦光的平均功率密度的变化关系，由输入-输出光强的非线性响应曲线可以得到激光的阈值约为3.65kW/cm2。
本发明提供的基于金属微腔的半导体激光器及其制作方法，采用金属腔作为激光器的光学谐振腔，金属腔的高度大于绝缘介质层和有源层的总厚度，通过增加PMMA层的厚度可以增加金属反射镜的高度，从而减少金属腔中光波导模式在腔镜处的损耗，降低激光的振荡阈值。另外，位于有源层和薄金属层之间的绝缘介质层还可以降低金属腔中光波导模式的传播损耗，并且通过增加绝缘介质层的厚度可以进一步降低光波导模式的传播损耗，同样有利于激光的形成。半导体纳米片或半导体纳米线的增益大以及金属腔的损耗小使得半导体激光器可以在室温下工作，且具有物理尺寸较小、制作工艺成熟、加工过程可精确控制、激光振荡阈值较低等特点。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (8)

1.一种制作基于金属微腔的半导体激光器的方法，其特征在于，制作出的基于金属微腔的半导体激光器包括第一硅衬底、金属反射镜以及依次设置于所述硅衬底上的环氧树脂层、金属膜、金属层、绝缘介质层、有源层；所述金属反射镜的一端穿过所述有源层及绝缘介质层与所述金属膜抵接，所述金属反射镜的另一端暴露于空气中，所述金属层和金属反射镜组成一金属腔，作为半导体激光器的光学谐振腔；
包括如下步骤：
步骤1，首先取两片单晶硅衬底，分别记为所述第一硅衬底和第二硅衬底，进行超声清洗，在洗净干燥后的第二硅衬底上旋涂一层300～600nm厚的PMMA膜，干燥备用；
步骤2，利用微操作系统将所述有源层转移到所述PMMA膜远离所述第二硅衬底的那一面上，并使所述有源层与所述PMMA膜紧密贴合；
步骤3，用磁控溅射或电子束蒸发或脉冲激光沉积方法在所述有源层远离所述PMMA膜的那一面上蒸镀一层绝缘介质层，后再蒸镀一层金属层；
步骤4，利用微纳米加工技术在第二硅衬底、PMMA膜、有源层、绝缘介质层、金属层组成的多层结构上刻蚀出一刻蚀腔，其刻蚀深度等于金属层、绝缘介质层、有源层和PMMA膜的总厚度；
步骤5，利用磁控溅射镀膜机在所述刻蚀腔沉积一层厚度大于所述刻蚀深度的金属膜，使所述刻蚀腔完全抵接所述金属膜，从而形一成金属反射镜；
步骤6，用环氧树脂将清洗干燥后的第一硅衬底粘在所述金属膜上；
步骤7，待所述环氧树脂固化后，用一个干净的刀片将所述第二硅衬底以及所述第二硅衬底上的PMMA膜与有源层剥离开，并用丙酮清洗残留在有源层上的PMMA膜，这样就形成了金属微腔半导体激光器。
2.根据权利要求1所述的一种制作基于金属微腔的半导体激光器的方法，其特征在于，所述绝缘介质层具体为二氟化镁、三氧化二铝、二氧化硅、氟化锂其中之一构成；所述绝缘介质层的厚度为5～100nm。
3.根据权利要求1所述的一种制作基于金属微腔的半导体激光器的方法，其特征在于，所述有源层具体为半导体纳米片或半导体纳米线。
4.根据权利要求3所述的一种制作基于金属微腔的半导体激光器的方法，其特征在于，所述半导体纳米片或半导体纳米线具体由硒化镉、硫化镉、氧化锌、砷化镓、铟镓氮和铟镓砷磷中的一种制成。
5.根据权利要求1所述的一种制作基于金属微腔的半导体激光器的方法，其特征在于，所述金属层厚度范围为50～200nm，所述金属层具体由金属材料制成。
6.根据权利要求1所述的一种制作基于金属微腔的半导体激光器的方法，其特征在于，所述金属腔的形状具体为平行平面腔、凹凸腔、平凹腔、圆形腔、长方形腔、正多边形腔其中之一。
7.根据权利要求1所述的一种制作基于金属微腔的半导体激光器的方法，其特征在于，所述金属反射镜的高度大于所述绝缘介质层和有源层的厚度之和，且金属反射镜暴露在空气中的高度等于所述PMMA膜的厚度。
8.根据权利要求7所述的一种制作基于金属微腔的半导体激光器的方法，其特征在于，所述金属腔为光学谐振腔，且所述金属腔的高度等于所述绝缘介质层、有源层和PMMA膜的厚度之和，通过增加PMMA膜的厚度增加所述金属反射镜的高度。
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