CN109659810B - 一种降低微腔半导体激光器阈值的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种降低微腔半导体激光器阈值的方法，包括：将制备得到的微腔半导体激光器器件通入惰性气体启辉；通入等离子气体进行电离，使所述等离子气体附着于所述微腔半导体激光器器件的微腔腔体上，形成表面钝化，以便于降低所述微腔半导体激光器器件的激光器阈值。本发明实现了抑制材料非辐射复合过程，提高发光效率，有效降低激光器件阈值；避免了现有解决激光器器件表面态的(工作阈值)方式为通过含硫溶液进行的钝化手段，但其重复性较差，不易控制，且易破坏微纳尺度器件的缺陷。
Description
技术领域
本发明属于半导体激光器技术领域，尤其涉及一种降低微腔半导体激光器阈值的方法。
背景技术
半导体激光器体积小，重量轻，结构简单且寿命较长，在光电子领域中应用非常广泛。随着信息社会的快速发展，小型化和集成化的光电子器件是人们追求的目标。进一步降低器件尺寸，提高器件性能是半导体激光器发展的目标。
基于III-V族材料的半导体激光器(基于GaAs基、InP基和GaSb基的III-V族化合物的半导体激光器)，由于材料自身表面悬挂键较多，材料表面易性能表面态，从而引发非辐射复合过程，严重阻碍器件性能的提高。这在量子通讯、数据存储和光学传感领域中所需的微纳尺度的光电子器件上表现尤为突出。随着器件尺寸的降低，材料比表面积更大；此外现有微腔器件有源区完全暴露在外，随着表面态的升高，材料发光效率急剧降低，工作阈值逐渐提高，将严重响应器件稳定性。
现有解决激光器器件表面态的(工作阈值)方式为通过含硫溶液进行的钝化手段，但其重复性较差，不易控制，且易破坏微纳尺度器件。
发明内容
本发明提供一种降低微腔半导体激光器阈值的方法，以解决现有的解决激光器器件表面态的(工作阈值)方式中，重复性差，不易控制，且易破坏微纳尺度器件的问题。
为解决上述问题，本发明提供一种降低微腔半导体激光器阈值的方法，应用于基于GaAs基、InP基和GaSb基的III-V族化合物的半导体激光器，包括：
将制备得到的微腔半导体激光器器件通入惰性气体启辉；
通入等离子气体进行电离，使所述等离子气体附着于所述微腔半导体激光器器件的微腔腔体上，形成表面钝化，以便于降低所述微腔半导体激光器器件的激光器阈值。
优选地，所述等离子气体包括氮气、硫化氢和氖气的一种或多种。
优选地，所述等离子气体为氮气、硫化氢和氖气中的两种或三种组合而成的混合气体；其中，所述混合气体中各个组分所占的比例相等。
优选地，所述等离子气体的流速为10-15sccm。
优选地，所述“将制备得到的所述微腔半导体激光器器件通入惰性气体启辉”包括：
将制备得到的所述微腔半导体激光器器件置于ICP-RIE的腔体中；
通入惰性气体气启辉；其中，
所述惰性气体启辉的流速控制在5sccm；并且，将ICP功率稳定控制在300W-400W。
优选地，所述惰性气体为Ar气。
优选地，所述“将制备得到的微腔半导体激光器器件通入惰性气体启辉”之前，还包括：制备微腔半导体激光器器件；
所述“制备微腔半导体激光器器件”包括：
对基片进行清洗处理，得到清洗后基片；
将所述清洗后基片置于PECVD腔体中掩膜生长，得到掩膜基片；
将所述掩膜基片进行EBL图案书写，并依次进行RIE硬掩模刻蚀、ICP-RIE刻蚀、悬空微腔刻蚀，得到微腔半导体激光器器件。
优选地，所述“对基片进行清洗处理，得到清洗后基片”包括：
将所述基片分别在去离子水、丙酮以及异丙醇中分别清洗，最后用氮气吹干并用Plasma处理，即得到所述清洗后基片。
优选地，所述“将所述清洗后基片置于PECVD腔体中掩膜生长，得到掩膜基片”包括：
将所述清洗后基片，置于所述PECVD腔体中，在300℃条件下生长120nm二氧化硅硬掩膜，得到所述掩膜基片；
所述“EBL图案书写”包括：
将所述掩膜基片放于旋图机上旋涂电子胶并进行电子束曝光写图案；
利用乙酸戊酯显影，异丙醇定影，并进行加热烘烤。
优选地，所述“RIE硬掩模刻蚀”包括：
将EBL图案书写后的所述掩膜基片置于ICP-RIE腔体中，并设定氯气、六氟化氢和氮气混合气体进行图案刻蚀；
通过氧气/氮气去除表面剩余的电子胶；
所述“ICP-RIE刻蚀”包括：
取完成RIE硬掩模刻蚀的所述掩膜基片，利用氯气、三氯化硼和氮气混合气体进行有源区的图案刻蚀；
通过氯气、六氟化氢和氮气混合气体去除剩余的硬掩模。
本发明提供一种降低微腔半导体激光器阈值的方法，在制备得到基于III-V族半导体材料的腔半导体激光器器件后，在惰性气体辅助增强下，通过等离子气体对该腔半导体激光器器件进行表面钝化，从而实现抑制材料非辐射复合过程，提高发光效率，有效降低激光器件阈值；避免了现有解决激光器器件表面态的(工作阈值)方式为通过含硫溶液进行的钝化手段，但其重复性较差，不易控制，且易破坏微纳尺度器件的缺陷。
具体实施方式
下面结合具体实施例的方式对本发明的技术方案做进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任何限制，任何人在本发明权利要求范围内所做的有限次的修改，仍在本发明的权利要求范围之内。
本实施例中提供一种降低微腔半导体激光器阈值的方法，应用于基于GaAs基、InP基和GaSb基的III-V族化合物的半导体激光器，包括：
将制备得到的微腔半导体激光器器件通入惰性气体启辉；
通入等离子气体进行电离，使所述等离子气体附着于所述微腔半导体激光器器件的微腔腔体上，形成表面钝化，以便于降低所述微腔半导体激光器器件的激光器阈值。
上述，需要说明的是，III-V族化合物，是元素周期表中III族的B，Al，Ga，In和V族的N，P，As，Sb形成的化合物，主要包括镓化砷(GaAs)、磷化铟(InP)和氮化镓等。
需要说明的是，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。常用工作物质有砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。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。
上述，惰性气体元素是指元素周期表上的18族元素。在常温常压下，它们都是无色无味的单原子气体，很难进行化学反应。天然存在的稀有气体有六种，即氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)和具放射性的氡(Rn)。
本实施例提供一种降低微腔半导体激光器阈值的方法，在制备得到基于III-V族半导体材料的腔半导体激光器器件后，在惰性气体辅助增强下，通过等离子气体对该腔半导体激光器器件进行表面钝化，从而实现抑制材料非辐射复合过程，提高发光效率，有效降低激光器件阈值；避免了现有解决激光器器件表面态的(工作阈值)方式为通过含硫溶液进行的钝化手段，但其重复性较差，不易控制，且易破坏微纳尺度器件的缺陷。
进一步的，所述等离子气体包括氮气、硫化氢和氖气的一种或多种。
进一步的，所述等离子气体为氮气、硫化氢和氖气中的两种或三种组合而成的混合气体；其中，所述混合气体中各个组分所占的比例相等。
上述，等离子气体，可以为氮气、硫化氢和氖气中的一种，也可以为两两组合或三种气体的组合的混合物；其中，当组合成为混合物时，则为等比例混合，例如，氮气和硫化氢1:1混合气体、氮气，硫化氢和氖气1：1：1混合气体等等。
进一步的，所述等离子气体的流速为10-15sccm。
上述，sccm为流量单位，即标准毫升/分钟。
进一步的，所述“将制备得到的所述微腔半导体激光器器件通入惰性气体启辉”包括：
将制备得到的所述微腔半导体激光器器件置于ICP-RIE的腔体中；
通入惰性气体气启辉；其中，
所述惰性气体启辉的流速控制在5sccm；并且，将ICP功率稳定控制在300W-400W。
ICP功率控制在300W-400W。
进一步的，所述惰性气体为Ar气。
进一步的，所述“将制备得到的微腔半导体激光器器件通入惰性气体启辉”之前，还包括：制备微腔半导体激光器器件；
所述“制备微腔半导体激光器器件”包括：
对基片进行清洗处理，得到清洗后基片；
将所述清洗后基片置于PECVD腔体中掩膜生长，得到掩膜基片；
将所述掩膜基片进行EBL图案书写，并依次进行RIE硬掩模刻蚀、ICP-RIE刻蚀、悬空微腔刻蚀，得到微腔半导体激光器器件。
上述，悬空微腔刻蚀，为将刻好的基片浸泡在0.2％的氢氟酸中实现柱状架空结构刻蚀，即得到所述微腔半导体激光器器件。
进一步的，所述“对基片进行清洗处理，得到清洗后基片”包括：
将所述基片分别在去离子水、丙酮以及异丙醇中分别清洗，最后用氮气吹干并用Plasma处理，即得到所述清洗后基片。
上述，在去离子水、丙酮以及异丙醇中进行分别清洗，每种溶剂清洗的时间控制在15分钟。通过氮气吹干，并再用Plasma处理8分钟，即得。
进一步的，所述“将所述清洗后基片置于PECVD腔体中掩膜生长，得到掩膜基片”包括：
将所述清洗后基片，置于所述PECVD腔体中，在300℃条件下生长120nm二氧化硅硬掩膜，得到所述掩膜基片；
所述“EBL图案书写”包括：
将所述掩膜基片放于旋图机上旋涂电子胶并进行电子束曝光写图案；
利用乙酸戊酯显影，异丙醇定影，并进行加热烘烤。
上述，将长好硬掩模的基片放于旋图机上，并设定35000r/s旋涂40s实现均匀铺满110nm厚ZEP520电子胶；电子束曝光写图案后乙酸戊酯显影2分钟，异丙醇定影1分钟，180℃烘烤，优选的烘烤时间为10分钟。
进一步的，所述“RIE硬掩模刻蚀”包括：
将EBL图案书写后的所述掩膜基片置于ICP-RIE腔体中，并设定氯气、六氟化氢和氮气混合气体进行图案刻蚀；
通过氧气/氮气去除表面剩余的电子胶；
上述，电子胶，用于电子元器件的粘接，密封，灌封和涂覆保护。在本实施例中，可以为ZEP520电子胶。
所述“ICP-RIE刻蚀”包括：
取完成RIE硬掩模刻蚀的所述掩膜基片，利用氯气、三氯化硼和氮气混合气体进行有源区的图案刻蚀；
通过氯气、六氟化氢和氮气混合气体去除剩余的硬掩模。
将完成RIE硬掩模刻蚀的所述掩膜基片放置于ICP-RIE腔体中，并设定氯气/三氯化硼/氮气混合气体于300W功率下实现有源区的图案刻蚀。再用氯气/六氟化氢/氮气混合气体于400W下去除剩余的硬掩模，即得。
为了便于理解本发明，下面结合实施例来进一步说明本发明的技术方案。申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
表1、实施例1-7中降低微腔半导体激光器阈值的方法的工艺参数
实施例1-7制备工艺的步骤：
1、制备微腔半导体激光器器件步骤：
S1、将所述基片分别在去离子水、丙酮以及异丙醇中分别清洗，最后用氮气吹干并用Plasma处理，即得到所述清洗后基片；
S2、将所述清洗后基片，置于所述PECVD腔体中，在300℃条件下生长120nm二氧化硅硬掩膜，得到所述掩膜基片；
S3、将所述掩膜基片放于旋图机上旋涂电子胶并进行电子束曝光写图案；利用乙酸戊酯显影，异丙醇定影，并进行加热烘烤。
S4、将EBL图案书写后的所述掩膜基片置于ICP-RIE腔体中，并设定氯气、六氟化氢和氮气混合气体进行图案刻蚀；通过氧气/氮气去除表面剩余的电子胶；
S5、取完成RIE硬掩模刻蚀的所述掩膜基片，利用氯气、三氯化硼和氮气混合气体进行有源区的图案刻蚀；通过氯气、六氟化氢和氮气混合气体去除剩余的硬掩模；
S6、将刻好的基片浸泡在0.2％的氢氟酸中实现柱状架空结构刻蚀，即得到微腔半导体激光器器件。
2：微腔半导体激光器器件的钝化步骤：
S7、将制备得到的微腔半导体激光器器件通入惰性气体启辉；其中，所述惰性气体为Ar气；所述惰性气体启辉的流速控制在5sccm；并且，将ICP功率稳定控制在300W-400W；
S8、通入等离子气体进行电离，使所述等离子气体附着于所述微腔半导体激光器器件的微腔腔体上，形成表面钝化，以便于降低所述微腔半导体激光器器件的激光器阈值；其中，所述等离子气体的流速为10-15sccm。所述等离子气体包括氮气、硫化氢和氖气的一种，或者为氮气、硫化氢和氖气中的两种或三种组合而成的混合气体；其中，在混合气体中各个组分所占的比例相等。
实施例1：
按照表1中工艺参数，通过上述制备工艺的步骤进行制备，得到经过钝化工艺后的微腔半导体激光器器件。
实施例2：
按照表1中工艺参数，通过上述制备工艺的步骤进行制备，得到经过钝化工艺后的微腔半导体激光器器件。
实施例3：
按照表1中工艺参数，通过上述制备工艺的步骤进行制备，得到经过钝化工艺后的微腔半导体激光器器件。
实施例4：
按照表1中工艺参数，通过上述制备工艺的步骤进行制备，得到经过钝化工艺后的微腔半导体激光器器件。
实施例5：
按照表1中工艺参数，通过上述制备工艺的步骤进行制备，得到经过钝化工艺后的微腔半导体激光器器件。
实施例6：
按照表1中工艺参数，通过上述制备工艺的步骤进行制备，得到经过钝化工艺后的微腔半导体激光器器件。
实施例7：
按照表1中工艺参数，通过上述制备工艺的步骤进行制备，得到经过钝化工艺后的微腔半导体激光器器件。
Claims (7)
1.一种降低微腔半导体激光器阈值的方法，应用于基于GaAs基、InP基和GaSb基的III-V族化合物的半导体激光器，其特征在于，包括：
制备微腔半导体激光器器件；
将制备得到的微腔半导体激光器器件通入惰性气体启辉；
通入等离子气体进行电离，使所述等离子气体附着于所述微腔半导体激光器器件的微腔腔体上，形成表面钝化，以便于降低所述微腔半导体激光器器件的激光器阈值；
所述“制备微腔半导体激光器器件”包括：
对基片进行清洗处理，得到清洗后基片；
将所述清洗后基片置于PECVD腔体中掩膜生长，得到掩膜基片；
将所述掩膜基片进行EBL图案书写，并依次进行RIE硬掩模刻蚀、ICP-RIE刻蚀、悬空微腔刻蚀，得到微腔半导体激光器器件；
所述悬空微腔刻蚀，为将刻好的基片浸泡在0.2％的氢氟酸中实现柱状架空结构刻蚀，即得到所述微腔半导体激光器器件；
所述等离子气体包括氮气、硫化氢和氖气的一种或多种；
所述“将制备得到的所述微腔半导体激光器器件通入惰性气体启辉”包括：
将制备得到的所述微腔半导体激光器器件置于ICP-RIE的腔体中；
通入惰性气体气启辉；其中，
所述惰性气体启辉的流速控制在5sccm；并且，将ICP功率稳定控制在300W-400W。
2.如权利要求1所述降低微腔半导体激光器阈值的方法，其特征在于，所述等离子气体为氮气、硫化氢和氖气中的两种或三种组合而成的混合气体；其中，所述混合气体中各个组分所占的比例相等。
3.如权利要求1所述降低微腔半导体激光器阈值的方法，其特征在于，所述等离子气体的流速为10-15sccm。
4.如权利要求1所述降低微腔半导体激光器阈值的方法，其特征在于，所述惰性气体为Ar气。
5.如权利要求1所述降低微腔半导体激光器阈值的方法，其特征在于，所述“对基片进行清洗处理，得到清洗后基片”包括：
将所述基片分别在去离子水、丙酮以及异丙醇中分别清洗，最后用氮气吹干并用Plasma处理，即得到所述清洗后基片。
6.如权利要求1所述降低微腔半导体激光器阈值的方法，其特征在于，所述“将所述清洗后基片置于PECVD腔体中掩膜生长，得到掩膜基片”包括：
将所述清洗后基片，置于所述PECVD腔体中，在300℃条件下生长120nm二氧化硅硬掩膜，得到所述掩膜基片；
所述“EBL图案书写”包括：
将所述掩膜基片放于旋图机上旋涂电子胶并进行电子束曝光写图案；
利用乙酸戊酯显影，异丙醇定影，并进行加热烘烤。
7.如权利要求1所述降低微腔半导体激光器阈值的方法，其特征在于，
所述“RIE硬掩模刻蚀”包括：
将EBL图案书写后的所述掩膜基片置于ICP-RIE腔体中，并设定氯气、六氟化氰和氮气混合气体进行图案刻蚀；
通过氧气/氮气去除表面剩余的电子胶；
所述“ICP-RIE刻蚀”包括：
取完成RIE硬掩模刻蚀的所述掩膜基片，利用氯气、三氯化硼和氮气混合气体进行有源区的图案刻蚀；
通过氯气、六氟化氰和氮气混合气体去除剩余的硬掩模。
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