CN109888611B - 一种电驱动纳米梁结构的氮化物微激光器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电驱动纳米梁结构的氮化物微激光器及其制备方法，激光器以硅基氮化物晶片为载体，包括从下至上依次设置的硅衬底层、u型氮化镓层、n型氮化镓层、量子肼层、p型氮化镓层、设置在所述p型氮化镓层上的p型电极、设置在所述n型氮化镓层边缘的n型电极，硅衬底层内部镂空，仅保留侧壁和底面，形成一个位于u型氮化镓层下方的空腔。本发明在硅衬底上的氮化物材料，利用光刻刻蚀工艺和ICP刻蚀工艺制备纳米梁结构的氮化物微腔，在正向偏压下，获得紫外光波段的激光。

Description

一种电驱动纳米梁结构的氮化物微激光器及其制备方法

技术领域

本发明属于激光技术领域，涉及一种电驱动纳米梁结构的氮化物微激光器及其制备方法。

背景技术

激光按腔体结构可分为三类：第一类是光在纳米颗粒界面随机共振形成的随机激光；第二类是光在一维的微纳米结构中利用微纳米线两个端面作为腔镜形成共振产生的F-P激光。前者散射损耗很大，没有固定模式；后者的端面损耗很大，也不易得到高品质(Q)、低阈值激光。第三类是采用尺度较大的微米棒或微米碟等微腔利用其全内反射形成的回音壁模式(WGM)激光，这类激光虽然能够获得高品质激光，但是不是所有的WGM激光器都能够和其它的光电子器件进行对接。因此，在此基础上，光子晶体激光器相对来说优势就很明显了。光子晶体激光器不仅提供了非常高的品质因子Q值而且还具有很小的体积V和占地面积。此外在光子晶体腔中我们还容易得到无阈值激光。

因此如何优化光子晶体微腔结构，实现高品质因子Q和低阈值氮化镓紫外激光将是本发明要解决的问题。

发明内容

技术问题：本发明提供一种具有极高的光学增益和极低的损耗，有利于与光电子器件集成，可以获得高品质因子低阈值的电驱动纳米梁结构的氮化物微激光器，同时提供了一种工艺性好、加工精度高的制备上述电驱动纳米梁结构的氮化物微激光器的方法。

技术方案：本发明的电驱动纳米梁结构的氮化物微激光器，以硅基氮化物晶片为载体，包括从下至上依次设置的硅衬底层、u型氮化镓层、n型氮化镓层、量子肼层、p型氮化镓层、设置在所述p型氮化镓层上的p型电极、设置在所述n型氮化镓层边缘的n型电极，所述硅衬底层内部镂空，仅保留侧壁和底面，形成一个位于u型氮化镓层下方的空腔，激光器设置多个从下至少刻穿u型氮化镓层、n型氮化镓层、量子肼层、p型氮化镓层直至空腔的孔洞，所述n型氮化镓层边缘处上方的量子肼层和p型氮化镓层刻蚀掉，n型电极设置在裸露出的n型氮化镓层上侧面上。

进一步的，本发明微激光器中，所述p型电极是沿p型氮化镓层上侧面边缘设置的环形电极。

进一步的，本发明微激光器中，所述n型氮化镓层边缘处刻蚀有阶梯状台面，所述阶梯状台面的下台面裸露，n型电极设置在下台面上。

进一步的，本发明微激光器中，所述孔洞为5个，其中一个孔洞设置在激光器中部，其余四个孔洞每两个一组，分列中部孔洞的两侧。

进一步的，本发明微激光器中，所述5个孔洞，设置在激光器中部的孔洞，及中部孔洞直径最小，分列其两侧的孔洞大于直径大于中部孔洞直径，且外侧孔洞大于内侧孔洞直径。

本发明利用光学光刻和ICP刻蚀工艺和氢氟酸与稀硝酸混合液湿法刻蚀工艺制备不同尺寸的对称氮化物悬空薄膜微腔。设计合理的工艺步骤，包括刻蚀模板的形状，获得由柱状支撑的且边缘光滑的对称氮化镓悬空薄膜微腔。降低微腔的弯曲损耗和侧面粗糙引起的散射损耗。

本发明制备电驱动纳米梁结构的氮化物微激光器的方法，包括以下步骤：

第一步：在硅基氮化镓晶片的P型氮化镓上表面旋涂光刻胶，然后采用光学光刻技术在旋涂的光刻胶层上定义孔洞结构的图形；

第二步：采用电子束蒸镀技术在图形上蒸镀金属镍，最后去除残留的光刻胶；

第三步：采用ICP刻蚀技术向下刻蚀氮化物层直至硅衬底层的上表面，从而将所述第一步中定义出的图形转移至硅基氮化物晶片的u型氮化镓层中，得到孔洞结构，然后用稀硝酸去除金属镍；

第四步：在硅衬底层表面旋涂光刻胶，然后采用光学光刻技术在旋涂的光刻胶层上定义n型电极区域的图形；

第五步：采用ICP刻蚀技术，沿着n型电极区域的图形向下刻蚀P型氮化镓层直至n型氮化镓层中部，从而将n型电极区域的图形转移到n型氮化镓层上，最后去清洗残留的光刻胶；

第六步：在硅衬底层表面旋涂光刻胶，然后采用光学光刻技术在对称薄膜微腔结构左右两侧上表面定义出p型区透明电极图形；

第七步：采用电子束蒸镀技术在p型区透明电极图形上表面上蒸镀正电极，在n型区透明电极图形上表面上蒸镀负电极，使得P型氮化镓层和n型氮化镓层上分别镀上正负电极，最后去除残留的光刻胶，获得p型区电极和n型区电极；

第八步：采用氢氟酸与稀硝酸的混合液湿法刻硅，直至硅衬底层底部，使硅衬底层中形成支撑对称薄膜微腔结构的硅柱和底面，构成悬空对称薄膜微腔。

进一步的，本发明方法中，正电极和负电极均为蒸镀的Cu/Ni。

考虑到光子晶体纳米梁腔尺寸小，制备简单并且容易获得高品质低阈值激光，申请人利用先进的微纳加工技术，设计并制备对称氮化物悬空微腔。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

光子晶体腔在低阈值激光器领域具有非常大的影响，因为其能够降低激光阈值，产生低阈值激光。同时光子晶体腔还使激光器具有超过100GHz的非常快的直接调制速度，这有可能用于光电通信。而且还可以在光子晶体腔激光器内使用量子点等活性材料以进一步降低激光阈值(通过最小化非辐射表面再生效应)。这些装置可应用于质量传感器等方面。本发明设计的光子晶体纳米梁腔嵌入了量子肼这种活性材料，能够通过Purcell增强腔体的自发发射率来降低激光阈值，容易产生受激辐射。此外，本发明设计的纳米梁腔不具有模式简并性，因此可以在广谱范围内支持单腔模式。这种单模性质对于大因子和激光阈值的降低是很重要的。

目前为止，现有的纳米梁结构的激光器，其发光波段都是在红外波段，在紫外波段(300nm左右)的几乎没有，本发明设计的光子晶体纳米梁腔发光波段就是在紫外波段，弥补了这一空白。

其次，现有的光子晶体激光器的驱动方式大多采用光驱动方式，而且采用光驱动作为激励方式的微腔结构大部分运用于科研实验方面，实际应用的价值比较低，部分采用电驱动方式的激光器发光波段都是在红外波段，本发明采用电驱动则很好的解决的这一个问题，相对于光驱动来说，首先，电驱动易于获得，方便控制，且易于和其他微电子器件集成。其次，电驱动方式相对于光驱动来说输出效率高且输出稳定，应用前景更好。而且本发明采用的材料不仅仅是单一的氮化镓材料，在p型氮化镓上还有一层量子肼，所以本发明是基于量子肼发光，发光波段在430～450nm左右。最后，本发明利用氢氟酸与稀硝酸的混合液湿法刻硅技术形成的柱状支撑结构，是一种结构良好的硅柱支撑对称的纳米梁光子晶体微腔，其采用的湿法刻蚀工艺是在镀上电极之后对其进行短时间悬空，悬空效果好的同时对电极的损耗也比较低。

附图说明

图1电驱动纳米梁结构的氮化物微激光器的侧视图

图2电驱动纳米梁结构的氮化物微激光器的俯视图。

图3电驱动纳米梁结构的氮化物微激光器的工艺流程图。

图中有：硅衬底层1，u型氮化镓层2，n型氮化镓层3，量子肼层4，p型氮化镓层5，p型电极6，n型电极7。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明的电驱动纳米梁结构的氮化物微激光器，

实施例1：本发明电驱动纳米梁结构的氮化物微激光器，以硅基氮化物晶片为载体，从下至上依次为硅衬底层、u型氮化镓层、n型氮化镓层、量子肼层、p型氮化镓层以及设置在p型氮化镓层上面的p型环形电极和设置在n型氮化镓层边缘的n型电极。该激光器晶片的硅衬底层通过湿法蚀刻硅技术，内部是镂空的，仅保留了侧壁和底面部分，形成了一个位于u型氮化镓层下方的空腔。该激光器设置了五个从p型氮化镓层向下至少刻穿量子肼层、n型氮化镓层、u型氮化镓层直至空腔的孔洞，这五个孔洞其中一个孔洞设置在激光器中部，其余四个孔洞每两个一组分别在中间孔洞两侧对称排列。中间孔洞的直径最小为100nm，分列中间孔洞两侧的两个孔洞，内侧孔洞直径大于中间孔洞，其直径为200nm，外侧孔洞直径大于内侧孔洞，其直径为300nm。该激光器设置在p型氮化镓层边缘的p型环形电极，其电极宽度为500nm，设置在n型氮化镓层边缘处的n型电极长度为3um，宽度为300nm。

实施例2：本发明电驱动纳米梁结构的氮化物微激光器，以硅基氮化物晶片为载体，从下至上依次为硅衬底层、u型氮化镓层、n型氮化镓层、量子肼层、p型氮化镓层以及设置在p型氮化镓层上面的p型环形电极和设置在n型氮化镓层边缘的n型电极。该激光器晶片的硅衬底层通过湿法蚀刻硅技术，内部是镂空的，仅保留了侧壁和底面部分，形成了一个位于u型氮化镓层下方的空腔。该激光器除了实施例一所述的可以设置五个从p型氮化镓层向下刻穿至空腔的孔洞之外，还可以设置七个从p型氮化镓层向下刻穿至空腔的孔洞，这七个孔洞其中一个孔洞设置在激光器中间部分，其余六个孔洞每三个一组，分别在中间孔洞两侧对称排列，并且孔洞直径是呈现规律性变化。中间孔洞的直径最小为100nm，分列在中间孔洞两侧的三个孔洞，最内侧孔洞直径大于中间孔洞，为200nm，外侧孔洞直径大于最内侧孔洞，为300nm，最外侧孔洞直径最大为400nm。与此同时，该激光器设置在p型氮化镓层边缘的p型环形电极和设置在n型氮化镓层的边缘处的n型电极，可以设置其电极宽度均为1um。

本发明的制备电驱动纳米梁结构的氮化物微激光器的方法，以制备电驱动纳米梁结构的氮化物微激光器，长度为10微米，宽度为3微米为例，制备过程如下：

第一步：将购买的商用硅衬底氮化镓晶片，经丙酮、无水乙醇和去离子水依次超声清洗后，然后用氮气吹干；使用匀胶机在晶片正面(p型氮化物层5上表面)以4000转/分钟的转速旋涂光刻胶AZ-5214，旋涂时间为40秒(光刻胶厚度为1.5微米)。

采用光学光刻技术，在在旋涂的光刻胶层上定义出从上至下刻穿氮化镓层直至空腔的对称孔洞结构的图形，(对称薄膜微腔图形结构)，光刻机型号为MA6。

第二步：采用电子束蒸镀技术在P型氮化镓层5表面上蒸镀700nm金属镍，然后去除残留的光刻胶。

第三步：采用ICP刻蚀技术向下刻蚀氮化物层直至硅衬底层的上表面，从而将所述第一步中定义出的对称孔洞结构的(薄膜微腔)图形转移至硅基氮化物晶片的硅衬底层1层中，

然后将晶片放入稀硝酸溶液中去除残留的金属镍；

第四步：使用匀胶机在晶片正面(硅衬底层1表面)以4000转/分钟的转速旋涂光刻胶AZ-5214，旋涂时间为40秒(光刻胶厚度为1.5微米)。

采用光学光刻技术，在在旋涂的光刻胶层上定义出n型电极7的图形区域，并利用ICP刻蚀技术将定义出的n型电极图形区域转移至晶片的n型氮化镓层3上，最后清洗残留的光刻胶，光刻机型号为MA6。

第五步：使用匀胶机在晶片正面(硅衬底层1表面)以4000转/分钟的转速旋涂光刻胶AZ5214，旋涂时间为40秒(光刻胶厚度为1.5微米)。

采用光学光刻技术，在在旋涂的光刻胶层上定义出p型电极6的图形区域；

第六步：采用电子束蒸镀技术在电极图形上蒸镀金属(Cu/Ni)，使得P型氮化镓5和n型氮化镓层3上分别镀上p型电极6和n型电极7，最后去除残留的光刻胶；

第七步：采用氢氟酸与稀硝酸的混合液湿法刻蚀，在硅衬底层1下方形成柱状结构支撑悬空微腔，从而使对称薄膜微腔悬空。刻蚀气体为HF与HNO3混合液，刻蚀时间为1分钟，最后去除残留的光刻胶。

Claims (7)

1.一种电驱动纳米梁结构的氮化物微激光器，其特征在于，该激光器以硅基氮化物晶片为载体，包括从下至上依次设置的硅衬底层(1)、u型氮化镓层(2)、n型氮化镓层(3)、量子肼层(4)、p型氮化镓层(5)、设置在所述p型氮化镓层(5)上的p型电极(6)、设置在所述n型氮化镓层(3)边缘的n型电极(7)，所述硅衬底层(1)内部镂空，仅保留侧壁和底面，形成一个位于u型氮化镓层(2)下方的空腔，激光器设置多个从上至下刻穿p型氮化镓层(5)、量子肼层(4)、n型氮化镓层(3)、u型氮化镓层(2)直至空腔的孔洞，所述n型氮化镓层(3)边缘处上方的量子肼层(4)和p型氮化镓层(5)刻蚀掉，n型电极(7)设置在裸露出的n型氮化镓层(3)上侧面上。

2.根据权利要求1所述的电驱动纳米梁结构的氮化物微激光器，其特征在于，所述p型电极(6)是沿p型氮化镓层(5)上侧面边缘设置的环形电极。

3.根据权利要求1所述的电驱动纳米梁结构的氮化物微激光器，其特征在于，所述n型氮化镓层(3)边缘处刻蚀有阶梯状台面，所述阶梯状台面的下台面裸露，n型电极(7)设置在下台面上。

4.根据权利要求1、2或3所述的电驱动纳米梁结构的氮化物微激光器，其特征在于，所述孔洞为5个，其中一个孔洞设置在激光器中部，其余四个孔洞每两个一组，分列中部孔洞的两侧。

5.根据权利要求4所述的电驱动纳米梁结构的氮化物微激光器，其特征在于，所述5个孔洞，设置在激光器中部的孔洞直径最小，分列其两侧的孔洞直径大于中部孔洞直径，且外侧孔洞大于内侧孔洞直径。

6.一种制备电驱动纳米梁结构的氮化物微激光器的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

第一步：在硅基氮化镓晶片的P型氮化镓(5)上表面旋涂光刻胶，然后采用光学光刻技术在旋涂的光刻胶层上定义孔洞结构的图形；

第二步：采用电子束蒸镀技术在图形上蒸镀金属镍，最后去除残留的光刻胶；

第三步：采用ICP刻蚀技术向下刻蚀氮化物层直至硅衬底层(1)的上表面，从而将所述第一步中定义出的图形转移至硅基氮化物晶片的u型氮化镓层(2)中，得到孔洞结构，然后用稀硝酸去除金属镍；

第四步：在硅衬底层(1)表面旋涂光刻胶，然后采用光学光刻技术在旋涂的光刻胶层上定义n型电极区域的图形；

第五步：采用ICP刻蚀技术，沿着n型电极区域的图形向下刻蚀P型氮化镓层(5)直至n型氮化镓层(3)中部，从而将n型电极区域的图形转移到n型氮化镓层(3)上，最后去清洗残留的光刻胶；

第六步：在硅衬底层(1)表面旋涂光刻胶，然后采用光学光刻技术在对称薄膜微腔结构左右两侧上表面定义出p型区透明电极图形；

第七步：采用电子束蒸镀技术在p型区透明电极图形上表面上蒸镀正电极，在n型区透明电极图形上表面上蒸镀负电极，使得P型氮化镓层(5)和n型氮化镓层(3)上分别镀上正负电极，最后去除残留的光刻胶，获得p型区电极(6)和n型区电极(7)；

第八步：采用氢氟酸与稀硝酸的混合液湿法刻硅，直至硅衬底层(1)底部，内部镂空，仅保留侧壁和底面，构成悬空对称薄膜微腔。

7.根据权利要求6所述的制备电驱动纳米梁结构的氮化物微激光器的方法，其特征在于，所述正电极和负电极均为蒸镀的Cu/Ni。

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