CN111641107B - 基于二氧化钛光子晶体的氮化镓基面激光器及制备方法 - Google Patents

基于二氧化钛光子晶体的氮化镓基面激光器及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于二氧化钛光子晶体的面发射型氮化镓基激光器及制备方法，包括蓝宝石衬底层、n‑GaN层、n‑AlGaN层、波导n‑GaN层、n‑电极、InGaN/GaN成对组成的多层量子阱有源层、p‑GaN层、p‑电极、TiO2光子晶体层。本发明采用了TiO2作为光子晶体层的材料，实现了对光场模式分布的有益调控，能实现在光子晶体内的高效耦合，更有利于激光器低阈值的实现。采用了在晶片表面生长制备光子晶体层，相比传统的在晶片材料内部引入光子晶体的方法更为简单方便，降低了制备加工的难度。

Description

基于二氧化钛光子晶体的氮化镓基面激光器及制备方法
技术领域
本发明公开了基于二氧化钛光子晶体的氮化镓基面激光器及制备方法，涉及属于有源光子器件领域。
背景技术
光子晶体面发射型激光器（PCSEL）具有发射面积大、能量高、发散角小、单模性好等优点，而基于氮化镓（GaN）材料的短波长/蓝光激光器在高速通信、显示系统、高密度存储器等领域具有广泛的应用并能实现出色的性能和应用前景。
然而目前氮化镓基光子晶体面发射型激光器的报道都是基于在GaN内部掩埋空气孔形成光子晶体（PC），或是从表面GaN刻穿透有源量子阱层得到光子晶体。第一种方法工艺复杂，难度较高，且未能得到较好的光场与PC区的耦合强度；第二种方法对GaN体系和有源层产生了破坏，一般只能实现光泵浦激光。
发明内容
本发明针对上述背景技术中的缺陷，提供基于二氧化钛光子晶体的氮化镓基面激光器及制备方法，结构简单，性能优异，制备简单。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：基于二氧化钛光子晶体的氮化镓基面发射型激光器，包括
蓝宝石衬底层；
n-GaN层，位于蓝宝石衬底层之上；
n-AlGaN层，位于n-GaN层之上；
波导n-GaN层，位于n-AlGaN层之上；
MQWs层，位于波导n-GaN层之上，所述MQWs层为InGaN/GaN成对组成的多层量子阱有源层；
p-GaN层，位于波导MQWs层之上；
TiO2光子晶体层，位于p-GaN层之上；
n-电极，n-电极在波导n-GaN层的表面；
p-电极，p-电极在p-GaN层的表面。
进一步的，TiO2光子晶体层是将TiO2层进行刻透形成周期性孔洞的结构，晶格为正方晶格或三角晶格或蜂窝型晶格，周期为150~250 nm，孔半径为10~100 nm。
进一步的，所述n-电极和p-电极采用四周环形电极结构、中心实心电极结构、边角电极结构和光泵浦结构设计；
所述四周环形电极结构为：所述TiO2光子晶体层，p-GaN层，MQWs层和波导n-GaN层采用圆形结构设计，所述TiO2光子晶体层、p-GaN层和波导n-GaN层直径依次增大，所述的p-GaN层和MQWs层的直径相同，p-电极在TiO2光子晶体层周围，n-电极在p-GaN层和MQWs层的周围。
所述中心实心电极结构为：所述TiO2光子晶体层，p-GaN层，MQWs层和波导n-GaN层采用圆形结构设计，所述TiO2光子晶体层、p-GaN层和波导n-GaN层直径依次增大，所述的p-GaN层和MQWs层的直径相同，p-电极在TiO2光子晶体层中心，n-电极在p-GaN层和MQWs层的周围。
所述边角电极结构为：所述TiO2光子晶体层，p-GaN层，MQWs层和波导n-GaN层采用方形结构，p-电极在p-GaN层的边角位置，采用一定大小的实心结构，n-电极在n-GaN上并处于p-电极位置斜对的位置，采用一定大小的实心结构。
进一步的，所述n-AlGaN层厚度为300~1000 nm，Al含量为10%~20%。
进一步的，所述n-GaN层厚度为1~8 µm，波导n-GaN层厚度为20~250 nm，p-GaN层厚度为20~250 nm。
所述的基于二氧化钛光子晶体的氮化镓基面发射型激光器的制备方法，包括以下步骤：
步骤（1）：生长好的GaN有源晶片，表面沉积一定厚度的TiO2，然后采用由上至下的微纳加工工艺制备GaN-PCSEL，在TiO2表面进行电子束光刻，形成光子晶体掩膜结构；
步骤（2）：进行干法或湿法刻蚀TiO2，形成孔洞结构，并去除电子束光刻的电子束胶；
步骤（3）：采用光刻及TiO2刻蚀工艺，留下设定区域的TiO2光子晶体层；
步骤（4）：采用光刻及lift off工艺在p-GaN表面设定区域进行p电极的制备；
步骤（5）：采用光刻及Ⅲ-Ⅴ刻蚀工艺，由上到下将设定区域刻蚀至n-GaN层；
步骤（6）：采用光刻及lift off工艺在n-GaN表面设定区域进行n电极的制备。
工作原理如下：当有源层(MQWs层)发出的光频率满足光子晶体的边缘带隙条件时，该波长在光子晶体面内谐振产生驻波，该驻波在该面内的谐振会与有源层产生交互，进而形成增益，粒子数反转，从而产生激光，同时由于光子晶体的一阶布拉格衍射实现对激光的面外垂直发射。
有益效果
1.本发明采用AlGaN层和光子晶体层作为包覆层，形成以有源层为中心的类波导结构，能对基模形成很好的限制，从而为光场同时在光子晶体内和有源层内的高耦合强度奠定基础。
2.本发明采用了TiO2作为光子晶体层的材料，实现了对光场模式分布的有益调控，能实现在光子晶体内的高效耦合，更有利于激光器低阈值的实现。
3.本发明采用在晶片表面生长制备光子晶体层，相比传统的在晶片材料内部引入光子晶体的方法更为简单方便，降低了制备加工的难度。
附图说明
图1是本发明的结构侧视图；
图2是本发明第一种实施例的俯视图；
图3是本发明第二种实施例的俯视图；
图4是本发明第三种实施例的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，基于二氧化钛光子晶体的氮化镓基面发射型激光器，包括
蓝宝石衬底层；
n-GaN层，位于蓝宝石衬底层之上；
n-AlGaN层，位于n-GaN层之上；
波导n-GaN层，位于n-AlGaN层之上；
MQWs层，位于波导n-GaN层之上；
p-GaN层，位于波导MQWs层之上；
TiO2光子晶体层，位于p-GaN层之上；
n-电极，n-电极在波导n-GaN层的表面；
p-电极，p-电极在p-GaN层的表面。
TiO2光子晶体层是将TiO2层进行刻透形成周期性孔洞的结构，晶格为正方晶格或三角晶格或蜂窝型晶格，周期为150~250 nm，孔半径为10~100 nm。
所述n-AlGaN层厚度为300~1000 nm，Al含量为10%~20%。
所述n-GaN层厚度为1~8 µm，波导n-GaN层厚度为20~250 nm，p-GaN层厚度为20~250 nm。
所述n-电极和p-电极采用四周环形电极结构、中心实心电极结构、边角电极结构和光泵浦结构设计；
如图2所示，所述四周环形电极结构为：所述TiO2光子晶体层，p-GaN层，MQWs层和波导n-GaN层采用圆形结构设计，所述TiO2光子晶体层、p-GaN层和波导n-GaN层直径依次增大，所述的p-GaN层和MQWs层的直径相同，p-电极在TiO2光子晶体层周围，n-电极在p-GaN层和MQWs层的周围。
如图3所示，所述中心实心电极结构为：所述TiO2光子晶体层，p-GaN层，MQWs层和波导n-GaN层采用圆形结构设计，所述TiO2光子晶体层、p-GaN层和波导n-GaN层直径依次增大，所述的p-GaN层和MQWs层的直径相同，p-电极在TiO2光子晶体层中心，n-电极在p-GaN层和MQWs层的周围。
如图4所示，所述边角电极结构为：所述TiO2光子晶体层，p-GaN层，MQWs层和波导n-GaN层采用方形结构，p-电极在p-GaN层的边角位置，采用一定大小的实心结构，n-电极在n-GaN上并处于p-电极位置斜对的位置，采用一定大小的实心结构。
所述的基于二氧化钛光子晶体的氮化镓基面发射型激光器的制备方法，包括以下步骤：
步骤（1）：在TiO2表面进行电子束光刻，形成光子晶体掩膜结构；
步骤（2）：进行干法或湿法刻蚀TiO2，形成孔洞结构，并去除电子束光刻的电子束胶；
步骤（3）：采用光刻及TiO2刻蚀工艺，留下设定区域的TiO2光子晶体层；
步骤（4）：采用光刻及lift off工艺在p-GaN表面设定区域进行p电极的制备；
步骤（5）：采用光刻及Ⅲ-Ⅴ刻蚀工艺，由上到下将设定区域刻蚀至n-GaN层，形成p型岛；
步骤（6）：采用光刻及lift off工艺在n-GaN表面设定区域进行n电极的制备。
当有源层发出的光频率满足光子晶体的边缘带隙条件时，该波长在光子晶体面内谐振产生驻波，光场在该面内的谐振会与有源层产生交互，进而形成增益，粒子数反转，从而产生激光，同时由于光子晶体的一阶布拉格衍射实现对激光的面外垂直发射。
本发明采用AlGaN层和光子晶体层作为包覆层，形成以有源层为中心的类波导结构，能对基模形成很好的限制，从而为光场同时在光子晶体内和有源层内的高耦合强度奠定基础。
本发明采用了TiO2作为光子晶体层的材料，实现了对光场模式分布的有益调控，能实现在光子晶体内的高效耦合，更有利于激光器低阈值的实现。
本发明采用在晶片表面生长制备光子晶体层，相比传统的在晶片材料内部引入光子晶体的方法更为简单方便，降低了制备加工的难度。
以上所述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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.基于二氧化钛光子晶体的氮化镓基面发射型激光器，其特征在于，包括
蓝宝石衬底层；
n-GaN层，位于蓝宝石衬底层之上；
n-AlGaN层，位于n-GaN层之上；
波导n-GaN层，位于n-AlGaN层之上；
MQWs层，位于波导n-GaN层之上；
p-GaN层，位于波导MQWs层之上；
TiO2光子晶体层，位于p-GaN层之上；
n-电极，n-电极在波导n-GaN层的表面；
p-电极，p-电极在p-GaN层的表面，TiO2光子晶体层是将TiO2层进行刻透形成周期性孔洞的结构，光子晶体的晶格类型为正方晶格或三角晶格或蜂窝型晶格，周期为150~250 nm，孔半径为10~100 nm。
2.根据权利要求1所述的基于二氧化钛光子晶体的氮化镓基面发射型激光器，其特征在于，所述n-电极和p-电极采用四周环形电极结构、中心实心电极结构、边角电极结构和光泵浦结构设计。
3. 根据权利要求1所述的基于二氧化钛光子晶体的氮化镓基面发射型激光器，其特征在于，所述n-AlGaN层厚度为300~1000 nm，Al含量为10%~20%。
4. 根据权利要求1所述的基于二氧化钛光子晶体的氮化镓基面发射型激光器，其特征在于，所述n-GaN层厚度为1~8 µm，波导n-GaN层厚度为20~250 nm，p-GaN层厚度为20~250nm。
5.根据权利要求1~4所述的基于二氧化钛光子晶体的氮化镓基面发射型激光器的制备方法，起始材料为蓝宝石基GaN有源晶片，包括以下步骤：
步骤（1）：在蓝宝石基GaN有源晶片表面生长一定厚度的TiO2;
步骤（2）：在TiO2表面进行电子束光刻，形成光子晶体掩膜结构；
步骤（3）：进行干法或湿法刻蚀TiO2，形成孔洞结构，并去除电子束光刻的电子束胶；
步骤（4）：采用光刻及TiO2刻蚀工艺，留下设定区域的TiO2光子晶体层；
步骤（5）：采用光刻及lift off工艺在p-GaN表面设定区域进行p电极的制备；
步骤（6）：采用光刻及Ⅲ-Ⅴ刻蚀工艺，由上到下将设定区域刻蚀至n-GaN层；
步骤（7）：采用光刻及lift off工艺在n-GaN表面设定区域进行n电极的制备。
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