CN112421375A - 中红外波段激光器外延结构、中红外波段微腔激光器及其制备方法和应用、检测器件 - Google Patents

中红外波段激光器外延结构、中红外波段微腔激光器及其制备方法和应用、检测器件 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种中红外波段激光器外延结构、中红外波段微腔激光器及其制备方法和应用、检测器件，涉及半导体器件技术领域，包括依次设置于衬底上的过滤缓冲层、n型波导层、n型限制层、有源区、p型限制层、p型波导层和p型覆盖层；过滤缓冲层包括InxGa1‑xAsySb1‑y，其中，0<x<1，0<y<1。本发明微腔激光器外延结构由于采用四元合金缓冲层InxGa1‑xAsySb1‑y，能够更加灵活的匹配衬底晶格常数和激光器有源区结构，从而降低因为晶格失配所产生的缺陷，使得缺陷被限制在Si和缓冲层界面，不向上继续延伸而降低有源区材料质量，更好地对器件内部光场进行调控。

Description

中红外波段激光器外延结构、中红外波段微腔激光器及其制 备方法和应用、检测器件
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，尤其是涉及一种中红外波段激光器外延结构、中红外波段微腔激光器及其制备方法和应用、检测器件。
背景技术
随着气候变暖、大气环境污染等问题日益严重，基于中红外波段的痕量气体检测正蓬勃发展。其中可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术的激光光谱气体分析系统已经迅速应用到实现环境监测、癌症早期医学诊断以及毒气防护等多种领域，具有重要的研究意义和市场前景。作为探测系统的核心，中红外激光源的发光波长、线宽、模式以及激光器件组件密度是实现高灵敏度、多点监测、高集成化、背景气体抗干扰能力强的智能型检测系统的核心问题。
半导体微腔激光器是一种谐振腔的几何尺寸至少在一个维度上接近波长或者亚波长的新型半导体光电器件。受激辐射时产生的光在不同者折射率材料的曲面边界发生全反射，从而使特定波长的光在微腔内围绕边界环形传播，进而实现受激光放大。在实际的器件设计过程中，人们可以通过改变微腔形状、调节腔体材料和结构以及改善微腔激光器制作工艺等手段对器件激射状态进行调节。正因半导体微腔激光器所具有特定的几何形状，较小的体积，低阈值、集成度高以及单模性好等特点，使其在很多领域能够很好的替代传统的半导体激光器，实现高级程度的单模低阈值激射发光，是理想的气体检测光源，因此在非线性光学、量子光学、光子集成、物质检测等多领域有重要的应用价值。
为了满足气体检测对低功耗和高集成度的需求，最理想的方法就是采用Si基的微腔激光器，然而作为间接带隙半导体，硅材料的光发射是典型声子辅助的低几率过程，发光效率低，难以获得硅基有源器件，因此也就无法直接采用Si作为微腔器件的增益介质。为解决这一难题，目前的技术手段包括通过同质外延III-V族材料并制备成所需的形貌以后，键合到Si基衬底上，或者是通过采用Ge材料作为缓冲层进行Si基异质外延，最后制备成所需的形貌。但目前技术仍存在一系列问题：
1、采用键合工艺制备Si基微腔激光器，工艺步骤复杂，对键合机加工精度要求高，大规模应用难度很大。
2、采用传统Ge或者GaAs材料作为缓冲层的Si基异质外延技术，因为晶格失配等原因，使得材料中缺陷密度增大，从而影响了制备出的Si基微腔激光器性能，而对于中红外器件，需要进一步采用能带更窄的锑化物，这就导致增益介质的晶格常数与衬底之间的差别进一步拉大，使得GaAs/Ge作为缓冲层的这一策略难以为继。
3、单一微腔结构所能设计调节的参数有限，难以灵活有效的通过改变微盘结构参数对激光器激射模式进行调控。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种中红外波段激光器外延结构，能够缓解上述问题中的至少一个。
本发明的目的之二在于提供一种上述中红外波段激光器外延结构的生长方法。
本发明的目的之三在于提供一种中红外波段微腔激光器。
本发明的目的之四在于提供一种上述中红外波段微腔激光器的制备方法。
本发明的目的之五在于提供一种上述中红外波段微腔激光器的应用。
本发明的目的之六在于提供一种检测器件，包括上述中红外波段微腔激光器。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种中红外波段激光器外延结构，包括依次设置于衬底上的过滤缓冲层、n型波导层、n型限制层、有源区、p型限制层、p型波导层和p型覆盖层；
所述过滤缓冲层包括InxGa1-xAsySb1-y，其中，0<x<1，0<y<1；
所述衬底包括Si；
所述p型覆盖层包括III-V族化合物，优选为GaSb层。
进一步的，所述n型波导层、n型限制层、p型限制层、p型波导层独立地包括AlGaAsSb或AlInGaAsSb。
进一步的，所述有源区包括InGaAsSb/AlGaAsSb I型量子阱、GaAsSb/GaAs II型量子阱、InAs/(In)GaSb破隙型量子阱、AlSb/InAs/GaInSb或InGaAsSb/AlGaInAsSb，优选为InGaAsSb/AlGaAsSb I型量子阱。
进一步的，所述过滤缓冲层的厚度为0.5-5微米；
优选地，所述有源区的波段为1.8-3微米，优选为2微米。
第二方面，本发明提供一种上述中红外波段激光器外延结构的生长方法，包括以下步骤：
采用分子束外延方法在衬底上依次生长过滤缓冲层、n型波导层、n型限制层、有源区、p型限制层、p型波导层和p型覆盖层，得到中红外波段激光器外延结构；
优选地，外延生长参数包括以下条件中的至少一个：
衬底处理温度为380-420℃；
反应源温度：Ga为980-1080℃、In 750-850℃、As 360-400℃、Sb480-540℃、Al1100-1150℃；
生长温度为520-600℃；
III/V束流比为5:1-12:1。
第三方面，提供了一种中红外波段微腔激光器，所述中红外波段微腔激光器包括相叠加的双微盘结构微腔，所述微腔具有所述的中红外波段激光器外延结构；
优选地，每个微盘的直径为4-20微米。
第四方面，提供了一种上述中红外波段微腔激光器的制备方法，包括以下步骤：
a)在衬底上设置牺牲层和外延生长所述的中红外波段激光器外延结构，以及，设置硬掩膜；
b)在硬掩膜上涂覆电子阻挡层；
c)按照预设图案对电子阻挡层进行烘烤和曝光，以使所述预设图案相对应的硬掩膜暴露；
d)对暴露的硬掩膜进行刻蚀，以使所述预设图案相对应的外延结构暴露；
e)去除残留的电子阻挡层，对本体进行刻蚀，刻蚀出第一微盘；
f)去除残留的硬掩膜，并重新沉积一层新的硬掩膜，重复上述步骤，在第一微盘周围套刻腐蚀出第二微盘，并去除残留的硬掩膜；
g)对衬底进行选择性腐蚀，形成Si支柱的微盘结构，得到中红外波段微腔激光器。
进一步的，步骤a)中，设置硬掩膜采用等离子体增强化学气相沉积法；
优选地，步骤c)中，曝光采用电子束曝光法；
优选地，步骤d)中，刻蚀采用反应离子刻蚀法；
优选地，步骤e)中，刻蚀采用电感耦合等离子体法。
第五方面，提供了一种上述中红外波段微腔激光器或上述制备方法制备得到的中红外波段微腔激光器在非线性光学、量子光学、光子集成或物质检测中的应用。
第六方面，提供了一种检测器件，包括上述中红外波段微腔激光器或上述制备方法制备得到的中红外波段微腔激光器。
本发明提供的中红外波段激光器外延结构、中红外波段微腔激光器及其制备方法和应用、检测器件至少具有如下有益效果：
本发明微腔激光器外延结构由于采用四元合金缓冲层InxGa1-xAsySb1-y，相较于Ge或者GaAs这种一元或二元材料，能够更加灵活的匹配衬底晶格常数和激光器有源区结构，从而降低因为晶格失配所产生的缺陷，使得缺陷被限制在Si和缓冲层界面，不向上继续延伸而降低有源区材料质量。由于四元材料体系在满足材料本身晶格常数的条件下，能够对缓冲层的折射率进行调节(衬底晶格常数固定，三元合金只有固定组分能够满足衬底晶格常数，而四元合金则每个不同III族比例则可以通过V族组分来实现晶格常数匹配，而不同组分尽管晶格常数匹配但折射率不同，因此可以在实现晶格常数匹配的情况下，选择需要的折射率)，从而可以更好地对器件内部光场进行调控。
本发明微腔激光器引入叠腔的腔体结构，利用游标卡尺效应(对于单腔结构，每个特定的结构都会有固定模式间隔的一系列模式，而当两个单腔叠加相互耦合时，只有同时符合两个腔的某个(些)模式才能够实现增益)，即通过不同微腔间的模式共振，选取双方都支持的共振频率实现激射，达到控制激光模式与线宽的目的。同时由于多引入了一个微盘结构，因此可以通过调节上微盘的位置、尺寸、形状、材料等参数对微盘器件的性能进行精确调控，从而提高器件性能的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的中红外波段激光器外延结构的示意图；
图2为本发明提供的硅基叠腔微盘激光器的结构示意图；
图3为本发明提供的中红外波段微腔激光器的制备方法流程图；
图4为直径3微米的微盘结构中高阶模的光场分布及双微盘的单模输出控制图；
图5为实施例1的硅衬底上锑化物I型量子阱激光器外延结构的示意图。
图标：1-衬底；2-过滤缓冲层；3-n型波导层；4-n型限制层；5-有源区；6-p型限制层；7-p型波导层；8-p型覆盖层。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
对于硅基半导体光电子集成而言，硅与缓冲层锑化物材料(例如GaSb)的晶格失配可达～12％。衬底与外延层的晶格失配将导致的材料质量差、有源区缺陷多，由此引发非辐射复合，限制激光器件性能提升。
针对硅与锑化物单层材料、合金及复杂量子阱等体系异质不兼容的问题，设计具有可变晶格常数的逐层位错过滤缓冲层材料体系(InxGa1-xAsySb1-y)。
根据本发明的第一个方面，提供一种中红外波段激光器外延结构，如图1所示，包括依次设置于衬底1上的过滤缓冲层2、n型波导层3、n型限制层4、有源区5、p型限制层6、p型波导层7和p型覆盖层8；过滤缓冲层2包括InxGa1-xAsySb1-y，其中，0<x<1，0<y<1；衬底1包括Si；覆盖层8包括III-V族化合物，优选为GaSb层。
衬底1为具有倾角或不具有倾角的衬底，包括但不限于Si。若衬底为具有倾角θ的衬底，满足tanθ＝1个原子高度(衬底法向)/台阶长度。倾角0-10度(不含0度)均可，优选0-5度(不含0度)，例如0.5度、1度、2度、3度、4度。
过滤缓冲层2包括InxGa1-xAsySb1-y，其中，0<x<1，0<y<1。
缓冲层是外延基本结构，此处的过滤缓冲层是体现通过这一层的结构，过滤掉因衬底与外延结构之间失配所产生的缺陷。
InxGa1-xAsySb1-y中x和y的取值均各自独立的为0到1之间的任意数值(不包括0和1)。例如x可以为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8或0.9，y可以为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.63、0.7、0.8或0.9。包括但不限于In0.8Ga0.2As0.73Sb0.26、In0.65Ga0.35As0.65Sb0.35、In0.5Ga0.5As0.5Sb0.5。
通过引入可变晶格常数的InxGa1-xAsySb1-y逐层位错过滤缓冲层，一方面该缓冲层界面两侧可以分别匹配衬底和覆盖层，另一方面该合金单分子层可以将缺陷控制在单分子层上，抑制缺陷垂直传播。
可变晶格常数是指在生长过程中逐层改变缓冲层组分，使缓冲层界面两侧可以分别匹配硅和GaSb。
逐层位错是指通过逐层生长不同组分的合金单分子层，使应变逐层释放，延缓由于大应变导致的缺陷产生，同时可以在单分子层内部采用界面调控等手段，释放应变，从而抑制缺陷垂直传播。
优选地，InxGa1-xAsySb1-y的厚度为0.5-5微米，例如1、2、3、4、5微米。
n型波导层3、n型限制层4、p型限制层6、p型波导层7可以采用现有的和衬底匹配的材料，如AlGaAsSb、AlInGaAsSb等。
有源区5是硅片上做有源器件的区域，即有源区量子阱。
有源区可采用现有可作有源区的材料，包括但不限于InGaAsSb/AlGaAsSb I型量子阱、GaAsSb/GaAs II型量子阱、InAs/(In)GaSb破隙型量子阱等。
需要注意的是，对于有源区结构除方案中InGaAsSb/AlGaAsSb以外，还可以根据波长的不同采用AlSb/InAs/GaInSb以及InGaAsSb/AlGaInAsSb等红外有源区结构。这里的“/”表示的是“和”的意思，分别表示势阱材料和势垒材料。
优选地，有源区为InGaAsSb/AlGaAsSb I型量子阱，可以得到具有高发光性能的高质量InGaAsSb/AlGaAsSb激光器材料。
优选地，有源区的波段为1.8-3微米，例如2、3微米。
通过设计优化有源区、波导结构，满足中红外激光输出要求。
覆盖层8包括III-V族化合物，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。包括III-V族二元化合物(GaN、GaP、GaAs、InP、GaSb、InSb、InAs、AlSb)、III-V族三元化合物(InAsSb、InGaAs)或III-V族四元化合物(InxGa1- xAsySb1-y)。
覆盖层8优选为GaSb层。
本发明通过在衬底上生长可变晶格常数的逐层位错过滤缓冲层InxGa1-xAsySb1-y，实现由衬底(如硅)向GaSb等材料的晶格缓变，以分布式外延方式将晶格缺陷控制在单分子层平面内部，同时达到匹配衬底与外延层材料晶格和抑制缺陷垂直传播的目的，是实现衬底与外延层材料的异质兼容的有效方式，制备出微腔激光器的外延材料。
在衬底(例如Si基)上以InxGa1-xAsySb1-y四元合金作为渐变缓冲层，实现在Si衬底上直接生长2微米波段有源区。
根据本发明的第二个方面，提供了一种上述中红外波段激光器外延结构的生长方法，包括以下步骤：
采用分子束外延方法在衬底上依次生长过滤缓冲层、n型波导层、n型限制层、有源区、p型限制层、p型波导层和p型覆盖层，得到中红外波段激光器外延结构。
该方法可操作性强，工艺稳定。
在一种优选的实施方式中，外延生长参数包括以下条件中的至少一个：
衬底处理温度为380-420℃，例如380、390、400、410、420℃；
反应源温度：Ga为980-1080℃、In 750-850℃、As 360-400℃、Sb480-540℃、Al1100-1150℃；
生长温度为520-600℃，例如520、530、540、550、560、570、580、590、600℃；
III/V束流比为5:1-12:1，例如6:1、7:1、8:1、9:1、10:1、11:1、12:1。
优化衬底处理温度、反应源温度、生长温度及III/V族束流比等条件，通过调节反应源温度和束流比例实现薄膜掺杂及合金化控制，以及生长速率控制，得到高质量的外延生长条件。
另一方面，为了进一步克服目前微腔结构的限制，提高锑化物增益介质的微腔效应，本发明对微腔结构进行进一步改进，以满足微腔激光器预期性能要求。
根据本发明的第三个方面，提供了一种中红外波段微腔激光器，如图2所示，包括相叠加的双微盘结构微腔，微腔具有上述中红外波段激光器外延结构；
相叠加的双微盘结构是指微盘为两个，两个微盘呈上下叠加式设置。
微腔结构也可以是微碟(微盘)形、微柱形、微环形等。
两个微盘的总厚度为整个外延结构的厚度，即Athickness+Bthickness＝Epithickness，而微盘的直径为4-20μm，具体直径需要根据器件明确波长计算微腔的品质因子来确定。
本发明采用叠腔结构，通过游标卡尺效应来对腔内模式进行选择调控，实现中波红外结构单模到多模的调控。通过对双腔结构尺寸、材质、耦合强度等的调节，能够灵活高效的选择增益腔的模式，实现从单模到多模的自由控制。对于单腔的微腔激光器而言，微盘的尺寸/材料/粗糙度等参数直接影响如激射波长，损耗，激射模式等参数，而双腔结构是两个腔进行耦合，其激射特性是两个腔共同作用的结果，因此任何一个腔的变化都会对激射特性产生影响，因此这样就给模式的调控带来更多的维度，可以更加灵活的调整激射特性。
根据本发明的第四个方面，提供了一种上述中红外波段微腔激光器的制备方法，如图3所示，包括以下步骤：
a)在基底上设置牺牲层和外延生长所述中红外波段激光器外延结构，以及，设置硬掩膜；
硬掩膜包括但不限于SiO2硬掩膜。
优选地，设置硬掩膜采用等离子体增强化学气相沉积法；等离子体增强化学气相沉积法PECVD(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition)，是借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体，在局部形成等离子体，而等离子化学活性很强，很容易发生反应，在基片上沉积出期望的薄膜。可以在250℃和氧离子以及硅离子的条件下生成450nm的SiO2硬掩膜。
b)在硬掩膜上涂覆电子阻挡层；
c)按照预设图案对电子阻挡层进行烘烤和曝光，以使所述预设图案相对应的硬掩膜暴露；
优选地，曝光采用电子束曝光法；
d)对暴露的硬掩膜进行刻蚀，以使所述预设图案相对应的外延结构暴露；
优选地，刻蚀采用反应离子刻蚀法；
反应离子刻蚀，RIE，全称是ReactiveIonEtching，是一种微电子干法腐蚀工艺，是干蚀刻的一种，这种蚀刻的原理是，当在平板电极之间施加10～100MHZ的高频电压(RF，radiofrequency)时会产生数百微米厚的离子层(ionsheath)，在其中放入试样，离子高速撞击试样而完成化学反应蚀刻，即为RIE(ReactiveIonEtching)。
e)去除残留的电子阻挡层，对本体进行刻蚀，刻蚀出第一微盘；
优选地，刻蚀采用电感耦合等离子体法(ICP，是一种通过随时间变化的磁场电磁感应产生电流作为能量来源的等离子体源)。
f)去除残留的硬掩膜，并重新沉积一层新的硬掩膜，重复上述步骤，在第一微盘周围套刻腐蚀出第二微盘，并去除残留的硬掩膜；
g)对衬底进行选择性腐蚀，形成Si支柱的微盘结构，得到中红外波段微腔激光器。
优选地，一种典型的中红外波段微腔激光器双微盘结构微腔的制备方法，具体包括以下步骤：
1.利用PECVD沉积一层450nm厚的SiO2掩膜层；
2.采用L300光刻胶在SiO2表面旋涂一层光刻胶，之后置于110℃热板表面烘干60s，完成后进行第一次曝光；
3.洗去未曝光的部分，留下带有图形的掩膜层，并在120℃热板表面坚模5分钟；
4.利用RIE对SiO2进行干法刻蚀，在掩膜层的保护下出现了所需的图形；
5.采用ICP对本体进行刻蚀，刻蚀出第一个微盘厚度；
6.用氢氟酸洗去残余的SiO2，并重新沉积一层新的SiO2；
7.重复上述流程，在第一微盘周围套刻腐蚀出第二个微盘的形状，并用氢氟酸清净残余SiO2；
8.利用1:1:1选择性的氢氟酸硝酸水溶液腐蚀对衬底进行选择性腐蚀，形成Si支柱的微盘结构，实现微腔结构制备。
优选地，Cl2/BCl3/N2体积比：21：5：50，ICP功率200W，RF功率120W。
本发明工艺简单，易于工业化应用。
优选采用等离子体增强化学气相沉积生长一层SiO2硬掩膜，并采用电子束曝光在激光器外延片上制作图形。在此基础上，采用电感耦合等离子体设备制备微盘结构。
此外，根据锑化物材料易于氧化的特性，采用干法与湿法(通过氢氟酸硝酸水溶液进行湿法选择性刻蚀形成Si支柱)相结合的技术手段，通过控制湿法的浓度和时间，可以获得直径、高度可控的基座结构，并对微腔圆盘的侧壁的光滑程度有一定的修饰作用，从而可得到高质量的锑化物微盘结构。
根据本发明的第五个方面，提供了一种上述中红外波段微腔激光器或上述制备方法制备得到的中红外波段微腔激光器在非线性光学、量子光学、光子集成或物质检测中的应用。
由于本发明的中红外波段微腔激光器具有如上优势，因此，可应用于非线性光学、量子光学、光子集成或物质检测等领域，应用前景广阔。
根据本发明的第六个方面，提供了一种检测器件，包括上述中红外波段微腔激光器或上述制备方法制备得到的中红外波段微腔激光器。
检测器件具有和本发明的中红外波段微腔激光器相同的优势，再此不再赘述。
下面通过实施例对本发明作进一步说明。如无特别说明，实施例中的材料为根据现有方法制备而得，或直接从市场上购得。
实施例1
一种硅衬底上锑化物I型量子阱激光器外延结构，如图5所示，从下至上依次为：Si衬底、InxGa1-xAsySb1-y过滤层、n-Al0.6Ga0.4As0.04Sb0.96波导层、n-Al0.35Ga0.65As0.02Sb0.98限制层、3×In0.18Ga0.82As0.02Sb0.98/Al0.25Ga0.75As0.02Sb0.98有源区、p-Al0.35Ga0.65As0.02Sb0.98限制层、p-Al0.6Ga0.4As0.04Sb0.96波导层和p-GaSb盖层。
InxGa1-xAsySb1-y过滤层为In0.8Ga0.2As0.73Sb0.26，厚度为2微米。
生长方法如下：
采用分子束外延方法在Si衬底上依次生长In0.8Ga0.2As0.73Sb0.26、n-Al0.6Ga0.4As0.04Sb0.96波导层、n-Al0.35Ga0.65As0.02Sb0.98限制层、3×In0.18Ga0.82As0.02Sb0.98/Al0.25Ga0.75As0.02Sb0.98有源区、p-Al0.35Ga0.65As0.02Sb0.98限制层、p-Al0.6Ga0.4As0.04Sb0.96波导层和p-GaSb盖层，得到中红外波段激光器外延结构；
外延生长参数包括：衬底处理温度为400℃；
反应源温度：Ga为1000℃、In 800℃、As 380℃、Sb 500℃、Al 1100℃；
生长温度为550℃；
III/V束流比为10:1。
实施例2
与实施例1不同的是，InxGa1-xAsySb1-y过滤层为In0.65Ga0.35As0.65Sb0.35。
实施例3
与实施例1不同的是，InxGa1-xAsySb1-y过滤层为In0.5Ga0.5As0.5Sb0.5。
实施例4
利用实施例1外延结构制备微腔结构的中红外波段微腔激光器，包括以下步骤：
1.利用PECVD沉积一层450nm厚的SiO2掩膜层；
2.采用L300光刻胶在SiO2表面旋涂一层光刻胶，之后置于110℃热板表面烘干60s，完成后进行第一次曝光；
3.洗去未曝光的部分，留下带有图形的掩膜层，并在120℃热板表面坚模5分钟；
4.利用RIE对SiO2进行干法刻蚀，在掩膜层的保护下出现了所需的图形；
5.采用ICP对本体进行刻蚀，刻蚀出第一个微盘厚度；
6.用氢氟酸洗去残余的SiO2，并重新沉积一层新的SiO2；
7.重复上述流程，在第一微盘周围套刻腐蚀出第二个微盘的形状，并用氢氟酸清净残余SiO2；
8.利用1:1:1选择性的氢氟酸硝酸水溶液腐蚀对衬底进行选择性腐蚀，形成Si支柱的微盘结构，实现微腔结构制备。
其中，Cl2/BCl3/N2体积比：21：5：50，ICP功率200W，RF功率120W。
图2为包括上述微腔结构的典型的硅基叠腔微盘激光器结构图。其中深灰色部分为Si衬底，而上面部分则为所采用的四元合金缓冲层。图钉状三维结构则为增益介质。空气等低折射率介质包围着叠腔盘状的半导体增益介质，在收到外接泵浦时会产生激射输出。通过调整盘状能带结构即可以对激射波长进行控制，而调整两个盘状结构尺寸、材料、耦合部分即可以实现对激射模式进行控制。
本发明建立双微盘腔尺寸所对应的模式分布规律，实现大小尺寸微盘中，共有模式的频率增强，抵消模式的方式实现模式筛选，如图4所示。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种中红外波段激光器外延结构，其特征在于，包括依次设置于衬底上的过滤缓冲层、n型波导层、n型限制层、有源区、p型限制层、p型波导层和p型覆盖层；
所述过滤缓冲层包括InxGa1-xAsySb1-y，其中，0<x<1，0<y<1；
所述衬底包括Si；
所述p型覆盖层包括III-V族化合物，优选为GaSb层。
2.根据权利要求1所述的中红外波段激光器外延结构，其特征在于，所述n型波导层、n型限制层、p型限制层、p型波导层独立地包括AlGaAsSb或AlInGaAsSb。
3.根据权利要求1所述的中红外波段激光器外延结构，其特征在于，所述有源区包括InGaAsSb/AlGaAsSb I型量子阱、GaAsSb/GaAs II型量子阱、InAs/(In)GaSb破隙型量子阱、AlSb/InAs/GaInSb或InGaAsSb/AlGaInAsSb，优选为InGaAsSb/AlGaAsSb I型量子阱。
4.根据权利要求1-3任一项所述的中红外波段激光器外延结构，其特征在于，所述过滤缓冲层的厚度为0.5-5微米；
优选地，所述有源区的波段为1.8-3微米，优选为2微米。
5.一种权利要求1-4任一项所述的中红外波段激光器外延结构的生长方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用分子束外延方法在衬底上依次生长过滤缓冲层、n型波导层、n型限制层、有源区、p型限制层、p型波导层和p型覆盖层，得到中红外波段激光器外延结构；
优选地，外延生长参数包括以下条件中的至少一个：
衬底处理温度为380-420℃；
反应源温度：Ga为980-1080℃、In 750-850℃、As 360-400℃、Sb 480-540℃、Al 1100-1150℃；
生长温度为520-600℃；
III/V束流比为5:1-12:1。
6.一种中红外波段微腔激光器，其特征在于，所述中红外波段微腔激光器包括相叠加的双微盘结构微腔，所述微腔具有权利要求1-4任一项所述的中红外波段激光器外延结构；
优选地，每个微盘的直径为4-20微米。
7.一种权利要求6所述的中红外波段微腔激光器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)在衬底上设置牺牲层和外延生长所述中红外波段激光器外延结构，以及，设置硬掩膜；
b)在硬掩膜上涂覆电子阻挡层；
c)按照预设图案对电子阻挡层进行烘烤和曝光，以使所述预设图案相对应的硬掩膜暴露；
d)对暴露的硬掩膜进行刻蚀，以使所述预设图案相对应的外延结构暴露；
e)去除残留的电子阻挡层，对本体进行刻蚀，刻蚀出第一微盘；
f)去除残留的硬掩膜，并重新沉积一层新的硬掩膜，重复上述步骤，在第一微盘周围套刻腐蚀出第二微盘，并去除残留的硬掩膜；
g)对衬底进行选择性腐蚀，形成Si支柱的微盘结构，得到中红外波段微腔激光器。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤a)中，设置硬掩膜采用等离子体增强化学气相沉积法；
优选地，步骤c)中，曝光采用电子束曝光法；
优选地，步骤d)中，刻蚀采用反应离子刻蚀法；
优选地，步骤e)中，刻蚀采用电感耦合等离子体法。
9.一种权利要求6所述的中红外波段微腔激光器或权利要求7或8所述的制备方法制备得到的中红外波段微腔激光器在非线性光学、量子光学、光子集成或物质检测中的应用。
10.一种检测器件，其特征在于，包括权利要求6所述的中红外波段微腔激光器或权利要求7或8所述的制备方法制备得到的中红外波段微腔激光器。
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