CN112421377A - 一种防混光的半导体激光器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种防混光的半导体激光器及其制备方法，半导体激光器包括基板，所述半导体激光器还包括设于基板上的金属层、填充于相邻金属之间的硅氧化合物、依次设于金属层及填充硅氧化合物形成的结构层上的ALD膜层、绝缘介质层、PMMA层和有源层，所述半导体激光器内形成有贯穿ALD膜层、绝缘介质层及PMMA层的环形孔腔，所述环形孔腔内设有反射膜层。本发明环形孔腔内的银膜作为激光器的光学谐振腔，由于银膜层反射率很高，当光线扩散时，由于银的存在会将光线反射回去，从而控制光线不往相邻外部空间扩散而导致混光、发光不均、亮度低等现象。

Description

一种防混光的半导体激光器及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种防混光的半导体激光器及其制备方法。

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 lov和C.Z.Ning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。

再者，由于光从各个角度发出，光线会扩散，从而导致混光、发光不均、亮度低等影响效果的现象发生。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题。为此，本发明提供一种防混光的半导体激光器及其制备方法，目的是防止混光、提高亮度，还可以降低激光的振荡阈值。

基于上述目的，本发明提供了一种防混光的半导体激光器，包括基板，所述半导体激光器还包括设于基板上的金属层、填充于相邻金属之间的硅氧化合物、依次设于金属层及填充硅氧化合物形成的结构层上的ALD膜层、绝缘介质层、PMMA层和有源层，所述半导体激光器内形成有贯穿ALD膜层、绝缘介质层及PMMA层的环形孔腔，所述环形孔腔内设有反射膜层。

所述反射层是采用磁控溅射形成银膜层。

所述绝缘介质层为二氟化镁、三氧化二铝、二氧化硅或氟化锂，绝缘介质层的厚度为5-100nm。

所述有源层为半导体纳米片或半导体纳米线。

所述半导体纳米片或半导体纳米线由硒化镉、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为50-300nm。

所述金属层的厚度为50-200nm，金属层采用金属材料制成。

所述基板为硅衬底。

所述防混光的半导体激光器的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、在基板上制备金属层；

步骤二、在金属层的间隙空间填充硅氧化合物；

步骤三、在金属层及填充硅氧化合物形成的结构层上制备ALD膜层；

步骤四、在ALD膜层上蒸镀绝缘介质层；

步骤五、在绝缘介质层上喷墨打印PMMA层；

步骤六、在PMMA层上涂胶，之后经曝光、显影、从PMMA层依次向下刻蚀至ALD膜层为止而形成环形孔腔；

步骤七、在环形孔腔上方采用磁控溅射的方式溅射形成填满环形孔腔的银膜层，再将表面银膜层刻蚀掉，形成银膜层环形孔腔；

步骤八、利用微操作系统将有源层转移到PMMA层背离绝缘介质层的那一面上，并使有源层与PMMA层紧密贴合。

所述金属层包括多个相间隔设置的金属段，相邻金属段之间的间距小于10000A且大于5000A。

所述步骤七中将表面银膜层刻蚀掉的方法是经涂胶、曝光、显影后，将表面银膜层全部刻蚀掉，仅留下环形孔腔内银膜层，银膜层环形孔腔的厚度为5000A。

本发明的有益效果：

1、本发明环形孔腔内的银膜作为激光器的光学谐振腔，由于银膜层反射率很高，当光线扩散时，由于银的存在会将光线反射回去，从而控制光线不往相邻外部空间扩散而导致混光、发光不均、亮度低等现象。该环形孔腔的高度设置合理，减少环形孔腔中光波导模式在腔镜处的损耗，降低激光的振荡阈值。

2、本发明位于有源层和金属层之间的绝缘介质层可以降低环形孔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。

3、本发明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环形孔腔的损耗小可以在室温下工作。

4、本发明具有尺寸较小、加工过程可精确控制、激光振荡阈值较低等特点。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本说明书一个或多个实施例，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为本发明的结构示意图；

图2为本发明在金属层及填充硅氧化合物形成的结构层上制备ALD膜层、绝缘介质层及PMMA层后的结构示意图；

图3为本发明在PMMA层上涂胶后的结构示意图；

图4为本发明刻蚀形成环形空腔后的结构示意图。

图中标记为：

1、基板；2、金属层；3、硅氧化合物；4、ALD膜层；5、绝缘介质层；6、PMMA层；7、有源层；8、环形孔腔；9、光刻胶。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本公开进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本说明书的实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书的实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

如图1所示，一种防混光的半导体激光器，包括基板1，基板优选采用硅衬底，所述半导体激光器还包括设于基板1上的金属层2、填充于相邻金属之间的硅氧化合物3、依次设于金属层2及填充硅氧化合物3形成的结构层上的ALD膜层4、绝缘介质层5、PMMA层6和有源层7，所述半导体激光器内形成有贯穿ALD膜层4、绝缘介质层5及PMMA层6的环形孔腔8，所述环形孔腔8内设有反射膜层。该半导体激光器内形成有贯穿ALD膜层、绝缘介质层及PMMA层的环形孔腔，环形孔腔内设有反射膜层。通过此种设置反射膜层的环形孔腔结构设置，形成的环状包围结构，在反射膜的反射作用下，可将扩散的光线反射，从而控制光线不往相邻外部空间扩散而导致混光、发光不均、亮度低等现象。优选的，反射膜层是采用磁控溅射形成的Ag膜层。Ag膜的反射率很高，提高亮度。

作为可选的实施形式，绝缘介质层5可为二氟化镁、三氧化二铝、二氧化硅或氟化锂，绝缘介质层5的厚度为5-100nm。在本实施例中，绝缘介质层5选用的是二氟化镁。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。

作为可选的实施形式，有源层7为半导体纳米片或半导体纳米线。

作为可选的实施形式，半导体纳米片或半导体纳米线由硒化镉、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为50-300nm。在本实施例中，所述有源层选用的是硒化镉纳米片。

作为可选的实施形式，金属层2的厚度为50-200nm，金属层2采用金属材料制成。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。

本实施例中，在相邻金属之间填充硅氧化合物SiOx，目的是为了填充金属之间的间隙，以防ALD膜形成的共通层填充到间隙中，会将相邻金属导通，另外若无硅氧化合物层则后续蒸镀层时会产生尖端放电现象产生ESD。

以下详细介绍如何制作上述防混光的半导体激光器：

所述防混光的半导体激光器的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、在基板1上制备金属层2；制备金属层采用蒸镀或者溅射的方式形成，蒸镀或溅射的方法为现有公知的技术，在此不再过多螯述。金属层的厚度可为800A～1000A。

步骤二、在金属层2的间隙空间填充硅氧化合物3；具体采用化学气相沉积方式填充硅氧化合物。

步骤三、在金属层2及填充硅氧化合物3形成的结构层上制备ALD膜层4；

步骤四、在ALD膜层4上蒸镀绝缘介质层5；绝缘介质采用二氟化镁，用磁控溅射或电子束蒸发或脉冲激光沉积方法在ALD膜层4上蒸镀一层10nm厚的绝缘介质层，即二氟化镁薄膜。

步骤五、在绝缘介质层5上喷墨打印PMMA层6；优选的，PMMA层厚度≤10000A。

步骤六、在PMMA层6上涂胶，之后经曝光、显影、从PMMA层6依次向下刻蚀至ALD膜层4为止而形成环形孔腔8；具体而言，在PMMA层上进行涂光刻胶9，再用曝光机对基板上的结构进行曝光，曝光时只曝光围绕着布置有源层的一圈的孔腔，孔腔的厚度为5000A(即为孔腔内壁至外壁的距离)，将曝光后的基板结构进行显影，刻蚀，刻蚀过程中要刻蚀完整、均匀，将孔腔刻到ALD膜层为止。可通过三次刻蚀依次将PMMA层、绝缘介质层5、ALD层7刻蚀掉，形成环形孔腔。具体的刻蚀液各成分浓度和刻蚀温度可通过对比实验获得，优化的目标是刻蚀出侧壁光滑且陡直的结构。为减弱全息曝光中的驻波效应，在涂布光刻胶之前，可在PMMA层上先涂布一层减反膜，减反膜选用的是Brewer Science公司的系列，正性光刻胶选用的是AZ MIR-701。减反膜厚度150nm左右，光刻胶厚度为300nm左右。

步骤七、在环形孔腔8上方采用磁控溅射的方式溅射形成填满环形孔腔8的银膜层，再将表面银膜层刻蚀掉，形成银膜层环形孔腔8；具体而言，在上述步骤六刻蚀形成环形孔腔后，采用磁控溅射的方式制备Ag膜层，Ag膜层整面覆盖基板上的结构，Ag膜层的厚度为300A-500A。之后在制备过Ag膜层的基板结构上进行涂胶、曝光、显影、刻蚀，将表面300A-500A的Ag膜层全部刻蚀完，仅留下孔腔内Ag膜层，Ag膜层环形孔腔的厚度为5000A。

步骤八、利用微操作系统将有源层7转移到PMMA层6背离绝缘介质层5的那一面上，并使有源层7与PMMA层6紧密贴合。

得到的半导体激光器中，带有反射层(银膜层)的高度大于所述绝缘介质层和有源层的厚度之和。所述带有银膜层的环形孔腔为光学谐振腔，位于有源层和金属层之间的绝缘介质层可以降低环形孔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。

本发明防混光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有源层和环形孔腔上，环形孔腔中的银反射膜与有源层硒化镉纳米片形成增益作用，在吸收光子的能量后实现粒子数反转分布，产生受激辐射，并利用环形孔腔的正反馈实现光放大而产生激光。

本发明环形孔腔内的银膜作为激光器的光学谐振腔，由于银膜层反射率很高，当光线扩散时，由于银的存在会将光线反射回去，从而控制光线不往相邻外部空间扩散而导致混光、发光不均、亮度低等现象。该环形孔腔的高度设置合理，减少环形孔腔中光波导模式在腔镜处的损耗，降低激光的振荡阈值。位于有源层和金属层之间的绝缘介质层可以降低环形孔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。本发明具有尺寸较小、加工过程可精确控制、激光振荡阈值较低等特点。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本说明书实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

本说明书的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本说明书实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种防混光的半导体激光器，包括基板，其特征在于，所述半导体激光器还包括设于基板上的金属层、填充于相邻金属之间的硅氧化合物、依次设于金属层及填充硅氧化合物形成的结构层上的ALD膜层、绝缘介质层、PMMA层和有源层，所述半导体激光器内形成有贯穿ALD膜层、绝缘介质层及PMMA层的环形孔腔，所述环形孔腔内设有反射膜层。

2.根据权利要求1所述防混光的半导体激光器，其特征在于，所述反射层是采用磁控溅射形成银膜层。

3.根据权利要求1所述防混光的半导体激光器，其特征在于，所述绝缘介质层为二氟化镁、三氧化二铝、二氧化硅或氟化锂，绝缘介质层的厚度为5-100nm。

4.根据权利要求1所述防混光的半导体激光器，其特征在于，所述有源层为半导体纳米片或半导体纳米线。

5.根据权利要求4所述防混光的半导体激光器，其特征在于，所述半导体纳米片或半导体纳米线由硒化镉、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为50-300nm。

6.根据权利要求1所述防混光的半导体激光器，其特征在于，所述金属层的厚度为50-200nm，金属层采用金属材料制成。

7.根据权利要求1所述防混光的半导体激光器，其特征在于，所述基板为硅衬底。

8.根据权利要求1-7任一项所述防混光的半导体激光器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、在基板上制备金属层；

步骤二、在金属层的间隙空间填充硅氧化合物；

步骤三、在金属层及填充硅氧化合物形成的结构层上制备ALD膜层；

步骤四、在ALD膜层上蒸镀绝缘介质层；

步骤五、在绝缘介质层上喷墨打印PMMA层；

步骤六、在PMMA层上涂胶，之后经曝光、显影、从PMMA层依次向下刻蚀至ALD膜层为止而形成环形孔腔；

步骤七、在环形孔腔上方采用磁控溅射的方式溅射形成填满环形孔腔的银膜层，再将表面银膜层刻蚀掉，形成银膜层环形孔腔；

步骤八、利用微操作系统将有源层转移到PMMA层背离绝缘介质层的那一面上，并使有源层与PMMA层紧密贴合。

9.根据权利要求8述防混光的半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述金属层包括多个相间隔设置的金属段，相邻金属段之间的间距小于10000A且大于5000A。

10.根据权利要求8述防混光的半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述步骤七中将表面银膜层刻蚀掉的方法是经涂胶、曝光、显影后，将表面银膜层全部刻蚀掉，仅留下环形孔腔内银膜层，银膜层环形孔腔的厚度为5000A。

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