CN113437191B - 基于回音壁模式的电注入等离激元激光器阵列及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于回音壁模式的电注入等离激元激光器阵列及其制备方法，该激光器阵列包括LED外延结构、n电极和p电极，LED外延结构包括按序设置的n型氮化镓层、量子阱、p型铝镓氮层和p型氮化镓层，p电极和n电极分别与p型氮化镓层和n型氮化镓层电性连接；LED外延结构具有于厚度方向上由p型氮化镓层深入至至少贯穿量子阱的纳米孔的阵列，纳米孔内填充有环形的电介质层和位于电介质层之内的金属柱。本发明利用LED的电注入方式实现激光器的电注入，利用金属与量子阱中的激子发生近场耦合所形成的等离极化激元，在介电层内形成回音壁式等离激元共振模式，打破常规光学器件的衍射极限，并大幅降低激光器的激射阈值。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种基于回音壁模式的电注入等离激元激光器阵列及制备方法。
背景技术
半导体激光器具有体积小、重量轻、效率高、寿命长等众多优点，广泛应用于医疗、传感、工业、军事、通讯等领域。近年来，随着半导体材料外延生长技术、半导体激光波导结构优化技术、腔面钝化技术、高稳定性封装技术、高效散热技术的发展，极大地推动了具有大功率、高光束质量的半导体激光器飞速发展，促进了信息、医疗等相关产业的进步。
在材料科学以及半导体物理学的不断发展下,半导体激光器中采用了量子阱(QW)和超晶格量子阱(SL-QW)等全新的结构,这种器件的特点就在于它的量子阱有源区具有二维特性和量子尺寸效应。量子阱激光器与体材料激光器相比,具有阈值电流小、量子效率高、振荡频率高的特点,并可直接在较高的温度下工作。
激光科学已经成功地产生了更高功率，更快和更小的相干光源。最新进展的例子是基于光子晶体，金属包覆的腔和纳米线，可以达到衍射极限的显微激光器。但是，此类激光器无论是在光学模式尺寸还是在物理设备尺寸上都被限制为大于光场波长的一半，而实现能够在纳米级直接产生突破衍射极限的相干光场的超紧凑型激光器仍然是关键的基本挑战。解决该问题的一种方法是利用金属与电介质界面处耦合形成等离极化激元所实现的等离激元激光器，该类型激光器的模体积极小，可大幅降低激光器的激射阈值。但由于结构的限制，当前等离激元激光器尚未实现电注入。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种基于回音壁模式的电注入等离激元激光器阵列及制备方法。
为了实现以上目的，本发明的技术方案为：
本发明提供了一种基于回音壁模式的电注入等离激元激光器阵列，包括LED外延结构、n电极和p电极，所述LED外延结构包括按序设置的n型氮化镓层、量子阱、p型铝镓氮层和p型氮化镓层，所述p型氮化镓层与所述p电极电性连接，所述n型氮化镓层与所述n电极电性连接；所述LED外延结构具有于厚度方向上由所述p型氮化镓层深入至至少贯穿所述量子阱的纳米孔的阵列，所述纳米孔内填充有环形的电介质层和位于所述电介质层之内的金属柱。
可选的，所述纳米孔的直径为100-1000nm。
可选的，所述电介质层的厚度为5-50nm。
可选的，所述电介质层的材料是二氧化硅或氮化硅。
可选的，所述金属柱的材料是银、金、铝或铑。
可选的，所述p型氮化镓层采用镁杂质掺杂，掺杂浓度为1017-3.5×1018cm-3。
可选的，所述LED外延结构还包括衬底和缓冲层，所述n型氮化镓层设于所述缓冲层上；所述p电极设于所述p型氮化镓层并与所述p型氮化镓层形成欧姆接触，所述n电极设于所述n型氮化镓层的台面上并与所述n型氮化镓层形成欧姆接触。
可选的，所述衬底是氮化镓、氮化铝单晶、蓝宝石、碳化硅、石英或单晶硅。
本发明还提供了上述基于回音壁模式的电注入等离激元激光器阵列的制备方法，包括以下步骤：
1)提供所述LED外延结构；
2)采用纳米压印技术和干法蚀刻技术于LED外延结构形成纳米孔的阵列；
3)采用磁控溅射、ALD沉积或化学气相沉积工艺于纳米孔内依次填充电介质材料和金属材料，形成环形的电介质层和位于电介质层之内的金属柱；
4)制备与p型氮化镓层电性连接的p电极，与n型氮化镓层电性连接的n电极。
可选的，步骤4)中，采用物理气相沉积或磁控溅射工艺，在所述p型氮化镓层上和n型氮化镓层上沉积Ni/Au金属并形成欧姆接触来制备所述p电极和n电极。
本发明的有益效果为：
1)利用LED的电注入方式实现激光器的电注入，通过LED外延结构中纳米孔的阵列的设置，利用量子阱内激子与纳米孔内金属柱之间发生近场耦合，在纳米孔内的电介质层内部形成回音壁模式等离极化激元，打破常规光学器件的衍射极限，并大幅降低激光器的激射阈值；具有超低阈值、可实现电注入和阵列化等优点。
2)等离激元波导可采用标准的微加工制造工艺实现，适于实际生产应用。
附图说明
图1为本发明一实施例的基于回音壁模式的电注入等离激元激光器阵列的结构示意图；
图2为图1中纳米孔的阵列的俯视图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释。本发明的各附图仅为示意以更容易了解本发明，其具体比例可依照设计需求进行调整。文中所描述的图形中相对元件的上下关系以及正面/背面的定义，在本领域技术人员应能理解是指构件的相对位置而言，因此皆可以翻转而呈现相同的构件，此皆应同属本说明书所揭露的范围。
如图1和图2所示，实施例的一种基于回音壁模式的电注入等离激元激光器阵列包括LED外延结构，LED外延结构自下而上包括衬底1、缓冲层2、n型氮化镓层3、量子阱4、p型铝镓氮层5和p型氮化镓层6，n型氮化镓层3的台面上设有n型欧姆接触电极7，p型氮化镓层6上设有p型欧姆接触电极8。LED外延结构具有于厚度方向上由p型氮化镓层6深入至n型氮化镓层3的一部分深度的纳米孔9的阵列，所述纳米孔9内填充有环形的电介质层10和位于所述电介质层10之内的金属柱11，量子阱4内激子与金属柱11之间发生近场耦合，在电介质层10内部形成回音壁模式等离极化激元，利用LED的电注入方式实现激光器的电注入。
衬底1可为同质衬底或异质衬底，例如氮化镓、氮化铝单晶、蓝宝石、碳化硅、石英和单晶硅其中之一。在本实施例中，衬底1为蓝宝石衬底(异质衬底)，缓冲层2为氮化镓材料。n型氮化镓层3厚度为2-4μm。量子阱4厚度为120-160nm。p型铝镓氮层5厚度为100-150nm。p型氮化镓层6厚度为200-250nm，采用镁杂质掺杂，掺杂浓度为1017-3.5×1018cm-3。
纳米孔9的阵列是指若干有序排列的纳米孔，阵列最小单元尺寸、周期及蚀刻深度等可根据实际设计需求进行调整。本实施例中，纳米孔9的深度为500-1000nm，例如600nm；直径为100-1000nm，例如400nm。参考图2，纳米孔9内的外围填充环形的电介质层10，电介质层厚度为5-50nm，材料为二氧化硅或氮化硅等；环形内部为金属柱11，依据不同发光波长填充不同的金属，例如蓝光LED使用金属银，绿光LED使用金属金，紫外LED使用金属铝或铑等。
上述基于回音壁模式的电注入等离激元激光器阵列结构的制备方法如下：
1)生长的完整的LED外延片
该结构包括衬底1、缓冲层2、n型氮化镓层3、量子阱4、p型铝镓氮层5、p型氮化镓层6。具体生长步骤如下：
1.1)运用金属有机物气相外延技术，将蓝宝石衬底1置于H2气氛中，在1100℃高温和100Torr反应室压强下，去除表面的沾污；降低温度至800℃后，在500Torr反应室压强下，通入TMGa和NH3，在蓝宝石衬底1上生长低温氮化镓缓冲层2；
1.2)在步骤1.1)得到的低温氮化镓缓冲层2上，继续生长本实施例结构中的电注入结构，所述电注入结构包括n型氮化镓层3、量子阱4、p型铝镓氮层5和p型氮化镓层6具体如下：
1.2.1)n型氮化镓层3是在步骤1.1)得到的氮化镓缓冲层2上，升高温度至1000℃，在200Torr反应室压强下，继续通入TMGa和NH3，生长厚度为2-4μm的n型氮化镓层3；
1.2.2)在生长好的n型氮化镓层3上，生长厚度为120-160nm的量子阱4；
1.2.3)利用金属有机化学气相沉积法(MOCVD)在所述量子阱结构4上制备100-150nm的p型铝镓氮层5；
1.2.4)在上述步骤中得到的p型铝镓氮层5上继续沉积厚度为200-250nm的p型氮化镓层6；
2)在完整的LED结构中通过纳米压印技术和干法刻蚀手段形成规整的纳米孔阵列。具体为：
2.1)把步骤1)生长好的外延片进行有机清洗，依次在丙酮、乙醇及高纯度去离子水中分别超声清洗10分钟；然后用去离子水加强冲洗，去除有机物；再使用氮气烘干表面；
2.2)在LED结构上利用等离子体增强化学气相沉积技术沉积一层200-300nm厚的二氧化硅层；
2.3)在步骤2.2)得到的二氧化硅层上采用标准的工艺方法，运用纳米压印技术和干法刻蚀手段，制备形成直径为200nm，刻蚀深度为600nm的有序纳米孔9的阵列；
3)纳米孔9阵列制备完成后，在规整的纳米孔9的阵列中连续填充电介质和金属。具体如下：
3.1)通过标准的磁控溅射或ALD沉积或化学气相沉积等工艺方法将电介质和金属填充到已经形成的有序纳米孔阵列中，形成环形的电介质层10和位于环形中间的金属柱11。
4)纳米阵列填充完后，使用氢氟酸溶液腐蚀表面的二氧化硅层，暴露出P型氮化镓层6；
5)对生长好的纳米孔阵列外延片进行光刻处理，具体为：
5.1)进行有机清洗，依次在丙酮、乙醇及高纯度去离子水中分别超声清洗10分钟；然后用去离子水加强冲洗，去除有机物；再使用氮气烘干表面；
5.2)使用AZ5214E光刻胶进行涂胶，甩胶，前烘；然后使用德国Karlsuss MA6/BA6型双面对准光刻机进行对准和曝光，光刻胶仅覆盖P型氮化镓层6的部分区域；
5.3)使用标准的刻蚀手段刻蚀未被光刻胶遮挡的部分P型氮化镓层6、p型铝镓氮层5、量子阱4，暴露出n型氮化镓层3形成台面；
5.4)使用丙酮溶液将P型氮化镓层6上的光刻胶剥离；
6)采用物理气相沉积或磁控溅射工艺，在p型氮化镓层6上和n型氮化镓层3的台面上沉积Ni/Au电极，分别形成p型欧姆接触电极8和n型欧姆接触电极7。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种基于回音壁模式的电注入等离激元激光器阵列及制备方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于回音壁模式的电注入等离激元激光器阵列，其特征在于：包括LED外延结构、n电极和p电极，所述LED外延结构包括按序设置的n型氮化镓层、量子阱、p型铝镓氮层和p型氮化镓层，所述p型氮化镓层与所述p电极电性连接，所述n型氮化镓层与所述n电极电性连接；所述LED外延结构具有于厚度方向上由所述p型氮化镓层深入至至少贯穿所述量子阱的纳米孔的阵列，所述纳米孔内填充有环形的电介质层和位于所述电介质层之内的金属柱。
2.根据权利要求1所述的基于回音壁模式的电注入等离激元激光器阵列，其特征在于：所述纳米孔的直径为100-1000nm。
3.根据权利要求1所述的基于回音壁模式的电注入等离激元激光器阵列，其特征在于：所述电介质层的厚度为5-50nm。
4.根据权利要求1所述的基于回音壁模式的电注入等离激元激光器阵列，其特征在于：所述电介质层的材料是氧化硅或氮化硅。
5.根据权利要求1所述的基于回音壁模式的电注入等离激元激光器阵列，其特征在于：所述金属柱的材料是银、金、铝或铑。
6.根据权利要求1所述的基于回音壁模式的电注入等离激元激光器阵列，其特征在于：所述p型氮化镓层采用镁杂质掺杂，掺杂浓度为1017-3.5×1018cm-3。
7.根据权利要求1所述的基于回音壁模式的电注入等离激元激光器阵列，其特征在于：所述LED外延结构还包括衬底和缓冲层，所述n型氮化镓层设于所述缓冲层上；所述p电极设于所述p型氮化镓层并与所述p型氮化镓层形成欧姆接触，所述n电极设于所述n型氮化镓层的台面上并与所述n型氮化镓层形成欧姆接触。
8.根据权利要求7所述的基于回音壁模式的电注入等离激元激光器阵列，其特征在于：所述衬底是氮化镓、氮化铝单晶、蓝宝石、碳化硅、石英或单晶硅。
9.权利要求1～8任一项所述的基于回音壁模式的电注入等离激元激光器阵列的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)提供所述LED外延结构；
2)采用纳米压印技术和干法蚀刻技术于LED外延结构形成纳米孔的阵列；
3)采用磁控溅射、ALD沉积或化学气相沉积工艺于纳米孔内依次填充电介质材料和金属材料，形成环形的电介质层和位于电介质层之内的金属柱；
4)制备与p型氮化镓层电性连接的p电极，与n型氮化镓层电性连接的n电极。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：步骤4)中，采用物理气相沉积或磁控溅射工艺，在所述p型氮化镓层上和n型氮化镓层上沉积Ni/Au金属并形成欧姆接触来制备所述p电极和n电极。
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