CN114024209B - 一种氮化镓基微米线激光器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种氮化镓基微米线激光器，其包括基底，布置于基底上的第一电极层，布置于第一电极层上的氮化镓基微米线，该微米线包含N型氮化镓芯层和依次覆盖于所述N型氮化镓芯层上的第一光限制层、第一光波导层、多量子阱层、第二光波导层、第二光限制层、以及P型氮化镓层，N型氮化镓芯层与第一电极层接触；第二电极设置于氮化镓基微米线上，与P型氮化镓层接触；沿所述微米线的长度方向上，距离该微米线一端的预定距离开始，等间距布置有三个刻蚀凹槽，形成法布里‑珀罗谐振腔。该激光器具有损耗低、激光出射率高、占用体积小、易于集成于电路中等优点。
Description
技术领域
本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种氮化镓基微米线激光器及其制备方法。
背景技术
激光器由于其准直性、单色性和高强度等特点，无论是在科研领域还是在工业领域都被广泛地研究和应用。近年来，半导体激光研究进入了新领域，即微纳尺度激光的研究。微纳激光器一般是指尺寸等于或与激射波长相近的微型化激光器。它是微纳技术与半导体激光交融的产物。器件的微型化不仅可进一步扩展激光器的应用范围，也被认为是下一代光电子微纳应用或微纳系统集成的关键技术。从数十年前几厘米大小的单个晶体管到大规模集成电路，半导体微电子产业的发展就是一个不断小型化和集成化的过程。作为光电集成的互联元件，几何尺寸的缩小可为电子、光子、传感、通信和生物电子等各类半导体器件应用提供更多的接触面积和接口，这为实现光电子器件的微型化与二维、三维集成提供了可能，未来集成光路中微纳米激光器具有巨大潜力。
在诸多半导体微纳结构中，一维微纳结构(微纳米线)在制备微纳激光器方面有独特的优势。一维微纳米线的高对比度折射率，使其具有很大的光限制因子。同时，纳米线既可作为增益介质，又可作为光波导，有利于提升光效和实现受激辐射。
目前，微纳米线激光器的驱动方法主要是依靠光泵浦，需要额外的泵浦源，增加了器件体积的同时也提高了能耗，非常不利于集成。
目前关于GaN微纳米线的电泵浦激光都是采用径向结构的高密度纳米线阵列集成实现的，利用光在高密度纳米线InGaN/GaN多量子阱之间的循环散射和传导，实现电泵浦激射。由于光在各纳米线InGaN/GaN多量子阱之间的循环散射和传导损耗很大，且实际上各纳米线多量子阱平面高度难以一致，更增加了光循环散射和传导的损耗。因此激光器阈值大，效率极低。另一方面，微纳米线集成的激光器在制备过程中需要引入刻蚀P型层至N型层来制备N型电极以及反射膜蒸镀等手段来提高激射概率，也增大了器件制作的难度，影响器件制备的重复性。不能满足当前日益发展应用的需要。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的首要目的是提供一种氮化镓基微米线激光器，其以一次外延生长的氮化镓基微米线作为电泵浦腔体，基底上设置第一电极层与微米线欧姆接触，微米线的顶端设置第二电极，该结构的设置避免了传统激光器制备中自p型层一侧刻蚀至n型层的情况，避免了刻蚀工艺对器件带来的损伤，例如多次工艺步骤带来的器件污染，且该结构的设置有利于电极的制备，对微米线形成的光学腔体起到了一定的保护作用，进一步降低了激光器的开启电压，有利于激光的激射，提高了器件的性能，同时相较于光泵浦激光器，该激光器不需要额外的泵浦源，占用体积小，损耗低，易于集成于电路中；另一方面采用本发明的氮化镓基微米线作为电泵浦腔体减少了传导损耗，降低了激光器的阈值。进一步地，采用氦离子刻蚀该微米线形成的刻蚀凹槽更易于形成反射镜，形成的法布里-珀罗谐振腔更加有利于激光的出射，提高了器件的激光出射效率。
本发明至少提供如下技术方案：
一种氮化镓基微米线激光器，其包括基底，布置于基底上的第一电极层，布置于所述第一电极层上的氮化镓基微米线，所述微米线包含N型氮化镓芯层和依次覆盖于所述N型氮化镓芯层上的第一光限制层、第一光波导层、多量子阱层、第二光波导层、第二光限制层、以及P型氮化镓层，所述N型氮化镓芯层与所述第一电极层接触；第二电极，设置于所述氮化镓基微米线上，与所述P型氮化镓层接触；
其中，沿所述微米线的长度方向上，距离该微米线一端的预定距离开始，等间距布置有三个刻蚀凹槽，形成法布里-珀罗谐振腔。
在一优选方案中，所述刻蚀凹槽选用氦离子刻蚀形成，所述刻蚀凹槽之间的距离选用1μm。
在一优选方案中，所述氮化镓基微米线的横截面为梯形，其上宽3～5微米，下宽6～10微米，高4～6微米，长度为400～1000微米。
在一优选方案中，所述N型氮化镓芯层的厚度选用3μm，其掺杂浓度为5×1017；所述光限制层为AlGaN，Al组分选用6％，厚度为1μm；所述光波导层为u-GaN，其厚度为80nm；所述多量子阱层由三周期的量子垒层和量子阱层构成，所述量子垒层为InGaN，In组分为8％，厚度为2.7nm，所述量子阱层为u-GaN，厚度为8nm；所述的P型氮化镓层的厚度为20nm，其掺杂浓度为3×1018。
在一优选方案中，所述第一电极层选用钛/铝电极层，所述第一电极层与所述微米线形成欧姆接触。
在一优选方案中，所述第二电极选用镍/金或镍/银电极，所述第二电极与所述微米线形成欧姆接触。
在一优选方案中，所述第一电极层中，钛层的厚度选用10nm，铝层的厚度选用100nm；所述第二电极中，镍的厚度选用20nm，金或银的厚度选用100nm。
在一优选方案中，还包括绝缘层，所述绝缘层设置于所述第一电极层的表面，包裹所述微米线，并暴露所述微米线与所述第二电极接触的表面。
在一优选方案中，所述绝缘层选用二氧化硅。
本发明还提供一种氮化镓基微米线激光器的制备方法，包括以下步骤：
取一定量包含有氮化镓基微米线的无水乙醇溶液，将该溶液转移至表面设置有金属层的衬底上，其中所述微米线包含N型氮化镓芯层和依次覆盖于所述N型氮化镓芯层上的第一光限制层、第一光波导层、多量子阱层、第二光波导层、第二光限制层、以及P型氮化镓层，所述N型氮化镓芯层与所述金属层接触；
将所述衬底快速退火，使得所述微米线与所述金属层形成欧姆接触；
固定所述微米线的一端，沿该微米线的长度方向上，距离该微米线固定端的预定距离开始，等间距刻蚀形成三个刻蚀凹槽，形成法布里-珀罗谐振腔；
沉积绝缘层包裹所述微米线；
刻蚀所述绝缘层形成第二电极窗口，所述第二电极窗口位于所述微米线上，暴露所述P型氮化镓层；
在所述第二电极窗口沉积金属形成第二电极。
总的说来，本发明至少具有如下优点：
本发明提供的微米线激光器制备工艺简单，无需采用传统激光器制备中自p型层一侧刻蚀至n型层的刻蚀步骤，提高了激光器的性能，同时采用本发明的刻蚀工艺形成的法布里-珀罗谐振腔进一步提高了激光器的出射效率，提升了器件的整体性能。另一方面，相较于光泵浦激光器，本发明的微米线激光器为微型化电泵浦器件，不需要额外的泵浦源，占用体积小，使用简单，易于集成，适用于全光集成电路，促进了集成电路产业的升级，应用前景好。
附图说明
图1是本发明一实施例的微米线激光器的结构示意图。
图2是本发明一实施例的单根氮化镓基微米线外延结构截面示意图。
图3是本发明一实施例的微米线激光器结构截面示意图。
图4是本发明一实施例中刻蚀有凹槽的图案化衬底的截面示意图。
图5是本发明一实施例中生长有GaN基微米线的基底截面示意图。
图6是本发明一实施例中微米线转移至基底上的示意图。
具体实施方式
接下来将结合本发明的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅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的前提下所获得的其它实施例，均属于本发明保护的范围。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从公开商业途径获得。
本说明书中使用例如“之下”、“下方”、“下”、“之上”、“上方”、“上”等空间相对性术语，以解释一个元件相对于第二元件的定位。除了与图中所示那些不同的取向以外，这些术语意在涵盖器件的不同取向。
另外，使用诸如“第一”、“第二”等术语描述各个元件、层、区域、区段等，并非意在进行限制。使用的“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等是开放式术语，表示存在所陈述的元件或特征，但不排除额外的元件或特征。除非上下文明确做出不同表述。
如图1至3所示，本发明一实施例提供一种电泵浦的氮化镓基微米线激光器，相较于光泵浦需要额外的泵浦源，本发明的激光器使用简单，易于集成。
该氮化镓基微米线激光器包括基底201、第一电极层202、氮化镓基微米线204、绝缘层203、第二电极205。基底201选用单面抛光的硅片或蓝宝石基底。
第一电极层202设置于基底201的表面，优选地，第一电极层选用Ti/Al(钛/铝)导电层，Ti层的厚度为10nm，Al层的厚度为100nm。
选用长度为400～1000微米的氮化镓基微米线204，将其设置于第一电极层202上，微米线与该第一电极层之间形成欧姆接触。如图2示，微米线204由N型氮化镓芯层101和依次包裹于其芯层101上的第一光限制层102、第一光波导层103、多量子阱层104、第二光波导层105、第二光限制层106和P型氮化镓层107构成。可以选用MOCVD工艺，在刻蚀有多个平行排列的条状凹槽的硅衬底上外延生长形成氮化镓基微米线，优选地，条状凹槽的宽度为10-15微米，其深度为6-8微米。凹槽的横截面呈倒梯形，如图4至5所示，微米线自N型氮化镓芯层开始沿凹槽的侧壁生长。通过化学腐蚀的方法将微米线自硅衬底上剥离获得。
在一优选实施例中，选用点硅胶的方式，将硅胶滴于目标微米线的一端部，随后在100℃下加热3分钟至硅胶凝固，将微米线固定于基底201上，如图6示。沿微米线的长度方向上，距离该固定端的预定距离开始，等间距布置有三个刻蚀凹槽，形成法布里-珀罗谐振腔。优选地，选用氦离子刻蚀工艺刻蚀微米线形成刻蚀凹槽，氦离子刻蚀形成的凹槽端面更易形成反射面，有利于提高激光的出射率。优选地，相邻刻蚀凹槽之间的距离为1微米，其刻蚀凹槽靠近N型氮化镓芯层101，凹槽底部距离氮化镓芯层约为2微米。
如图2示，该微米线204的横截面呈梯形，该梯形的上宽为3～5微米，下宽为6～10微米，高4～6微米，梯形的底角约为63°。N型氮化镓芯层与第一电极层202接触。
在一优选实施例中，N型氮化镓芯层101的厚度为3μm，掺杂浓度为5×1017；第一光限制层102选用AlGaN材料，Al的组分为6％，厚度为1μm；第一光波导层103选用非故意掺杂的u-GaN，厚度为80nm；第二光波导层105选用非故意掺杂的u-GaN，厚度为80nm；第二光限制层106选用AlGaN材料，Al的组分为6％，厚度为1μm。P型氮化镓层107的厚度为20nm，掺杂浓度为3×1018。
在一优选实施例中，多量子阱层104由量子垒层和量子阱层构成，量子垒层的材料选用InGaN，In的组分为8％，厚度为2.7nm；量子阱层的材料选用非故意掺杂的u-GaN，厚度为8nm。该量子阱结构为三周期叠加。
绝缘层203设置于第一电极层202的表面，包裹微米线204，并暴露微米线204的上表面(即远离第一电极层202的表面)。绝缘层203优选二氧化硅绝缘层，其厚度优选200nm。
第二电极205设置于微米线204上，与P型氮化镓层107接触，第二电极与微米线之间形成欧姆接触。
实施例1
一种基于GaN的微米线激光器及制备方法，包括以下步骤：
(1)通过MOCVD(金属有机化合物化学气相沉积)工艺，在刻蚀有平行凹槽的硅衬底上生长GaN基微米线；
(2)通过化学腐蚀的方法，将生长有微米线的硅衬底放入腐蚀液中，反应一定时间后，微米线自硅衬底上剥离，取出衬底，静置剥离溶液，待微米线完全沉底，逐步用去离子水稀释多次，最后再用无水乙醇溶液进行稀释，得到保存在无水乙醇溶液中的微米线溶液；
(3)将单面抛光硅片用丙酮、异丙醇和去离子水进行有机超声清洗，去除表面灰尘等杂质；然后采用盐酸和双氧水的混合溶液进行无机清洗，去除表面氧化物以及可能存在的残余金属元素。选用蒸镀工艺在硅衬底上蒸镀10nm/100nm厚的Ti/Al(钛/铝)电极层；
(4)选用移液枪将微米线溶液滴至上述衬底上，再将衬底干燥；
(5)将干燥后的衬底放入快速退火炉中，在氮气氛围下，500摄氏度，退火60s，使微米线下表面与金属层形成良好的N型欧姆接触；
(6)取出退火后的样品，采用点硅胶的方式将硅胶滴在微米线的一端，硅胶包裹微米线的端面，随后将其置于100摄氏度的热台上加热三分钟直至硅胶凝固，之后用丙酮、异丙醇和去离子水溶液依次进行超声清洗，最后用氮气吹干；
(7)采用氦离子刻蚀工艺，在靠近硅胶的微米线一端，自该端面开始每隔一微米刻蚀一次形成刻蚀凹槽，总共刻蚀三次，形成法布里-珀罗谐振腔；
(8)选用AZ5214光刻胶，在上述微米线样品上进行匀胶，前转600rad/min，6s，后转4000rad/min，30s，100℃下烘90s，使样品表面旋涂一层总厚度约为1微米的光刻胶；
(9)运用直写式的光刻机进行光刻，曝光5s，显影40s，只在梯形微米线上表面留下光刻胶，随后用氮气吹干；
(10)运用电感耦合的化学气相沉积(ICP-CVD)设备，在上述光刻完后的样品上低温(75℃)沉积一层200nm厚的二氧化硅(SiO2)，作为绝缘层；
(11)将完成沉积后的样品置于丙酮和NMP(N-甲基吡咯烷酮)溶液中反复水浴加热，并通过显微镜及台阶仪进行测量，确保梯形微米线上端的光刻胶和二氧化硅被完全去除；
(12)再次旋涂光刻胶进行P型电极的光刻、显影，光刻出图案化电极，尽可能完全暴露出微米线上表面；
(13)将光刻完电极图案的样品放入蒸镀机中，蒸镀20nm/100nm厚的Ni/Au(镍/金)电极，蒸镀完成之后取出样品，放入丙酮溶液中进行去胶，形成第二电极金属；
(14)将制备完的样品放入快速退火炉中，在氮气氛围下，450℃下，退火30s，使第二电极金属与微米线上表面形成良好的P型欧姆接触。
实施例2
一种基于GaN的微米线激光器及制备方法，包括以下步骤：
(1)通过MOCVD工艺，在刻蚀有平行凹槽的硅衬底上生长GaN基微米线；
(2)通过化学腐蚀的方法，将生长有微米线的衬底放入腐蚀液中，反应一定时间后，微米线从衬底表面脱落，待反应完全，微米线彻底剥离，取出衬底，静置剥离溶液，待微米线完全沉底，逐步用去离子水稀释多次，最后再用无水乙醇溶液进行稀释，得到保存在无水乙醇溶液中的微米线溶液；
(3)将蓝宝石衬底用丙酮、异丙醇和去离子水进行有机超声清洗，去除表面灰尘等杂质；然后采用盐酸和双氧水的混合溶液进行无机清洗，去除表面氧化物以及可能存在的残余金属元素。选用蒸镀工艺在蓝宝石衬底上蒸镀10nm/100nm厚的Ti/Al(钛/铝)电极层；
(4)运用移液枪，将微米线溶液滴至上述衬底上，再将衬底干燥；
(5)将干燥后的衬底放入快速退火炉中，在氮气氛围下，500摄氏度，退火60s，使微米线下表面与金属层形成良好的N型欧姆接触；
(6)取出退火后的样品，采用点硅胶的方式将硅胶滴在微米线的一端，硅胶包裹微米线的端面，随后将其置于100摄氏度的热台上加热三分钟直至硅胶凝固，之后用丙酮、异丙醇和去离子水溶液依次进行超声清洗，最后用氮气吹干；
(7)采用氦离子刻蚀工艺，在靠近硅胶的微米线一端，自该端面开始每隔一微米刻蚀一次形成刻蚀凹槽，总共刻蚀三次，形成法布里-珀罗谐振腔；
(8)选用电感耦合的化学气相沉积(ICP-CVD)工艺，在上述光刻完后的样品上低温(75℃)沉积一层200nm厚的二氧化硅(SiO2)，作为绝缘层；
(9)选用AZ5214光刻胶，在上述微米线样品上进行匀胶。前转600rad/min，6s；后转4000rad/min，30s，100℃下烘90s，曝光梯形微米线上表面的光刻胶，形成图案化的光刻胶层暴露梯形微米线的上表面；
(10)以上述光刻胶为掩膜，将光刻完后的样品置于BOE溶液(氟化铵：去离子水：氢氟酸＝2：5：1)中对微米线上表面的二氧化硅进行刻蚀，并通过显微镜及台阶仪进行测量，确保梯形微米线上端的二氧化硅被完全去除；
(11)再次旋涂光刻胶进行P型电极的光刻、显影，光刻出电极图案，尽可能完全覆盖住微米线上表面；
(12)将光刻完电极图案的样品放入蒸镀机中，蒸镀20nm/100nm厚的Ni/Ag(镍/银)电极，蒸镀完成之后取出样品，放入丙酮溶液中进行去胶，形成第二电极金属；
(13)将制备完的样品放入快速退火炉中，在氮气氛围下，450℃下，退火30s，使第二电极金属与微米线上表面形成良好的P型欧姆接触。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种氮化镓基微米线激光器，其包括基底，其特征在于，还包括：布置于基底上的第一电极层，布置于所述第一电极层上的单根氮化镓基微米线，所述微米线包含N型氮化镓芯层和依次覆盖于所述N型氮化镓芯层上的第一光限制层、第一光波导层、多量子阱层、第二光波导层、第二光限制层、以及P型氮化镓层，所述N型氮化镓芯层与所述第一电极层接触；
所述第一光限制层和所述第二光限制层为AlGaN材料，所述第一光波导层和第二光波导层为非故意掺杂的u-GaN，所述多量子阱层由三周期的量子垒层和量子阱层构成，所述量子垒层为InGaN材料，所述量子阱层为u-GaN；
第二电极，设置于所述氮化镓基微米线上，与所述P型氮化镓层接触；
其中，所述单根氮化镓基微米线的长度为400~1000微米，沿所述微米线的长度方向上，距离该微米线一端的预定距离开始，等间距布置有三个刻蚀凹槽，所述刻蚀凹槽的底部靠近所述N型氮化镓芯层，形成法布里-珀罗谐振腔，所述刻蚀凹槽之间的距离选用1μm。
2.根据权利要求1的所述激光器，其特征在于，所述刻蚀凹槽选用氦离子刻蚀形成，所述刻蚀凹槽的底部距离氮化镓芯层约为2微米。
3.根据权利要求1或2的所述激光器，其特征在于，所述氮化镓基微米线的横截面为梯形，其上宽3~5微米，下宽6~10微米，高4~6微米。
4.根据权利要求3的所述激光器，其特征在于，所述N型氮化镓芯层的厚度选用3μm，其掺杂浓度为5×1017；所述光限制层为Al组分选用6%的AlGaN，其厚度为1μm；所述光波导层的厚度为80nm；所述多量子阱层由三周期的量子垒层和量子阱层构成，所述量子垒层为In组分选用8%的InGaN，厚度为2.7nm，所述量子阱层为u-GaN，厚度为8nm；所述的P型氮化镓层的厚度为20nm，其掺杂浓度为3×1018。
5.根据权利要求3的所述激光器，其特征在于，所述第一电极层选用钛/铝电极层，所述第一电极层与所述微米线形成欧姆接触。
6.根据权利要求3的所述激光器，其特征在于，所述第二电极选用镍/金或镍/银电极，所述第二电极与所述微米线形成欧姆接触。
7.根据权利要求5的所述激光器，其特征在于，所述第一电极层中，钛层的厚度选用10nm，铝层的厚度选用100nm；所述第二电极中，镍的厚度选用20nm，金或银的厚度选用100nm。
8.根据权利要求3的所述激光器，其特征在于，还包括绝缘层，所述绝缘层设置于所述第一电极层的表面，包裹所述微米线，并暴露所述微米线与所述第二电极接触的表面。
9.根据权利要求8的所述激光器，其特征在于，所述绝缘层选用二氧化硅。
10.一种氮化镓基微米线激光器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
取一定量包含有氮化镓基微米线的无水乙醇溶液，将该溶液转移至表面设置有金属层的衬底上，选中长度为400~1000微米的氮化镓基微米线作为目标氮化镓基微米线，所述目标氮化镓基微米线为单根氮化镓基微米线，其中所述微米线包含N型氮化镓芯层和依次覆盖于所述N型氮化镓芯层上的第一光限制层、第一光波导层、多量子阱层、第二光波导层、第二光限制层、以及P型氮化镓层，所述N型氮化镓芯层与所述金属层接触；所述第一光限制层和所述第二光限制层选用AlGaN材料，所述第一光波导层和第二光波导层选用非故意掺杂的u-GaN，所述多量子阱层由三周期的量子垒层和量子阱层构成，所述量子垒层为InGaN材料，所述量子阱层为u-GaN；
将所述衬底快速退火，使得所述微米线与所述金属层形成欧姆接触；
固定所述微米线的一端，沿该微米线的长度方向上，距离该微米线固定端的预定距离开始，等间距刻蚀形成三个刻蚀凹槽，所述刻蚀凹槽的底部靠近所述N型氮化镓芯层，形成法布里-珀罗谐振腔，所述刻蚀凹槽之间的距离选用1μm；
沉积绝缘层包裹所述微米线；
刻蚀所述绝缘层形成第二电极窗口，所述第二电极窗口位于所述微米线上，暴露所述P型氮化镓层；
在所述第二电极窗口沉积金属形成第二电极。
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