CN114094439B - 基于氮化硅光子晶体的氮化镓面发射激光器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于氮化硅光子晶体的氮化镓面发射激光器及制备方法，结构包括氮化硅光子晶体衬底层、n‑GaN层、n‑电极、InGaN/GaN成对组成的量子阱有源层、p‑GaN层、p‑AlGaN层、p‑GaN重掺杂层和p‑电极。本发明工艺上利用了薄膜转移工艺形成了让具有低损耗谐振的氮化硅的光子晶体层跟GaN的有源薄膜腔相结合的结构，从而实现创新性性能的蓝光波段的激光器。基于氮化硅材料的光子晶体，其生长制备更加简便，并且实现了高Q值，低损耗，同时其与氮化镓薄膜的结合能实现在光子晶体层和有源层光场的高效耦合，有利于高性能激光器的实现。
Description
技术领域
本发明公开了基于氮化硅光子晶体的氮化镓面发射激光器及制备方法，涉及属于有源光子器件领域。
背景技术
光子晶体面发射激光器（PCSEL）是一种可以实现极低发散角(小于1°)、高功率激光输出的新型半导体激光器，在激光雷达、空间通讯、高密度存储、传感和激光加工等领域有着重要的应用前景。氮化镓（GaN）作为宽禁带半导体材料的代表，具有很高的应用价值。由于氮化镓具有优良的光电特性，并且随着材料生长技术的发展，氮化镓基光子晶体激光器在越来越多的领域有了更多的应用需求，如蓝光绿光激光的应用。而在现有的氮化镓光子晶体激光器中，都是在氮化镓材料中引入光子晶体结构，有掩埋型光子晶体激光器和表面刻蚀型光子晶体激光器，其器件的设计、加工制备和性能都受到限制。
发明内容
本发明针对上述背景技术中的缺陷，提供基于氮化硅光子晶体的氮化镓面发射激光器及制备方法，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：基于氮化硅光子晶体的氮化镓面发射激光器，包括：
光子晶体衬底层；
n-GaN层，位于氮化硅光子晶体衬底层之上；
有源层，位于n-GaN层之上，；
p-GaN层，位于有源层之上；
p-AlGaN层，位于p-GaN层之上；
重掺杂p-GaN层，位于p-AlGaN层之上；
n-电极，设置于n-GaN层的表面；
p-电极，设置于重掺杂p-GaN层的表面。
进一步的，所述光子晶体衬底层采用氮化硅光子晶体衬底层，包括：衬底和氮化硅，所述衬底上生长氮化硅并进行刻蚀形成周期性孔洞的光子晶体结构。
进一步的，所述的光子晶体衬底层的晶格类型为正方晶格或三角晶格或蜂窝型晶格，周期为100~250 nm，孔半径为10~100 nm。
进一步的，所述有源层为InGaN/GaN成对组成的多层量子阱层。
进一步的，所述n-GaN层厚度为20~300 nm，p-GaN层厚度为20~300 nm。
进一步的，p-AlGaN层厚度为10~100 nm，其中Al含量为10%~20%。
进一步的，重掺杂p-GaN层厚度为10~100 nm。
基于氮化硅光子晶体的氮化镓面发射激光器的制备方法，起始晶片为蓝宝石基或硅基氮化镓有源晶片，其特征在于，包括以下步骤：
步骤（1）：采用光刻及lift-off工艺在起始晶片的重掺杂p-GaN层表面设定区域进行p电极的制备；
步骤（2）：采用光刻及Ⅲ-Ⅴ刻蚀工艺，将起始晶片由上到下将设定区域刻蚀至n-GaN层；
步骤（3）：采用光刻及lift-off工艺在n-GaN层表面设定区域进行n电极的制备;
步骤（4）：在顶层灌注或旋涂PDMS，固化；
步骤（5）：采用激光剥离或干法或湿法刻蚀，从背面去除蓝宝石基氮化镓的蓝宝石衬底或硅基氮化镓的硅衬底；
步骤（6）：采用Ⅲ-Ⅴ刻蚀工艺，从背面继续刻蚀Ⅲ-Ⅴ化合物，控制n-GaN层至设定的厚度，形成PDMS基GaN薄膜；
步骤（7）：在氮化硅表面进行电子束光刻，形成光子晶体掩膜结构，进行干法或湿法刻蚀氮化硅，形成光子晶体结构，并去除电子束光刻的电子束胶；
步骤（8）：将上述已制作好的PDMS基GaN薄膜转移到氮化硅光子晶体表面，实现氮化硅光子晶体和氮化镓有源薄膜集成，最后去除PDMS。
工作原理如下：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，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.本发明可实现厚度可控的GaN基薄膜，控制腔模式的分布，然后利于实现在有源区和光子晶体区高的光场耦合效率。
2本发明利用特有的工艺，实现了创新性器件结构，将基于氮化镓材料的有源光与具有高品质因子、低损耗的氮化硅光子晶体谐振腔实现了结合，实现了氮化镓基有源发光波段与氮化硅光子晶体低损耗谐振腔的耦合，利于实现低阈值、高性能的氮化镓基有源材料发光波段的激光器，实现优异性能的氮化镓基蓝光绿光激光器，。
3.本发明解决了氮化镓基激光器受材料限制的问题，以及氮化镓光子晶体结构的制备难度大的问题；本发明实现对氮化硅光子晶体层灵活、方便、低成本的光子晶体结构制备，氮化硅也利于实现高质量的光子晶体结构。
附图说明
图1是本发明的结构侧视图；
图2是本发明的制备工艺流程图。
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，基于氮化硅光子晶体的氮化镓面发射激光器的制作方法，包括:
氮化硅光子晶体衬底层；
n-GaN层，位于氮化硅光子晶体衬底层之上；
有源层，位于n-GaN层之上，所述有源层为InGaN/GaN成对组成的多层量子阱层；
p-GaN层，位于有源层之上；
p-AlGaN层，位于p-GaN层之上；
重掺杂p-GaN层，位于p-AlGaN层之上；
n-电极，在n-GaN层的表面；
p-电极，在重掺杂p-GaN层的表面。
氮化硅光子晶体衬底层是将氮化硅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160nm，孔半径为60nm。
n-AlGaN层厚度为35 nm，Al含量为15%。
n-GaN层厚度为100 nm，p-GaN层厚度为80nm。
有源层为InGaN3nm/GaN10nm成对组成的9层量子阱结构。
为了得到此结构，即氮化硅光子晶体层和氮化镓基薄膜的集成，采用了薄膜转移工艺。
基于氮化硅光子晶体的氮化镓面发射激光器的制作方法，包括如下步骤：
步骤（1）：起始晶片为带有量子阱结构的蓝宝石基氮化镓有源晶片，采用光刻及lift-off工艺在重掺杂p-GaN表面设定区域进行Ti-Pt-Au p电极的制备；
步骤（2）：在晶片表面甩胶5um，UV光刻，显影，定义出刻蚀区域，用Ⅲ-Ⅴ刻蚀工艺，刻蚀至n-GaN层；
步骤（3）：采用光刻及lift-off工艺在n-GaN层漏出表面设定区域进行Ti-Al-Ni-Au n电极的制备；
步骤（4）：在顶层灌注约500µm厚度的PDMS，烘箱加热120-150度50分钟固化；
步骤（5）：采用激光剥离，从背面去除蓝宝石基底；
步骤（6）：采用Ⅲ-Ⅴ刻蚀工艺，从背面继续刻蚀Ⅲ-Ⅴ化合物，至n-GaN约100nm厚度；
步骤（7）：在氮化硅表面甩胶，进行电子束光刻，形成光子晶体掩膜结构，采用干法刻蚀氮化硅，形成要求的孔洞深度，形成光子晶体结构，并去除电子束光刻的电子束胶；
步骤（8）：将上述已制作好的PDMS基GaN薄膜转移到氮化硅光子晶体表面，实现氮化硅光子晶体和氮化镓有源薄膜集成，剥离释放PDMS，清洁表面。
实施例二
同样如图1所示，基于氮化硅光子晶体的氮化镓面发射型激光器的制作方法，包括：
氮化硅光子晶体衬底层；
n-GaN层，位于氮化硅光子晶体衬底层之上；
有源层，位于n-GaN层之上，所述有源层为InGaN/GaN成对组成的多层量子阱层；
p-GaN层，位于有源层之上；
p-AlGaN层，位于p-GaN层之上；
重掺杂p-GaN层，位于p-AlGaN层之上；
n-电极，在n-GaN层的表面；
p-电极，在重掺杂p-GaN层的表面。
氮化硅光子晶体层是将氮化硅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190nm，孔半径为40nm。
n-AlGaN层厚度为25 nm，Al含量为15%。
n-GaN层厚度为150nm，p-GaN层厚度为150nm。
有源层为InGaN3nm/GaN10nm成对组成的3层量子阱结构。
所述的基于氮化硅光子晶体的氮化镓面发射激光器的制作方法，包括如下步骤：
步骤（1）：起始晶片为包含量子阱结构的硅基氮化镓有源晶片，采用光刻及lift-off工艺在重掺杂p-GaN层表面设定区域进行Ni(10nm)/Au(30nm)p电极的制备；
步骤（2）：旋涂正胶3um，曝光、显影，进行Ⅲ-Ⅴ刻蚀工艺，由上到下将设定区域刻蚀至n-GaN层；
步骤（3）：采用光刻及lift-off工艺在n-GaN层漏出的表面设定区域进行n电极的制备；
步骤（4）：在顶层旋涂600µm厚度的PDMS，120-160度下固化40分钟；
步骤（5）：采用深硅刻蚀工艺，从背面完全去除硅衬底；
步骤（6）：采用Ⅲ-Ⅴ刻蚀工艺，从背面继续刻蚀Ⅲ-Ⅴ化合物，至n-GaN层厚度为150nm；
步骤（7）：在氮化硅表面旋涂PMMA，固化后进行电子束光刻，显影，形成光子晶体掩膜结构，进行干法刻蚀氮化硅，形成光子晶体结构，并去除电子束光刻的电子束胶；
步骤（8）：将上述已制作好的PDMS基GaN薄膜转移到氮化硅光子晶体表面，实现氮化硅光子晶体和氮化镓有源薄膜集成，最后释放PDMS，清洁表面。
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 (7)
1.基于氮化硅光子晶体的氮化镓面发射激光器，其特征在于，包括
光子晶体衬底层；
n-GaN层，位于氮化硅光子晶体衬底层之上；
有源层，位于n-GaN层之上；
p-GaN层，位于有源层之上；
p-AlGaN层，位于p-GaN层之上；
重掺杂p-GaN层，位于p-AlGaN层之上；
n-电极，设置于n-GaN层的表面；
p-电极，设置于重掺杂p-GaN层的表面;
所述的基于氮化硅光子晶体的氮化镓面发射激光器的制备方法，起始晶片为蓝宝石基或硅基氮化镓有源晶片，其特征在于，包括以下步骤：
步骤（1）：采用光刻及lift-off工艺在起始晶片的重掺杂p-GaN层表面设定区域进行p电极的制备；
步骤（2）：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（3）：采用光刻及lift-off工艺在n-GaN层表面设定区域进行n电极的制备;
步骤（4）：在顶层灌注或旋涂PDMS，固化；
步骤（5）：采用激光剥离或干法或湿法刻蚀，从背面去除蓝宝石基氮化镓的蓝宝石衬底或硅基氮化镓的硅衬底；
步骤（6）：采用Ⅲ-Ⅴ刻蚀工艺，从背面继续刻蚀Ⅲ-Ⅴ化合物，控制n-GaN层至设定的厚度，形成PDMS基GaN薄膜；
步骤（7）：在氮化硅表面进行电子束光刻，形成光子晶体掩膜结构，进行干法或湿法刻蚀氮化硅，形成光子晶体结构，并去除电子束光刻的电子束胶；
步骤（8）：将上述已制作好的PDMS基GaN薄膜转移到氮化硅光子晶体表面，实现氮化硅光子晶体和氮化镓有源薄膜集成，最后去除PDMS。
2.根据权利要求1所述的基于氮化硅光子晶体的氮化镓面发射激光器，其特征在于，所述光子晶体衬底层采用氮化硅光子晶体衬底层，包括：衬底和氮化硅，所述衬底上生长氮化硅并进行刻蚀形成周期性孔洞的光子晶体结构。
3. 根据权利要求1所述的基于氮化硅光子晶体的氮化镓面发射激光器，其特征在于，所述的光子晶体衬底层的晶格类型为正方晶格或三角晶格或蜂窝型晶格，周期为100~250nm，孔半径为10~100 nm。
4.根据权利要求1所述的基于氮化硅光子晶体的氮化镓面发射激光器，其特征在于，所述有源层为InGaN/GaN成对组成的多层量子阱层。
5. 根据权利要求1所述的基于氮化硅光子晶体的氮化镓面发射激光器，其特征在于，所述n-GaN层厚度为20~300 nm，p-GaN层厚度为20~300 nm。
6. 根据权利要求1所述的基于氮化硅光子晶体的氮化镓面发射激光器，其特征在于，p-AlGaN层厚度为10~100 nm，其中Al含量为10%~20%。
7. 根据权利要求1所述的基于氮化硅光子晶体的氮化镓面发射激光器，其特征在于，重掺杂p-GaN层厚度为10~100 nm。
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