CN114094440B - 基于薄膜翻转工艺的GaN基面发射激光器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于薄膜翻转工艺的GaN基面发射激光器及制备方法，包括：p电极、P‑GaN层、InGaN有源层、N‑GaN层、N‑电极和光子晶体层。相比传统面发射型激光器在P‑GaN层集成光子晶体微纳结构，本发明采用了薄膜翻转工艺从而实现了N‑GaN表面制备光子晶体结构，解决了表面集成光子晶体型GaN面发射激光器的载流子注入问题，该新的器件结构利于实现电泵激光和优异的激光激射性能。
Description
技术领域
本发明公开了基于薄膜翻转工艺的GaN基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
光子晶体面发射型激光器（PCSEL）是一种极具潜力的新型半导体激光器利用光子晶体带边的二维平面内光学反馈进行谐振、光增益和激射，其共振腔可以涵盖整个光子晶体结构，所形成的驻波在光子晶体内振荡易于与有源层高效耦合增益。光子晶体表面发射激光器除具有大面积出光外，还有单模操作、低发散角及高功率输出等优点，使其在高密度光学储存、微投影机光源、生医感测以及激光器固态照明等领域有极为广阔的应用前景和巨大的市场价值。而GaN基Ⅲ-Ⅴ族材料凭借其大禁带宽度、高击穿电压、高饱和电子漂移率和高热导等优点，在制作微波毫米波器件、紫外光电探测器、短波长可见光发光二极管和激光方面有着得天独厚的优势。因此基于GaN基的光子晶体面发射激光器展现出来的优势越来越受到关注。
然而，传统的GaN面发射激光器，由于受到材料生长的限制，P型GaN都是外延在顶层。同时，P型GaN的载流子迁移率较低，所以对于光子晶体面发射型激光器来讲，光子晶体的位置很受限制，如果在P-GaN表面制作光子晶体结构，无论是直接刻蚀GaN还是外延生长制备，使得p电极不能制作于谐振腔中心位置，从而大大影响有源区载流子注入，劣化发光性能。
发明内容
本发明针对上述背景技术中的缺陷，提供基于薄膜翻转工艺的GaN基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：基于薄膜翻转工艺的GaN基面发射激光器，其特征在于，包括
P-GaN层；
InGaN有源层，位于P-GaN层之上；
N-GaN层，位于InGaN有源层之上；
光子晶体层，为外部光子晶体层和内部光子晶体层中的一种，所述的外部光子晶体层位于N-GaN层之上，所述的内部光子晶体层为刻蚀N-GaN层而形成的；
N-电极，在N-GaN层的上表面，位于光子晶体层区域之外；
P-电极，在P-GaN层的下表面，且正对于光子晶体层中心。
进一步的，所述P-GaN层的厚度为50~500 nm，所述 N-GaN层的厚度为50~500 nm。
进一步的，所述外部光子晶体层厚度为10~500 nm，所述的外部光子晶体层的材料为氮化硅或二氧化钛，所述外部光子晶体层采用完全刻蚀。
进一步的，所述内部光子晶体层的刻蚀深度为10~500 nm。
进一步的，所述光子晶体层的晶格为正方晶格或三角晶格或蜂窝型晶格，周期为100~300 nm，孔半径为10~100 nm。
进一步的，所述InGaN有源层为单层或多层量子肼或量子点结构，每层包括InGaN阱层1~10 nm和GaN垒层5~50 nm，。
进一步的，所述光子晶体层与N-GaN层之间设置ITO导电层，且ITO导电层与N-电极相连通，所述ITO导电层厚度5~50 nm。
进一步的，所述光子晶体层上侧设置ITO导电层，且ITO导电层与N-电极相连通，所述ITO导电层厚度5~50 nm。
基于薄膜翻转工艺的GaN基面发射激光器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在蓝宝石衬底或硅衬底外延生长GaN基Ⅲ-Ⅴ族材料，衬底之上依次为缓冲层、N-GaN、InGaN有源层、电子阻挡层、P-GaN；
步骤2：通过光刻和生长工艺，在P-GaN层上制作p金属电极；
步骤3：在晶片顶端旋涂或灌注、固化一层一定厚度的PDMS层；
步骤4：将衬底翻转朝上，利用激光剥离技术或干法湿法刻蚀技术去除衬底；
步骤5：继续刻蚀Ⅲ-Ⅴ族材料，控制N-GaN层的厚度；
步骤6：利用生长、光刻、刻蚀微纳加工工艺，在N型GaN层上刻蚀或外延生长-刻蚀形成光子晶体层，并在N-GaN层表面制作n金属电极。
步骤7：分离PDMS层，清洁表面。
进一步的，步骤6中，外延生长-刻蚀形成光子晶体层具体包括以下步骤：在N-GaN表面生长一定厚度氮化硅或二氧化钛，旋涂PMMA光刻胶，并依次进行前烘干、电子束曝光、显影，形成光子晶体掩膜结构，然后后烘干；
再通过刻蚀机刻蚀光子晶体掩膜结构，刻蚀出一定深度的光子晶体层的孔洞结构，并用湿法刻蚀去除光刻胶，烘干。
工作原理如下：当有源层(MQWs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。而且本发明有源层发光区域位于光子晶体层中心垂直方向，交互效率更高，激光激射性能更加优异。
有益效果：
本发明相比的传统面发射型激光器在P-GaN表面与光子晶体微纳结构集成，本发明采用了薄膜翻转工艺实现了N-GaN表面制备光子晶体结构，在光子晶体层中心垂直方向的有源层位置形成了有效电流注入，解决了表面集成光子晶体型GaN面发射型激光器的载流子注入问题，实现新的激光器结构，易于实现电泵激光和优异的激光器性能。
（2）本发明采用直接刻蚀N-GaN或外延其他材料形成光子晶体结构，使激光器设计更加灵活，降低了制备加工的难度。
（3）本发明外部上下为空气包覆层的薄膜谐振腔，利于实现对光模式限制和光场的高耦合，提升激光器性能。
附图说明
图1为本发明一种实施例结构示意图；
图2为本发明另一种实施例结构示意图；
图3为本发明的制备工艺流程图；
图4为本发明的有益效果示意图，4(a) 为本实施例结构图，4(b)、4(c)分别为两种现有的传统面发射型激光器结构图；
其中：1为P-GaN层、2为有源层、3为N-GaN层、4为N-电极、5为P-电极、6为光子晶体层、7为载流子注入方向、8为有源层发光区域、9为Si或蓝宝石衬底。
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所示的一种实施例，基于薄膜翻转工艺的GaN基光子晶体面发射型激光器一种实施例，包括：
P-GaN层1；
InGaN有源层2，位于P-GaN层1之上，
N-GaN层3，位于InGaN有源层2之上；
光子晶体层6，位于N-GaN层3之上；
N-电极4，在N-GaN层3的表面，位于光子晶体区域之外；
P-电极5，在P-GaN层1的表面，正对与光子晶体中心。
N-GaN层3表面生长的光子晶体层6为完全刻蚀透的，厚度为100nm，材料为氮化硅；光子晶体的晶格为正方晶格或三角晶格或蜂窝型晶格，周期为180nm，孔半径为50nm。
N-GaN层3厚度为200nm；P-GaN层1厚度为200nm。
InGaN有源层2为InGaN5nm/GaN10nm成对组成的3层量子阱结构。
如图3所示，本实施例的制备工艺步骤如下：
（1）将带有量子阱的硅基底氮化镓晶片（量子阱夹在P型和N型两层氮化镓之间）进行硅基底的减薄抛光，分别在丙酮和乙醇中超声清洗10min，烘干待用；
（2）晶片正面旋涂8µm厚光刻胶，然后在90℃下前烘3min、用一定图形的掩膜版做掩膜进行UV曝光、显影露出P型氮化镓要沉积金属电极的特定区域，烘干；溅射一定厚度的Ni/Au两层金属，lift-off剥离光刻胶和光刻胶上的金属，最终在特定区域留下金属电极；烘干；
（3）在晶片正面顶端灌注、固化一层500µm厚度的PDMS层；
（4）将晶片的硅基底翻转朝上，用Bosch工艺进行硅基底的刻蚀，直到硅基底完全被释放；并继续进行Ⅲ-Ⅴ族刻蚀，以减薄N-GaN到预定厚度；
（5）在N-GaN表面生长100nm厚度氮化硅，旋涂PMMA光刻胶，前烘、电子束曝光、显影，形成光子晶体掩膜结构，然后后烘2min；
（6）用专用刻蚀机，进行氮化硅一定厚度的刻蚀，目标深度100nm，刻蚀出光子晶体层的孔洞结构，用湿法刻蚀去除光刻胶，烘干；
（7）旋涂8µm厚光刻胶，进行烘胶后，与上一步的光刻进行套刻，显影露出要沉积N-电极的特定区域，烘干；溅射一定厚度的Ni/Au两层金属，lift-off剥离光刻胶和光刻胶上的金属，最终在特定区域留下金属电极；烘干。
（8）分离PDMS，清洁表面。
实施例二
如图2所示的一种实施例，基于薄膜翻转工艺的GaN基光子晶体面发射型激光器另一种实施例，包括：
P-GaN层1；
InGaN有源层2，位于P-GaN层1之上；
N-GaN层3，位于InGaN有源层2之上；
光子晶体层6，刻蚀N-GaN层3而形成；
N-电极4，在N-GaN层3的表面，位于光子晶体区域之外；
P-电极5，在P-GaN层1的表面，正对与光子晶体中心。
N-GaN层3刻蚀成光子晶体的刻蚀深度为50nm；光子晶体的晶格为正方晶格或三角晶格或蜂窝型晶格，周期为200nm，孔半径为70nm。
N-GaN层3厚度为100nm；P-GaN层1厚度为100nm。
InGaN有源层2为InGaN3nm/GaN10nm成对组成的9层量子阱结构。
本实施例的制备工艺步骤如下：
（1）将带有量子阱的蓝宝石基底氮化镓晶片（量子阱夹在P型和N型两层氮化镓之间）进行基底的减薄抛光，分别在丙酮和乙醇中超声清洗10min，烘干待用；
（2）晶片的正面旋涂6µm厚光刻胶，然后在100℃下前烘4min、用一定图形的掩膜版做掩膜进行UV曝光、显影露出P型氮化镓要沉积金属电极的特定区域，烘干；溅射Ni(10nm)/Au(30nm)两层金属，lift-off剥离光刻胶和光刻胶上的金属，最终在特定区域留下金属电极，并烘干；
（3）在晶片的正面顶端灌注、固化一层一定厚度的PDMS；
（4） 将蓝宝石基底翻转朝上，用laser-lift-off工艺彻底释放蓝宝石基底；
（5）继续在Ⅲ-Ⅴ族刻蚀机中刻蚀一定厚度的氮化镓，然后抛光；
（5）在N-GaN表面旋涂2µm厚光刻胶正胶，然后在90℃下前烘4min、用一定图形的掩膜版做掩膜进行UV曝光、显影，形成光子晶体掩膜结构，然后在110℃下后烘3min；
（6）用专用III-V族RIE刻蚀机，进行氮化镓一定厚度的刻蚀，目标深度50nm，刻蚀出光子晶体层的孔洞结构，用湿法刻蚀去除光刻胶，烘干；
（7）旋涂6µm厚光刻胶，进行烘胶后，与上一步的光刻进行套刻，显影露出要沉积N-电极的特定区域，烘干；溅射一定厚度的Ni/Au两层金属，lift-off剥离光刻胶和光刻胶上的金属，最终在特定区域留下金属电极；烘干。
（8）分离PDMS，清洁表面。
如图4所示，图4(b)、图4 (c)为P-GaN在上， P电极只能制备在没有光子晶体的边缘区，而P-GaN的载流子迁移率很低，所以无论是对于图4(b)的N电极在光子晶体中心区的结构还是图4(c)N电极在边缘的结构，光子晶体中心区下面的有源区都无法实现有效的载流子注入。所以，相比图4(b)、图4(c)所示的传统面发射型激光器在P-GaN表面与光子晶体微纳结构集成，图4(a)所示的本发明采用了薄膜翻转工艺实现了N-GaN表面制备光子晶体结构，可在光子晶体层中心垂直方向的有源层位置形成了有效电流注入，解决了表面集成光子晶体型GaN面发射型激光器的载流子注入问题，实现新的激光器结构，易于实现电泵激光和优异的激光器性能。
本发明通过直接刻蚀N-GaN或外延其他材料形成光子晶体结构，使激光器设计更加灵活，降低了制备加工的难度。
本发明外部上下为空气包覆层的薄膜谐振腔，利于实现对光模式限制和光场的高耦合，提升激光器性能。
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 (6)
1.基于薄膜翻转工艺的GaN基面发射激光器，其特征在于，包括
P-GaN层；
InGaN有源层，位于P-GaN层之上；
N-GaN层，位于InGaN有源层之上；
光子晶体层，为外部光子晶体层和内部光子晶体层中的一种，所述的外部光子晶体层位于N-GaN层之上，所述的内部光子晶体层为刻蚀N-GaN层而形成的；
N-电极，在N-GaN层的上表面，位于光子晶体层区域之外；
P-电极，在P-GaN层的下表面，且正对于光子晶体层中心, 所述InGaN有源层为单层或多层量子肼或量子点结构，每层包括：InGaN阱层1~10 nm和GaN垒层5~50 nm，所述InGaN有源层和P-GaN层之间设置电子阻挡层：所述电子阻挡层为AlGaN或InGaN中的一种，所述电子阻挡层厚度为10~50 nm，所述光子晶体层与N-GaN层之间设置ITO导电层，且ITO导电层与N-电极相连通，所述ITO导电层厚度5~50 nm，
所述的基于薄膜翻转工艺的GaN基面发射激光器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在蓝宝石衬底或硅衬底外延生长GaN基Ⅲ-Ⅴ族材料，衬底之上依次为缓冲层、N-GaN、InGaN有源层、电子阻挡层、P-GaN；
步骤2：通过光刻和生长工艺，在P-GaN层上制作p金属电极；
步骤3：在晶片顶端旋涂或灌注、固化一层一定厚度的PDMS层；
步骤4：将衬底翻转朝上，利用激光剥离技术或干法湿法刻蚀技术去除衬底；
步骤5：继续刻蚀Ⅲ-Ⅴ族材料，控制N-GaN层的厚度；
步骤6：利用生长、光刻、刻蚀微纳加工工艺，在N型GaN层上刻蚀或外延生长-刻蚀形成光子晶体层，并在N-GaN层表面制作n金属电极；
步骤7：分离PDMS层，清洁表面。
2. 根据权利要求1所述的基于薄膜翻转工艺的GaN基面发射激光器，其特征在于，所述P-GaN层的厚度为50~500 nm，所述N-GaN层的厚度为50~500 nm。
3. 根据权利要求1所述的基于薄膜翻转工艺的GaN基面发射激光器，其特征在于，所述外部光子晶体层厚度为10~500 nm，所述的外部光子晶体层的材料为氮化硅或二氧化钛，所述外部光子晶体层采用完全刻蚀。
4. 根据权利要求1所述的基于薄膜翻转工艺的GaN基面发射激光器，其特征在于，所述内部光子晶体层的刻蚀深度为10~500 nm。
5. 根据权利要求1所述的基于薄膜翻转工艺的GaN基面发射激光器，其特征在于，所述光子晶体层的晶格为正方晶格或三角晶格或蜂窝型晶格，周期为100~300 nm，孔半径为10~100 nm。
6.根据权利要求1所述的基于薄膜翻转工艺的GaN基面发射激光器，其特征在于，步骤6中，外延生长-刻蚀形成光子晶体层具体包括以下步骤：在N-GaN表面生长一定厚度氮化硅或二氧化钛，旋涂PMMA光刻胶，并依次进行前烘干、电子束曝光、显影，形成光子晶体掩膜结构，然后后烘干；
再通过刻蚀机刻蚀光子晶体掩膜结构，刻蚀出一定深度的光子晶体层的孔洞结构，并用湿法刻蚀去除光刻胶，烘干。
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