CN114256735B - 一种电泵氮化物悬空圆环光频梳激光器及其制备方法 - Google Patents

一种电泵氮化物悬空圆环光频梳激光器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种电泵氮化物悬空圆环光频梳激光器及其制备方法，激光器以硅基氮化物外延片为载体，包括自下而上依次设置的硅衬底层、设置在硅衬底底层上表面的n型氮化镓层、量子阱层、p型氮化镓层、设置在p型氮化镓层上的二硫化钼层、p型电极、设置在n型氮化镓层上表面中心的n型电极；激光器具有圆环微腔结构，圆环微腔结构的下方由硅衬底层支撑。制备方法在硅衬底氮化物外延片上，利用光刻、ICP氮化物干法刻蚀、硅湿法刻蚀、电子束蒸镀工艺制备悬空圆环结构的氮化物微腔，将二维材料沉积在p型氮化镓表面，作为频梳的发光区，在圆环发光区和环形微腔增益区重合的表面蒸镀Ni/Au，在圆环中心的n型氮化镓表面蒸镀Ni/Au，最终制备电泵浦光频梳激光器。

Description

一种电泵氮化物悬空圆环光频梳激光器及其制备方法
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种电泵氮化物悬空圆环光频梳激光器及其制备方法。
背景技术
微腔光频梳具有体积小、功耗低和宽光谱的优异特性，已在相干光通信、低噪声微波信号产生、光谱学、超快精密测距、天文学和量子密钥分发上展现出了前所未有的优势。随着半导体加工工艺发展，微腔的品质因子(Q)值也显著提高。科研人员先后在CaF2、MgF2微腔，AlN、AlGaAs、LiNbO3、Si3N4和Si片上波导微环谐振腔等多种材料平台实现了宽光谱微腔光频梳。但目前光频梳通常采用氮化硅，铌酸锂微盘等无源腔来实现，需要外在光源，这限制了光电器件的高密度光电集成。人们急需能够满足光学谐振器和本身增益条件的微腔来构建复合结构，这是下一代光频梳的发展方向。
到目前为止，研究者提出了将二维材料介入微盘等谐振腔来制备激光器的研究。二维材料与微腔的集成可以支持高质量的共振并作为光子光源。其中，Salehzadeh等基于在室温下工作的MoS2激光器设计并制备了第一个室温激光器。该设计中将四层MoS2放置在独立SiO2上形成的光学微盘上，利用微盘结构的高光场限域作用将二硫化钼的激子发光局域在微腔中，得到了激光输出。Ye等通过将单层WS2膜嵌入两个介质层(Si3N4/WS2/氢硅氧烷(HSQ))之间，用以增大光学约束，获得高模式增益，最终实现低阈值激光。Yang等利用化学气象沉积法在SiO2微球上制备了单层MoS2实现了650-750nm范围内的WGM激光。但这些研究仅仅研究了二维材料的发光有源特性。将二维材料的有源特性和非线性结合起来研究鲜有报道。原因在于二维材料的非线性效率受固有厚度的限制，限制了光与物质相互作用的效率，因此将二维材料与光子结构(微腔或光子晶体)集成在一起，提供了一种增强光-物质相互作用的解决方案。
综上所述，为了获得基于二维材料的有源光频梳激光器，申请人利用先进的微纳加工工艺，设计并制备横截面为圆环形状的氮化镓悬浮微腔激光器结构，提出了一种二维材料修饰的电泵氮化镓悬浮圆环复合微腔光频梳激光器。该结构具有以下三个优势：第一，圆环具有极高的光学增益和极小的光学损耗，并且能够形成闭合的激光谐振。第二，氮化镓能够发出紫外荧光，可以作为激发源对二维材料进行泵浦，同时二维材料借助氮化镓的圆环微腔，使光与物质充分作用，这样二维材料发光和非线性特性能够结合在一起。第三，采用悬浮微腔的上下面表面裸露在空气介质中，极大减少光学微腔的损耗，环状的结构设计有利于微腔中心高阶模消除，并且环形电极发光区和环形微腔区重合，更容易形成谐振。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种氮化物悬空圆环结构电泵光频梳激光器及其制备方法，以解决上述至少一个技术问题。
根据本发明说明书的一方面，提供一种电泵氮化物悬空圆环光频梳激光器，所述激光器以硅基氮化物外延片为载体，包括自下而上依次设置的硅衬底层、设置在硅衬底底层上表面的n型氮化镓层、量子阱层、p型氮化镓层、设置在所述p型氮化镓层上的二硫化钼层、p型电极、设置在所述n型氮化镓层上表面中心的n型电极；所述激光器具有圆环微腔结构，所述圆环微腔结构的下方由硅衬底层支撑。
上述技术方案利用先进的微纳加工工艺，设计了横截面为圆环形状的氮化镓悬浮微腔激光器结构，其中，圆环设计具有极高的光学增益和极小的光学损耗，并且能够形成闭合的激光谐振；并且，氮化镓能够发出紫外荧光，可以作为激发源对二维材料进行泵浦，同时二维材料借助氮化镓的圆环微腔，使光与物质充分作用，这样二维材料发光和非线性特性能够结合在一起；此外，采用悬浮微腔的上下面表面裸露在空气介质中，极大减少光学微腔的损耗，环状的结构设计有利于微腔中心高阶模消除，并且环形电极发光区和环形微腔区重合，更容易形成谐振。
作为进一步的技术方案，所述圆环微腔结构由从下至上依次设置的n型氮化镓层、量子阱层、p型氮化镓层和沉积在圆环微腔上表面的二硫化钼层构成。氮化镓可以直接加电发光，并且氮化镓的紫外波段能够作为激发源对二维材料进行泵浦，同时二维材料借助氮化镓的悬空圆环微腔，使光与物质充分作用，实现二维材料自发辐射的四波混频，受激辐射四波混频，获得频率梳。
作为进一步的技术方案，所述n型氮化镓层呈圆盘形状，所述量子阱层、p型氮化镓层与二硫化钼层呈圆环形状。
作为进一步的技术方案，所述p型电极为环形电极，所述n型电极位于p型电极的中心。
作为进一步的技术方案，所述硅衬底层形成有硅柱，所述硅柱位于n型氮化镓层下方的中心位置。
根据本发明说明书的一方面，提供一种制备所述电泵氮化物悬空圆环光频梳激光器的方法，所述方法包括：
在硅基氮化物外延片的P型氮化镓的上表面定义圆环微腔结构的图形；
向下刻蚀氮化物层，直至n型氮化镓层的上表面，将定义出的圆环微腔结构的图形向下转移至硅基氮化镓晶片的p型氮化镓层、量子阱层中；
在硅基氮化物外延片的上表面的中心区域定义n型区电极图形；
在定义的n型区电极图形上蒸镀Ni/Au，获得n型区电极；
在圆环微腔结构的上表面定义出p型区图形；
将单层二硫化钼沉积到p型区图形上表面；
在p型氮化镓层与二硫化钼形成的复合微腔上表面定义出p型区电极图形；
在定义的p型区电极图形上表面蒸镀Ni/Au，使得p型氮化镓层与二硫化钼形成的复合微腔上表面镀上正电极，获得p型区电极；
刻蚀硅衬底层，在硅衬底层中形成硅柱，用于支撑圆环微腔结构。
上述技术方案在硅衬底氮化物外延片上，利用光刻、ICP氮化物干法刻蚀、硅湿法刻蚀工艺、电子束蒸镀工艺制备悬空圆环结构的氮化物微腔，将二维材料沉积在p型氮化镓表面，作为频梳的发光区，在圆环发光区和环形微腔增益区重合的表面蒸镀Ni/Au，在圆环中心的n型氮化镓表面蒸镀Ni/Au，最终制备电泵浦光频梳激光器。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
(1)本发明提供一种悬空圆环光频梳激光器，该激光器通过氮化镓材料制备，利用氮化镓的紫外波段作为激发源对沉积在微腔表面的二维材料进行泵浦，同时二维材料借助氮化镓的微腔，使光与物质充分作用，实现二维材料自发辐射的四波混频，受激辐射四波混频，获得频率梳；该激光器具有光学增益高、光学损耗小的优势。
(2)本发明的悬浮微腔的上下面表面裸露在空气介质中，极大减少光学微腔的损耗，而环状的结构设计有利于微腔中心高阶模消除，且环形电极发光区和环形微腔区重合，更容易形成谐振，另外，氮化镓可以直接加电发光，进而实现电泵频梳激光器，有利于探索基于二维材料的高速、高密度集成电泵光频梳。
附图说明
图1为根据本发明实施例的氮化物悬空圆环结构电泵光频梳激光器的侧视图。
图2为根据本发明实施例的氮化物悬空圆环结构电泵光频梳激光器的俯视图。
图3为根据本发明实施例的氮化物悬空圆环结构电泵光频梳激光器的制备工艺流程图。
图中：1、硅衬底层；2、n型氮化镓层；3、量子阱层；4、p型氮化镓层；5、二硫化钼层；6、p型区电极；7、n型区电极。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述发实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
本发明提供一种氮化物悬空圆环结构电泵光频梳激光器，如图1-2所示。该激光器以硅基氮化物外延片为载体，包括硅基衬底1、n型氮化镓层2、设置在n型氮化镓层2一侧的量子阱层3、p型氮化镓层4，p型氮化镓平台呈圆环状，裸露的n型氮化镓层2上表面圆盘中心蒸镀有沉积金属材料为Ni/Au的n型区电极7，在p型氮化镓平台的圆环图形上蒸镀有沉积二维材料为二硫化钼和金属材料为Ni/Au的p型区电极6。所述硅衬底层1由HF和HNO3的混合溶液刻蚀过，由于各向同性，所以形成仅由硅柱支撑的圆盘，使得圆环结构完全悬空，垂直方向的光学损耗小。
悬空圆环复合微腔结构由从下至上依次连接设置的n型氮化镓层2、量子阱层3、p型氮化镓层4和沉积在圆环微腔上表面的二维材料层构成。氮化镓可以直接加电发光，并且氮化镓的紫外波段能够作为激发源对二维材料进行泵浦，同时二维材料借助氮化镓的悬空圆环微腔，使光与物质充分作用，实现二维材料自发辐射的四波混频，受激辐射四波混频，获得频率梳。
作为一种实施方式，如图3所示，以制备圆环微腔结构为例，其中，圆环内径为70微米，外径为110微米。
所述制备所述电泵氮化物悬空圆环光频梳激光器的方法包括：
第一步：将购买的商用硅衬底氮化物外延片，经丙酮、无水乙醇和去离子水一次超声清洗后，用氮气枪吹干，使用匀胶机在晶片正面(p型氮化镓层4上表面)以4000转/分钟的转速旋涂光刻胶AZ5214,旋涂时间为40秒(光刻胶厚度为1.5微米)。
采用光刻工艺，在旋涂的光刻胶层上定义出圆环微腔结构，光刻机型号为MA6。
第二步：采用III-V族电感耦合等离子体氮化物刻蚀工艺向下刻蚀氮化物层直至n型氮化镓层的上表面，从而将所述第一步中定义出的圆环微腔结构的图形转移至硅基氮化物外延片的量子阱层3和p型氮化镓层4中，并利用丙酮溶液去除光刻胶AZ5214。
第三步：使用匀胶机在硅基氮化物外延片的上表面以4000转/分钟的转速旋涂光刻胶AZ5214，旋涂时间为50秒(光刻胶厚度为2微米)；然后采用光刻工艺在旋涂的光刻胶层中心定义出n型区电极图形。
第四步：采用电子束蒸镀工艺在图形结构上表面蒸镀700nm金属镍，最后用丙酮溶液去除残余的光刻胶，获得n型区电极7。
第五步：使用匀胶机在晶片正面以4000转/分钟的转速旋涂光刻胶AZ5214，旋涂时间为40秒(光刻胶厚度为2微米)；采用光刻工艺，在p型氮化镓层4的用于沉积二硫化钼5的区域上，定义出p型区沉积二硫化钼5的图形结构，光刻机型号为MA6。
第六步：采用化学气相沉积技术在图形结构上表面沉积单层二硫化钼，然后在丙酮溶液中完成剥离工艺，去除非p型氮化镓层4区域的光刻胶及其表面的二硫化钼5，获得p型氮化镓层4与二硫化钼5的复合微腔。
第七步：使用匀胶机在晶片正面以4000转/分钟旋涂光刻胶AZ5214，旋涂时间为50秒(光刻胶厚度为2微米)，采用光刻工艺，在旋涂了光刻胶层的复合微腔上表面定义出p型区电极图形，光刻机型号为MA6。
第八步：采用电子束蒸镀工艺在电极图形上表面蒸镀金属(Ni/Au)，使得二硫化钼层5上镀上p型电极6，最后在丙酮溶液中完成剥离工艺，去除非二硫化钼层5区域的光刻胶及其表面的金属(Ni/Au)，获得p型区电极6。
采用各向同性湿法刻蚀工艺，从圆环微腔底部刻蚀硅衬底层1，可以获得硅柱支撑的悬空圆环结构微腔。刻蚀溶液是氢氟酸和稀硝酸配比为1:1的混合溶液。。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。

Claims (5)

1.一种电泵氮化物悬空圆环光频梳激光器，其特征在于，所述激光器以硅基氮化物外延片为载体，包括自下而上依次设置的硅衬底层（1）、设置在硅衬底层（1）上表面的n型氮化镓层（2）、量子阱层（3）、p型氮化镓层（4）、设置在所述p型氮化镓层（4）上的二硫化钼层（5）、p型电极（6）、设置在所述n型氮化镓层（2）上表面中心的n型电极（7）；所述激光器具有圆环微腔结构，所述圆环微腔结构的下方由硅衬底层（1）支撑，所述n型氮化镓层（2）呈圆盘形状，所述量子阱层（3）、p型氮化镓层（4）与二硫化钼层（5）呈圆环形状。
2.根据权利要求1所述一种电泵氮化物悬空圆环光频梳激光器，其特征在于，所述圆环微腔结构由从下至上依次设置的n型氮化镓层（2）、量子阱层（3）、p型氮化镓层（4）和沉积在圆环微腔上表面的二硫化钼层（5）构成。
3.根据权利要求1所述一种电泵氮化物悬空圆环光频梳激光器，其特征在于，所述p型电极（6）为环形电极，所述n型电极（7）位于p型电极（6）的中心。
4.根据权利要求1所述一种电泵氮化物悬空圆环光频梳激光器，其特征在于，所述硅衬底层（1）形成有硅柱，所述硅柱位于n型氮化镓层（2）下方的中心位置。
5.一种制备权利要求1-4任一项所述电泵氮化物悬空圆环光频梳激光器的方法，其特征在于，所述方法包括：
在硅基氮化物外延片的P型氮化镓层（4）的上表面定义圆环微腔结构的图形；
向下刻蚀氮化物层，直至n型氮化镓层（2）的上表面，将定义出的圆环微腔结构的图形向下转移至硅基氮化镓晶片的p型氮化镓层（4）、量子阱层中（3）；
在硅基氮化物外延片的上表面的中心区域定义n型电极图形；
在定义的n型电极图形上蒸镀Ni/Au，获得n型电极（7）；
在圆环微腔结构的上表面定义出p型区图形；
将单层二硫化钼层（5）沉积到p型区图形上表面；
在p型氮化镓层（4）与二硫化钼层（5）形成的复合微腔上表面定义出p型电极图形；
在定义的p型电极图形上表面蒸镀Ni/Au，使得p型氮化镓层（4）与二硫化钼层（5）形成的复合微腔上表面镀上正电极，获得p型电极（6）；
刻蚀硅衬底层（1）， 在硅衬底层（1）中形成硅柱，用于支撑圆环微腔结构。
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