CN114509838B - 氮化镓基激光器及其内氮化镓纳米超结构的制备方法 - Google Patents

氮化镓基激光器及其内氮化镓纳米超结构的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114509838B
CN114509838B CN202210009700.1A CN202210009700A CN114509838B CN 114509838 B CN114509838 B CN 114509838B CN 202210009700 A CN202210009700 A CN 202210009700A CN 114509838 B CN114509838 B CN 114509838B
Authority
CN
China
Prior art keywords
gallium nitride
grating
nano
based laser
chromium
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210009700.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114509838A (zh
Inventor
王淼
易觉民
王建峰
徐科
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Original Assignee
Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS filed Critical Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority to CN202210009700.1A priority Critical patent/CN114509838B/zh
Publication of CN114509838A publication Critical patent/CN114509838A/zh
Priority to PCT/CN2022/125543 priority patent/WO2023130794A1/zh
Priority to US18/043,052 priority patent/US20240288617A1/en
Priority to JP2023514961A priority patent/JP2024505767A/ja
Priority to EP22862369.0A priority patent/EP4235985A4/en
Priority to KR1020237008287A priority patent/KR20230107538A/ko
Application granted granted Critical
Publication of CN114509838B publication Critical patent/CN114509838B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/30—Polarising elements
    • G02B5/3025—Polarisers, i.e. arrangements capable of producing a definite output polarisation state from an unpolarised input state
    • G02B5/3058—Polarisers, i.e. arrangements capable of producing a definite output polarisation state from an unpolarised input state comprising electrically conductive elements, e.g. wire grids, conductive particles
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/005—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S5/0085—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping for modulating the output, i.e. the laser beam is modulated outside the laser cavity
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/002—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1809—Diffraction gratings with pitch less than or comparable to the wavelength
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/0005—Production of optical devices or components in so far as characterised by the lithographic processes or materials used therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/0206—Substrates, e.g. growth, shape, material, removal or bonding
    • H01S5/0213—Sapphire, quartz or diamond based substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18386—Details of the emission surface for influencing the near- or far-field, e.g. a grating on the surface
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
    • H01S5/323—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B2207/00—Coding scheme for general features or characteristics of optical elements and systems of subclass G02B, but not including elements and systems which would be classified in G02B6/00 and subgroups
    • G02B2207/101—Nanooptics
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S2301/00—Functional characteristics
    • H01S2301/14—Semiconductor lasers with special structural design for lasing in a specific polarisation mode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/005—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/022—Mountings; Housings
    • H01S5/02208—Mountings; Housings characterised by the shape of the housings
    • H01S5/02212—Can-type, e.g. TO-CAN housings with emission along or parallel to symmetry axis
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/022—Mountings; Housings
    • H01S5/0225—Out-coupling of light
    • H01S5/02257—Out-coupling of light using windows, e.g. specially adapted for back-reflecting light to a detector inside the housing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/024—Arrangements for thermal management
    • H01S5/02469—Passive cooling, e.g. where heat is removed by the housing as a whole or by a heat pipe without any active cooling element like a TEC
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/1082—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region with a special facet structure, e.g. structured, non planar, oblique
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
    • H01S5/323—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/32308—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength less than 900 nm
    • H01S5/32341—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength less than 900 nm blue laser based on GaN or GaP
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Polarising Elements (AREA)
  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)

Abstract

本发明公开了一种氮化镓纳米超结构及其制备方法以及设置有该氮化镓纳米超结构的氮化镓基激光器，该氮化镓纳米超结构用于实现氮化镓基激光器圆偏振出光。氮化镓纳米超结构由下至上依次包括衬底、介质膜层以及纳米光栅结构层，所述纳米光栅结构层的光栅材料包括氮化镓、n型氮化镓、p型氮化镓中的一种，光栅周期范围为100nm‑280nm，光栅高度范围为100nm‑300nm，光栅线宽为50nm‑200nm。本发明的氮化镓纳米超结构，其能够实现高效圆偏振出光功能，将其应用于氮化镓基激光器上可实现该氮化镓基激光器的圆偏振出光。

Description

氮化镓基激光器及其内氮化镓纳米超结构的制备方法
技术领域
本发明是关于微纳制造技术领域，特别是关于一种用于实现氮化镓基激光器圆偏振出光的氮化镓纳米超结构及其制备方法以及氮化镓基激光器。
背景技术
氮化镓基蓝绿光激光器凭借高光效、窄线宽、高显色指数等优点在激光显示、激光投影、可见光通讯等领域已取得重要应用。如果进一步用在全息显示、生物成像，水下光通讯，量子通讯等领域时，则需要通过增加特定光学元件（如四分之一波片）将本身是线偏振出光的氮化镓基激光器转换成圆偏振光辐射才行。一般获取圆偏振出光采用的四分之一波段为体材料镜片，其厚度通常在毫米级别，在光学系统中体积较大，不利用器件的集成化和微型化发展，特别是将无法用于紧凑型的微型投影仪或者头戴式显示器中。基于微纳米结构实现波片功能的方法为实现激光器件微型化和片上集成提供了可能。N.F.Yu等人基于表面等离子效应采用金属光栅结构实现了在中红外波段的圆偏振出光激光器。
将采用体材料制备的四分之一波片用在氮化镓基蓝绿光激光器上，虽然可以实现圆偏振出光，但是整体体积较大，不利于高度集成和微型化发展。采用金属光栅制备圆偏振出光激光器的方法，其最大问题在于金属具有较大的吸收损耗，导致出射光的能量利用率不高。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氮化镓纳米超结构，其能够实现高效圆偏振出光功能，将其应用于氮化镓基激光器上可实现该氮化镓基激光器的圆偏振出光。
为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种氮化镓纳米超结构，用于实现氮化镓基激光器圆偏振出光，所述氮化镓纳米超结构由下至上依次包括衬底、介质膜层以及纳米光栅结构层，所述纳米光栅结构层的光栅材料包括氮化镓、n型氮化镓、p型氮化镓中的一种，光栅周期范围为100nm-280nm，光栅高度范围为100nm-300nm，光栅线宽为50nm-200nm。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述氮化镓纳米超结构的衬底材料包括氮化镓或蓝宝石中的一种。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述氮化镓纳米超结构的介质膜层材料包括氮化镓、n型氮化镓、p型氮化镓中的一种，所述介质膜层的厚度范围为0.1um-100um。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述氮化镓纳米超结构的尺寸为10~1000um，其轮廓形状包括圆形或方形。
本发明还提供了一种用于实现氮化镓基激光器圆偏振出光的氮化镓纳米超结构的制备方法，包括：于蓝宝石衬底上生长氮化镓或n型氮化镓或p型氮化镓薄膜；在薄膜上旋涂光刻胶，光刻并显影制备出光刻胶光栅图样；制备金属光栅掩膜结构；刻蚀氮化镓或n型氮化镓或p型氮化镓薄膜，形成氮化镓光栅，腐蚀多余金属光栅。
本发明还提供了一种用于实现氮化镓基激光器圆偏振出光的氮化镓纳米超结构的制备方法，包括：于氮化镓衬底上旋涂光刻胶，光刻并显影制备出光刻胶光栅图样；制备金属光栅掩膜结构；刻蚀氮化镓衬底，形成氮化镓光栅，腐蚀多余金属光栅。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述光刻胶厚度范围为100-300nm，所述光刻方法包括电子束曝光、紫外直写、双光束干涉。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述步骤：制备金属光栅掩膜结构包括：蒸镀金属镍或者铬或者镍+铬薄膜，厚度为30-80nm，浸泡丙酮剥离残余光刻胶，形成金属镍或铬或者镍+铬材料的光栅。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述步骤：刻蚀以形成氮化镓光栅，腐蚀多余金属光栅包括：采用ICP干法刻蚀技术进行刻蚀，刻蚀光栅深度为100nm-300nm，采用铬腐蚀液和/或镍腐蚀液洗掉多余铬和/或镍，并用去离子水进行超声清洗。
本发明还提供了一种氮化镓基激光器，包括氮化镓基激光器本体以及上述的氮化镓纳米超结构，所述氮化镓纳米超结构设置于所述氮化镓基激光器本体出光端面的前端，且所述氮化镓纳米超结构光栅的线栅方向与所述氮化镓基激光器本体出光的偏振方向夹角为45°。
与现有技术相比，本发明实施方式的氮化镓纳米超结构，能够实现高效圆偏振出光功能，将其应用于氮化镓基激光器上可实现该氮化镓基激光器的圆偏振出光。氮化镓基激光器由于自身特性本身出光为高度线偏振光，通过出光面前端集成氮化镓纳米超结构并且通过改变纳米光栅线栅与激光偏振方向的夹角正负关系实现左旋圆偏振光与右旋圆偏振光出射。
本发明实施方式的氮化镓纳米超结构，具有高透光率、高偏振转化效率。氮化镓纳米超结构在可见光波段不存在吸收，加上在表面制备了纳米光栅结构有效减小了因与空气的折射率差异较大引起的低出光效率，因此针对氮化镓基激光器的辐射光可实现高的透过率，此外通过设计合理的纳米超结构参数，实现四分之一波片的功能，将具有高线偏振度的激光高效的转换成圆偏振辐射激光，能量损失极小。
本发明实施方式的氮化镓纳米超结构，集成度高、稳定性高。氮化镓纳米超结构，其设计的纳米结构厚度仅有百纳米级别，加上衬底厚度也仅有百微米级别，因此为实现高度集成紧凑型器件提供了极大的方便。此外，氮化镓材料本身硬度高、耐辐射、耐高温且不易分解，因此制备的氮化镓纳米超结构具有更好的稳定性，在极端条件如太空，深海以及高温环境下依然可以保持良好的物理特性。
附图说明
图1是本发明一实施方式的氮化镓纳米超结构的截面图。
图2是本发明实施例1中的氮化镓纳米超结构的俯视图；
图3是本发明实施例2中的氮化镓纳米超结构的俯视图；
图4是本发明一实施方式的氮化镓纳米超结构的制备方法流程示意图。
图5a和图5b分别是本发明实施例3中制备的氮化镓纳米超结构在绿光宽光谱波段的透过率谱线以及位相差与振幅比图示；
图6a和图6b分别是本发明实施例4中制备的氮化镓纳米超结构在绿光宽光谱波段的透过率谱线以及位相差与振幅比图示。
图7-图10是本发明实施方式的氮化镓基激光器的结构示意图（氮化镓纳米超结构安装位置不同）。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如背景技术所言，氮化镓基激光器是线偏振出光且偏振度很高。现有技术中实现圆偏振光其方案也有多种，常规的是直接采用光学¼波片实现圆偏振的转换，但是该类波片尺寸较大，不易集成。本发明根据氮化镓基激光器的基本特性，创新性提出了采用氮化镓纳米超结构来实现氮化镓基激光器由本身的线偏振转换成圆偏振光出射。
实施例1：
如图1和图2所示，本发明一实施方式提供了一种用于集成在氮化镓基激光器芯片上实现氮化镓基激光器圆偏振出光的氮化镓纳米超结构B，氮化镓纳米超结构由下至上依次包括衬底10、介质膜层20以及纳米光栅结构层30。氮化镓纳米超结构的尺寸为10~1000um，轮廓形状可以是圆形也可以是方形。氮化镓纳米超结构的衬底10是氮化镓或蓝宝石的一种。介质膜层20材料是氮化镓或n型氮化镓或p型氮化镓的一种，厚度范围为0.1um-100um。氮化镓纳米超结构的纳米光栅结构层30，其光栅材料是氮化镓或n型氮化镓或p型氮化镓的一种，光栅周期P范围为100nm-280nm，光栅高度H范围为100nm-300nm，光栅线宽W为50nm-200nm。该氮化镓纳米超结构的功能是将入射的线偏振激光通过该结构器件转化成圆偏振光出射，功能等效于四分之一波片。
实施例2：
由于将上述氮化镓纳米超结构用于集成的氮化镓基激光器的时，制备的纳米光栅结构层30的线栅方向要与激光芯片辐射偏振方向夹角保持45°，为了简化氮化镓纳米超结构集成于氮化镓基激光器的步骤，当制备的氮化镓纳米超结构的轮廓为方形时，可以直接在介质膜层20上制备与衬底直边取向为45°的纳米光栅结构层30，参考图3所示。
参考图4所示，本发明还提供了一种用于实现氮化镓基激光器圆偏振出光的氮化镓纳米超结构的制备方法，包括，选用蓝宝石衬底，在蓝宝石衬底10上生长氮化镓或n型氮化镓或p型氮化镓薄膜20（如果选用氮化镓衬底，则跳过这一步直接进行下一步）。在上述衬底10或薄膜20上旋涂光刻胶40，光刻胶厚度范围为100-300nm，采用电子束曝光或紫外直写或双光束干涉中任一种方法进行光刻并显影制备出光刻胶光栅图样。蒸镀金属镍或者铬或者镍+铬薄膜，厚度为30-80nm，然后浸泡丙酮剥离残余光刻胶，形成金属镍或铬或者镍+铬材料的光栅50。采用ICP干法刻蚀技术刻蚀样品，刻蚀光栅深度为100nm-300nm，然后采用铬腐蚀液和/或镍腐蚀液洗掉多余铬和/或镍，并用去离子水进行超声清洗样品。
将制备的氮化镓纳米超结构与氮化镓基激光器通过键合或者光学粘合或与封装盖帽的出光孔结合等方式集成到该激光器出光端面的前端，且光栅的方向与激光器出光的偏振方向夹角为45°。为了简化集成步骤，当衬底为方形时，在衬底或薄膜上制备光栅时可以在方形衬底上制备取向为45°的光栅便于集成。当衬底为圆形时，无该要求但需标注光栅方向便于集成。
实施例3：
先在蓝宝石衬底10上生长的GaN薄膜或者GaN单晶衬底上直接旋涂光刻胶200nm。采用电子束光刻或者双光束紫外曝光出周期为220nm、宽度为140nm的光栅图案，并显影。采用电子束蒸发或磁控溅射在上述结构上蒸镀厚度50nm金属铬，并用丙酮浸泡超声去掉光刻胶结构，此时金属铬光栅宽度为80nm。用干法刻蚀（ICP）刻蚀氮化镓深度为225nm，宽度为80nm，并使用铬腐蚀液将残余铬洗掉。制备的氮化镓超纳米结构在蓝光宽光谱波段的透过率谱线以及位相差与振幅比如图5a和图5b所示。
实施例4：
先在蓝宝石衬底上生长的GaN薄膜或者GaN单晶衬底上直接旋涂光刻胶200nm。采用电子束光刻或者双光束紫外曝光出周期为180nm、宽度为110nm的光栅图案，并显影。采用电子束蒸发或磁控溅射在上述结构上蒸镀厚度50nm金属铬，并用丙酮浸泡超声去掉光刻胶结构，此时金属铬光栅宽度为75nm。用干法刻蚀（ICP）刻蚀氮化镓深度为185nm，宽度为70nm，并使用铬腐蚀液将残余铬洗掉。制备的氮化镓超纳米结构在蓝光宽光谱波段的透过率谱线以及位相差与振幅比如图6a和图6b所示。
本发明还提供了一种氮化镓基激光器，包括氮化镓基激光器本体A以及上述的氮化镓纳米超结构B，氮化镓纳米超结构B设置于氮化镓基激光器本体A出光端面的前端，且氮化镓纳米超结构B光栅的线栅方向与氮化镓基激光器本体A出光的偏振方向夹角为45°。本发明的氮化镓基激光器，通过改变氮化镓纳米超结构B光栅的线栅方向与氮化镓基激光器本体A出光的偏振方向夹角的±来实现左旋偏振光与右旋偏振光的辐射。
氮化镓基激光器本体A包括管芯100、热沉200、过度热沉300、LD芯片400以及封装盖帽500。上述部件可以组合形成垂直腔面辐射激光器（图7和图8）或端面辐射激光器（图9和图10）。如果是垂直腔面辐射激光器，氮化镓纳米超结构B可以直接贴合在LD芯片400的上表面（集成于器件内部辐射腔面上）或封装盖帽500的顶面上，如图7和图8所示；如果是端面辐射激光器，氮化镓纳米超结构B可以集成在热沉200上或者封装盖帽500的顶面上，如图9和图10所示。
氮化镓纳米超结构B与氮化镓基激光器本体A通过键合或者光学粘合或与封装盖帽的出光孔结合等方式集成到该氮化镓基激光器本体A出光端面的前端。在集成时要将氮化镓纳米超结构B旋转45°，如果在衬底上制备的光栅如图2所示与衬底直边夹角为45°，可以直接集成在激光辐射面前端，无需旋转方向。
与现有技术相比，本发明实施方式的氮化镓纳米超结构，能够实现高效圆偏振出光功能，将其应用于氮化镓基激光器上可实现该氮化镓基激光器的圆偏振出光。氮化镓基激光器由于自身特性本身出光为高度线偏振光，通过出光面前端集成氮化镓纳米超结构并且通过改变纳米光栅线栅与激光偏振方向的夹角正负关系实现左旋圆偏振光与右旋圆偏振光出射。
本发明实施方式的氮化镓纳米超结构，具有高透光率、高偏振转化效率。氮化镓纳米超结构在可见光波段不存在吸收，加上在表面制备了纳米光栅结构有效减小了因与空气的折射率差异较大引起的低出光效率，因此针对氮化镓基激光器的辐射光可实现高的透过率，此外通过设计合理的纳米超结构参数，实现四分之一波片的功能，将具有高线偏振度的激光高效的转换成圆偏振辐射激光，能量损失极小。
本发明实施方式的氮化镓纳米超结构，集成度高、稳定性高。氮化镓纳米超结构，其设计的纳米结构厚度仅有百纳米级别，加上衬底厚度也仅有百微米级别，因此为实现高度集成紧凑型器件提供了极大的方便。此外，氮化镓材料本身硬度高、耐辐射、耐高温且不易分解，因此制备的氮化镓纳米超结构具有更好的稳定性，在极端条件如太空，深海以及高温环境下依然可以保持良好的物理特性。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (7)

1.一种氮化镓基激光器，其特征在于：包括线偏振出光的氮化镓基激光器本体以及将线偏振出光的氮化镓基激光器本体出射的线偏振光转换成圆偏振光的氮化镓纳米超结构，所述氮化镓纳米超结构设置于所述氮化镓基激光器本体出光端面的前端，且所述氮化镓纳米超结构光栅的线栅方向与所述氮化镓基激光器本体出光的偏振方向夹角为45°；
所述氮化镓纳米超结构由下至上依次包括衬底、介质膜层以及纳米光栅结构层，所述纳米光栅结构层的光栅材料包括氮化镓、n型氮化镓、p型氮化镓中的一种，光栅周期范围为100nm-280nm，光栅高度范围为100nm-300nm，光栅线宽为50nm-200nm；
所述氮化镓纳米超结构的衬底材料包括氮化镓或蓝宝石中的一种；
所述氮化镓纳米超结构的介质膜层材料包括氮化镓、n型氮化镓、p型氮化镓中的一种，所述介质膜层的厚度范围为0.1um-100um。
2.如权利要求1所述的氮化镓基激光器，其特征在于，所述氮化镓纳米超结构的尺寸为10~1000um，其轮廓形状包括圆形或方形。
3.一种如权利要求1或2所述的氮化镓基激光器中的氮化镓纳米超结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
于蓝宝石衬底上生长氮化镓或n型氮化镓或p型氮化镓薄膜；
在薄膜上旋涂光刻胶，光刻并显影制备出光刻胶光栅图样；
制备金属光栅掩膜结构；
刻蚀氮化镓或n型氮化镓或p型氮化镓薄膜，形成氮化镓光栅，腐蚀多余金属光栅。
4.一种如权利要求1或2所述的氮化镓基激光器中的氮化镓纳米超结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
于氮化镓衬底上旋涂光刻胶，光刻并显影制备出光刻胶光栅图样；
制备金属光栅掩膜结构；
刻蚀氮化镓衬底，形成氮化镓光栅，腐蚀多余金属光栅。
5.如权利要求3或4所述的氮化镓基激光器中的氮化镓纳米超结构的制备方法，其特征在于：
所述光刻胶厚度范围为100-300nm，所述光刻方法包括电子束曝光、紫外直写、双光束干涉。
6.如权利要求3或4所述的氮化镓基激光器中的氮化镓纳米超结构的制备方法，其特征在于，所述步骤：制备金属光栅掩膜结构包括：
蒸镀金属镍或者铬或者镍+铬薄膜，厚度为30-80nm，浸泡丙酮剥离残余光刻胶，形成金属镍或铬或者镍+铬材料的光栅。
7.如权利要求6所述的氮化镓基激光器中的氮化镓纳米超结构的制备方法，其特征在于，所述步骤：刻蚀以形成氮化镓光栅，腐蚀多余金属光栅包括：
采用ICP干法刻蚀技术进行刻蚀，刻蚀光栅深度为100nm-300nm，采用铬腐蚀液和/或镍腐蚀液洗掉多余铬和/或镍，并用去离子水进行超声清洗。
CN202210009700.1A 2022-01-05 2022-01-05 氮化镓基激光器及其内氮化镓纳米超结构的制备方法 Active CN114509838B (zh)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210009700.1A CN114509838B (zh) 2022-01-05 2022-01-05 氮化镓基激光器及其内氮化镓纳米超结构的制备方法
PCT/CN2022/125543 WO2023130794A1 (zh) 2022-01-05 2022-10-17 氮化镓纳米超结构及其制备方法以及氮化镓基激光器
US18/043,052 US20240288617A1 (en) 2022-01-05 2022-10-17 Gallium Nitride Nano Superstructure and Preparation Method Thereof and Gallium Nitride-Based Laser
JP2023514961A JP2024505767A (ja) 2022-01-05 2022-10-17 窒化ガリウムナノ超構造及びその作製方法並びに窒化ガリウム系レーザー発振器
EP22862369.0A EP4235985A4 (en) 2022-01-05 2022-10-17 GALLIUM NITRIDE NANO-SUPERSTRUCTURE, FABRICATION METHODS THEREFOR, AND GALLIUM NITRIDE-BASED LASER
KR1020237008287A KR20230107538A (ko) 2022-01-05 2022-10-17 질화갈륨 나노 슈퍼구조 및 이의 제조 방법과 질화갈륨계 레이저

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210009700.1A CN114509838B (zh) 2022-01-05 2022-01-05 氮化镓基激光器及其内氮化镓纳米超结构的制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114509838A CN114509838A (zh) 2022-05-17
CN114509838B true CN114509838B (zh) 2023-11-14

Family

ID=81550037

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210009700.1A Active CN114509838B (zh) 2022-01-05 2022-01-05 氮化镓基激光器及其内氮化镓纳米超结构的制备方法

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20240288617A1 (zh)
EP (1) EP4235985A4 (zh)
JP (1) JP2024505767A (zh)
KR (1) KR20230107538A (zh)
CN (1) CN114509838B (zh)
WO (1) WO2023130794A1 (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114509838B (zh) * 2022-01-05 2023-11-14 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 氮化镓基激光器及其内氮化镓纳米超结构的制备方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1692536A (zh) * 2002-12-12 2005-11-02 住友电气工业株式会社 在光输出面上具有衍射膜的光发射器件及其制造方法
CN102142487A (zh) * 2010-12-31 2011-08-03 东莞市中镓半导体科技有限公司 图形化GaN衬底的制备方法
CN103383980A (zh) * 2013-06-25 2013-11-06 南京大学 一种利用紫外软压印制备有序氮化镓纳米柱阵列的方法
CN109462144A (zh) * 2018-11-09 2019-03-12 中国工程物理研究院电子工程研究所 一种GaN基低阶表面光栅DFB激光器的制备方法
CN112018221A (zh) * 2020-09-11 2020-12-01 中南大学 一种面向3D显示的出射圆偏振光垂直结构Micro-LED及其制备方法
CN113795985A (zh) * 2021-03-15 2021-12-14 深圳市汇顶科技股份有限公司 垂直腔面发射激光器及电子设备

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009049044A (ja) * 2007-08-13 2009-03-05 Sumitomo Electric Ind Ltd 半導体レーザを作製する方法
JP5205034B2 (ja) * 2007-11-06 2013-06-05 ローム株式会社 面発光レーザダイオード
EP2700987B1 (en) * 2012-08-24 2017-04-26 Lumentum Operations LLC Variable Optical Retarder
CN105911709A (zh) * 2016-06-22 2016-08-31 深圳市华星光电技术有限公司 3d微发光二极管显示装置
US10416565B2 (en) * 2016-12-16 2019-09-17 Intel Corporation Display device having integrated metamaterial lens
US11431889B2 (en) * 2017-12-18 2022-08-30 Seeing Machines Limited High performance imaging system using a dielectric metasurface
TWI696297B (zh) * 2017-12-26 2020-06-11 中央研究院 可見光寬頻消色差的超穎透鏡
US10777970B2 (en) * 2018-09-04 2020-09-15 Samsung Electronics Co., Ltd. Metamaterial-based reflector, optical cavity structure including the same and vertical cavity surface emitting laser
US11747639B2 (en) * 2019-07-22 2023-09-05 Lawrence Livermore National Security, Llc Birefringent waveplate and method for forming a waveplate having a birefringent metasurface
US20210050494A1 (en) * 2019-08-15 2021-02-18 The Regents Of The University Of California Micro light emitting diodes with nanohole grating for high speed, high efficiency applications
CN114509838B (zh) * 2022-01-05 2023-11-14 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 氮化镓基激光器及其内氮化镓纳米超结构的制备方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1692536A (zh) * 2002-12-12 2005-11-02 住友电气工业株式会社 在光输出面上具有衍射膜的光发射器件及其制造方法
CN102142487A (zh) * 2010-12-31 2011-08-03 东莞市中镓半导体科技有限公司 图形化GaN衬底的制备方法
CN103383980A (zh) * 2013-06-25 2013-11-06 南京大学 一种利用紫外软压印制备有序氮化镓纳米柱阵列的方法
CN109462144A (zh) * 2018-11-09 2019-03-12 中国工程物理研究院电子工程研究所 一种GaN基低阶表面光栅DFB激光器的制备方法
CN112018221A (zh) * 2020-09-11 2020-12-01 中南大学 一种面向3D显示的出射圆偏振光垂直结构Micro-LED及其制备方法
CN113795985A (zh) * 2021-03-15 2021-12-14 深圳市汇顶科技股份有限公司 垂直腔面发射激光器及电子设备

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
用亚波长正弦介质光栅设计1/4波片;卢向东,傅克祥,王植恒,麻健勇;激光技术(04);98-100 *

Also Published As

Publication number Publication date
EP4235985A1 (en) 2023-08-30
JP2024505767A (ja) 2024-02-08
CN114509838A (zh) 2022-05-17
EP4235985A4 (en) 2024-05-29
WO2023130794A1 (zh) 2023-07-13
KR20230107538A (ko) 2023-07-17
US20240288617A1 (en) 2024-08-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100900288B1 (ko) 발광 소자
CN105185883B (zh) 侧壁粗化的AlGaInP基LED及其制造方法
CN108152997B (zh) 宽频超颖光学装置
JP5126800B2 (ja) 半導体発光素子
CN110212406A (zh) 发光装置及其制造方法、以及投影仪
CN114509838B (zh) 氮化镓基激光器及其内氮化镓纳米超结构的制备方法
US20120112218A1 (en) Light Emitting Diode with Polarized Light Emission
CN106483594A (zh) 基于硅超表面和纳米结构金属薄膜的彩色滤光片及应用
CN108761616B (zh) 多波段高反射柔性波片及其制备方法
JP2006013484A (ja) ウエハスケール・パッケージ用のリッドおよびその形成方法
WO2014058069A1 (ja) 半導体発光素子及びその製造方法
KR102056414B1 (ko) 심자외 led 및 그 제조 방법
US20090045435A1 (en) Stamp having nanoscale structure and applications therefore in light-emitting device
CN103151436A (zh) 一种孔状GaN基光子晶体LED的制备方法
US9041030B2 (en) Light emitting diode
KR20080093556A (ko) 질화물계 발광 소자 및 그 제조방법
KR100921462B1 (ko) 수직형 발광 소자
CN103811614A (zh) 具有异质材料结构的发光元件及其制造方法
JP2009076647A (ja) 発光ダイオード素子の製造方法
CN115020565B (zh) 复合图形化衬底的制备方法及具有空气隙的外延结构
TW201633559A (zh) 發光元件及其製造方法
TWI643359B (zh) 發光二極體
JP2008091664A (ja) 発光素子及び照明装置並びに光ピックアップ
TW202122866A (zh) 具有含二維材料之可移動反射性覆蓋物的光學元件
CN216956423U (zh) 偏振片、显示模组及电子设备

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant