集成谐振光栅微腔的GaN基悬空波导激光器及制备方法技术

本发明专利技术提供一种集成谐振光栅微腔的GaN基悬空波导激光器及制备方法，该激光器包括硅衬底层、设置在所述硅衬底层上的外延缓冲层、设置在所述外延缓冲层上的p‑n结量子阱器件与光波导，所述光波导一端与p‑n结量子阱器件相连，另一端集成有谐振光栅微腔结构。本发明专利技术实现的电泵浦硅衬底GaN基悬空波导激光器，可以通过调控微腔结构，实现波长可调的GaN基悬空波导激光器。本发明专利技术提出的集成谐振光栅微腔的GaN基悬空波导激光器可用于可见光通信、显示及传感领域。

GaN-based suspended waveguide laser with integrated resonant grating microcavity and its preparation method

The invention provides a GaN-based suspended waveguide laser integrated with a resonant grating microcavity and a preparation method. The laser includes a silicon substrate layer, an epitaxy buffer layer arranged on the silicon substrate layer, a p_n junction quantum well device arranged on the epitaxy buffer layer and an optical waveguide. One end of the optical waveguide is connected with a p_n junction quantum well device, and the other end is integrated with a resonant grating microcavity structure. \u3002 The electrically pumped GaN-based suspended waveguide laser on silicon substrate can realize a GaN-based suspended waveguide laser with adjustable wavelength by adjusting the micro-cavity structure. The GaN-based suspended waveguide laser with integrated resonant grating microcavity can be used in the field of visible light communication, display and sensing.

【技术实现步骤摘要】
集成谐振光栅微腔的GaN基悬空波导激光器及制备方法
本专利技术属于信息材料与器件领域，涉及一种集成谐振光栅微腔的GaN基悬空波导激光器及其制备方法。
技术介绍
氮化物材料，特别是氮化镓材料，具有较高的折射率(～2.5)，在近红外和可见光波段透明，是一种性能优异的光学材料，应用前景广泛。生长在高阻硅衬底上的氮化物材料，利用深硅刻蚀技术，可以解决硅衬底和氮化物材料的剥离问题，实现悬空的氮化物薄膜；利用氮化物和空气之间的大的折射率差异，可以实现对光场有很强的限制作用的氮化物波导及微纳光子器件，为实现微型化、高密度的微纳光子器件提供了物理基础。
技术实现思路
技术问题：本专利技术提供一种可以实现波长可调，厚度可调，降低了厚膜氮化物材料内部光损耗的集成谐振光栅微腔的GaN基悬空波导激光器，同时提供一种该激光器的制备方法。技术方案：本专利技术的集成谐振光栅微腔的GaN基悬空波导激光器，以硅基氮化物晶片为载体，包括硅衬底层、设置在所述硅衬底层上的外延缓冲层、设置在所述外延缓冲层上的n-GaN层、设置在所述n-GaN层上并连接在一起的p-n结量子阱器件和光波导；在所述n-GaN层上表面有刻蚀出的阶梯状台面，所述阶梯状台面包括下台面和位于下台面上的上台面，所述p-n结量子阱器件包括设置在上台面上的p-n结、设置在下台面上的n-电极、设置在p-n结上面的p-电极，所述p-n结包括从下至上依次连接设置的n-GaN层、InGaN/GaN量子阱层和p-GaN层，所述p-电极设置在p-GaN层上，光波导设置在下台面上，一端与p-n结量子阱器件的n-GaN层连接，另一端刻蚀有谐振光栅；在所述n-GaN层下方设置有与悬空区域的位置正对且贯穿硅衬底层、外延缓冲层至n-GaN层底面的背后空腔，使得p-n结量子阱器件和光波导悬空，所述悬空区域包括光波导、p-电极的一部分和n-电极的一部分。进一步的，本专利技术的集成谐振光栅微腔的GaN基悬空波导激光器中，n-电极包括n-电极导电区与所述n-电极导电区一端连接的n-电极引线区，所述p-电极包括悬空p-电极区、与所述悬空p-电极区连接的p-电极导电区、与所述p-电极导电区连接的p-电极引线区，所述悬空p-电极区与光波导相邻，并与n-电极导电区的另一端相对。进一步的，本专利技术的集成谐振光栅微腔的GaN基悬空波导激光器中，悬空区域中，p-电极的一部分包括悬空p-电极区、p-电极导电区上与悬空p-电极区连接的一端，n-电极的一部分包括n-电极导电区上与悬空p-电极区相对的一端。进一步的，本专利技术的集成谐振光栅微腔的GaN基悬空波导激光器中，所述光波导为完全悬空的矩形光波导。进一步的，本专利技术的集成谐振光栅微腔的GaN基悬空波导激光器中，要求可以改变谐振光栅微腔的结构参数或集成不同谐振光栅微腔，调控微腔，实现波长可调的硅衬底GaN激光器。本专利技术的制备上述集成谐振光栅微腔的GaN基悬空波导激光器的方法，包括如下步骤：(1)在硅基氮化物晶片背后对硅衬底层进行减薄抛光；(2)在硅基氮化物晶片上表面均匀涂上一层光刻胶，采用光刻对准技术在光刻胶层上定义出n-GaN台阶区域，所述n-GaN台阶区域包括下台面和上台面；(3)采用反应离子束刻蚀n-GaN台阶区域；去除残余光刻胶，得到阶梯状台面、位于上台面的p-n结量子阱器件的InGaN/GaN量子阱层和p-GaN层；(4)在硅基氮化物晶片上表面均匀涂上一层光刻胶，采用光刻对准技术定义出p-n结量子阱器件位于p-GaN层上的p-电极窗口区域、位于n-GaN层下台面的n-电极窗口区域；(5)在所述p-电极窗口区域与n-电极窗口区域分别蒸镀Ni/Au，形成欧姆接触，实现p-电极与n-电极，去除残余光刻胶后，即得到p-n结量子阱器件；(6)在硅基氮化物晶片上表面均匀涂上一层光刻胶，采用光刻对准技术定义光波导8；(7)采用反应离子束从上向下刻蚀氮化物层，刻蚀深度2.5-3微米，形成波导结构8；(8)在硅基氮化物晶片顶层涂胶保护，防止刻蚀过程中损伤表面器件，在硅基氮化物晶片的硅衬底层下表面旋涂一层光刻胶层，利用背后对准技术，定义出一个对准并覆盖悬空区域的背后刻蚀窗口；(9)将外延缓冲层作为刻蚀阻挡层，利用背后深硅刻蚀技术，通过背后刻蚀窗口将所述硅衬底层贯穿刻蚀至外延缓冲层的下表面，形成一个背后空腔；(10)采用氮化物背后减薄刻蚀技术，从下往上对外延缓冲层和n-GaN层进行氮化物减薄处理，获得完全悬空的光波导；(11)去除残余光刻胶，利用聚焦离子束刻蚀技术，在光波导的悬空末端处定义并刻蚀谐振光栅，获得集成谐振光栅微腔的GaN基悬空波导激光器。进一步的，本专利技术方法中，所述步骤(6)中定义的光波导一端与p-n结量子阱器件的n-GaN层连接。进一步的，本专利技术方法中，所述步骤(11)中刻蚀的谐振光栅位于光波导另一端。进一步的，本专利技术方法中，步骤(5)中实现的n-电极包括n-电极导电区与所述n-电极导电区一端连接的n-电极引线区，p-电极包括悬空p-电极区、与所述悬空p-电极区连接的p-电极导电区、与所述p-电极导电区连接的p-电极引线区，所述悬空p-电极区与光波导相邻，并与n-电极导电区的另一端相对。进一步的，本专利技术方法中，所述步骤(8)中的悬空区域中，p-电极的一部分包括悬空p-电极区、p-电极导电区上与悬空p-电极区连接的一端，n-电极的一部分包括n-电极导电区上与悬空p-电极区相对的一端。本专利技术的制备方法中，所述步骤(5)中定义的p-电极窗口区域包括依次连接的悬空p-电极区窗口、p-电极导电区窗口和p-电极引线区窗口，所述n-电极窗口区域包括相互连接的n-电极导电区窗口和n-电极引线区窗口。本专利技术中，氮化物器件层形成集成谐振光栅微腔的悬空光波导，集成p-n结量子阱器件，实现电泵浦GaN基悬空波导激光器；本专利技术要求利用聚焦离子束刻蚀技术，在光波导上加工谐振光栅微腔，形成微腔结构并匹配p-n结量子阱器件的发光光谱，获得集成谐振光栅微腔的GaN基悬空波导激光器；本专利技术激光器，要求可以改变谐振光栅微腔的结构参数或集成不同谐振光栅微腔，调控微腔，实现波长可调的硅衬底GaN激光器。本专利技术利用聚焦离子束刻蚀技术，形成集成于悬空波导和量子阱二极管的谐振光栅微腔，实现电泵浦硅衬底GaN基悬空波导激光器，可以改变谐振光栅微腔的结构参数或集成不同谐振光栅微腔，调控微腔结构，实现波长可调的GaN基悬空波导激光器。有益效果：本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：(1)本专利技术是生长在硅材料上的氮化镓p-n结量子阱器件，通过量子阱调节能带宽度可使调节其发光峰值，其制备技术便于与硅微电子技术集成，实现集成硅基光电子器件。(2)本专利技术通过在与p-n结量子阱器件相连的光波导末端采用聚焦离子束刻蚀技术定义纳米光栅结构，形成谐振腔。p-n结量子阱器件发出的光经过光波导传输，在光波导末端的谐振腔处震荡激射，实现激光。传统激光器需要在对称的两个端面上生长反射镜，制备工艺步骤复杂，且光吸收损耗大。(3)本专利技术通过在与p-n结量子阱器件相连的光波导末端刻蚀谐振光栅实现谐振腔。光栅对结构参数敏感，微调参数可以实现连续波长的谐振。p-n结量子阱器件的发光谱为高斯光谱，具有一定光谱范围的发射光传输到波导末端的谐振腔，通过调整光栅参数，可以实现波长可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种集成谐振光栅微腔的GaN基悬空波导激光器，其特征在于，该激光器以硅基氮化物晶片为载体，包括硅衬底层(1)、设置在所述硅衬底层(1)上的外延缓冲层(2)、设置在所述外延缓冲层(2)上的n‑GaN层(3)、设置在所述n‑GaN层(3)上并连接在一起的p‑n结量子阱器件和光波导(8)；在所述n‑GaN层(3)上表面有刻蚀出的阶梯状台面，所述阶梯状台面包括下台面和位于下台面上的上台面，所述p‑n结量子阱器件包括设置在上台面上的p‑n结、设置在下台面上的n‑电极(6)、设置在p‑n结上面的p‑电极(7)，所述p‑n结包括从下至上依次连接设置的n‑GaN层(3)、InGaN/GaN量子阱层(4)和p‑GaN层(5)，所述p‑电极(7)设置在p‑GaN层(5)上，光波导(8)设置在下台面上，一端与p‑n结量子阱器件的n‑GaN层(3)连接，另一端刻蚀有谐振光栅(9)；在所述n‑GaN层(3)下方设置有与悬空区域的位置正对且贯穿硅衬底层(1)、外延缓冲层(2)至n‑GaN层(3)底面的背后空腔(10)，使得p‑n结量子阱器件和光波导(8)悬空，所述悬空区域包括光波导(8)、p‑电极(7)的一部分和n‑电极(6)的一部分。...

【技术特征摘要】
2017.12.28 CN 20171146267961.一种集成谐振光栅微腔的GaN基悬空波导激光器，其特征在于，该激光器以硅基氮化物晶片为载体，包括硅衬底层(1)、设置在所述硅衬底层(1)上的外延缓冲层(2)、设置在所述外延缓冲层(2)上的n-GaN层(3)、设置在所述n-GaN层(3)上并连接在一起的p-n结量子阱器件和光波导(8)；在所述n-GaN层(3)上表面有刻蚀出的阶梯状台面，所述阶梯状台面包括下台面和位于下台面上的上台面，所述p-n结量子阱器件包括设置在上台面上的p-n结、设置在下台面上的n-电极(6)、设置在p-n结上面的p-电极(7)，所述p-n结包括从下至上依次连接设置的n-GaN层(3)、InGaN/GaN量子阱层(4)和p-GaN层(5)，所述p-电极(7)设置在p-GaN层(5)上，光波导(8)设置在下台面上，一端与p-n结量子阱器件的n-GaN层(3)连接，另一端刻蚀有谐振光栅(9)；在所述n-GaN层(3)下方设置有与悬空区域的位置正对且贯穿硅衬底层(1)、外延缓冲层(2)至n-GaN层(3)底面的背后空腔(10)，使得p-n结量子阱器件和光波导(8)悬空，所述悬空区域包括光波导(8)、p-电极(7)的一部分和n-电极(6)的一部分。2.根据权利要求1要求所述的集成谐振光栅微腔的GaN基悬空波导激光器，其特征在于，所述n-电极(6)包括n-电极导电区(61)与所述n-电极导电区(61)一端连接的n-电极引线区(62)，所述p-电极(7)包括悬空p-电极区(71)、与所述悬空p-电极区(71)连接的p-电极导电区(72)、与所述p-电极导电区(72)连接的p-电极引线区(73)，所述悬空p-电极区(71)与光波导(8)相邻，并与n-电极导电区(61)的另一端相对。3.根据权利要求2要求所述的集成谐振光栅微腔的GaN基悬空波导激光器，其特征在于，所述悬空区域中，p-电极(7)的一部分包括悬空p-电极区(71)、p-电极导电区(72)上与悬空p-电极区(71)连接的一端，n-电极(6)的一部分包括n-电极导电区(61)上与悬空p-电极区(71)相对的一端。4.一种制备权利要求1、2或3所述集成谐振光栅微腔的GaN基悬空波导激光器的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)在硅基氮化物晶片背后对硅衬底层(1)进行减薄抛光；(2)在硅基氮化物晶片上表面均匀涂上一层光刻胶，采用光刻对准技术在光刻胶层上定义出n-GaN台阶区域，所述n-GaN台阶区域包括下台面和上台面；(3)采用反应离子束刻蚀n-GaN台阶区域；去除残余光刻胶，得到阶梯状台面、位于上台面的p-n结量子阱器件...

【专利技术属性】
技术研发人员：王永进，高绪敏，施政，袁佳磊，秦川，蔡玮，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32