一种电泵氮化物悬空波导微激光器及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种电泵氮化物悬空波导微激光器及其制备方法。本发明专利技术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波导结构的氮化物微腔激光器；其微腔被悬空，垂直方向光学损耗极大降低，同时电极发光区与微腔区重合，引线在两端的柱子上，避免了复杂的引线工艺。避免了复杂的引线工艺。避免了复杂的引线工艺。

【技术实现步骤摘要】
一种电泵氮化物悬空波导微激光器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及激光
，具体涉及一种电泵氮化物悬空波导微激光器及其制备方法。

技术介绍

[0002]激光技术在国民经济发展中的应用非常广泛，涉及工业制造、通讯、信息处理、医疗卫生、节能环保、航空航天等多个领域，是发展高端精密制造的关键支撑技术，助力国家产业转型升级。作为现代制造业的先进技术之一，具有传统加工方式所不具有的高精密、高效率、低能耗、低成本等优点，在加工材料的材质、形状、尺寸和加工环境等方面有较大的自由度，能较好地解决不同材料的加工、成型和精炼等技术问题。随着激光器技术和激光微加工应用技术不断发展，激光加工技术能够在更多领域替代传统机械加工。
[0003]根据工作介质的不同可以把激光器分为以下几大类：固体激光器、液体激光器、气体激光器、半导体激光器、自由电子激光器。而半导体激光器具有能量转换效率高、易于进行高速电流调制、超小型化、结构简单、使用寿命才长等突出特点，使其成为最重要最具应用价值的一类的激光器。
[0004]到目前为止，研究者提出了不同形式的激光器，主要是以下几个方向：半导体激光器、光纤激光器、固体激光器。无论光纤还是固态都依赖于半导体激光器的发展，在固体激光器中，LD通常都是光纤耦合输出的，单管能量较小，光束质量也不好，一般是整形耦合到光纤中输出，提高一下光束质量；光纤激光器也一样，也是以LD为泵源，功率效率的提升、系统的简化也同样依赖于LD芯片的发展；对于泵浦源来讲，光泵浦和电泵浦最大的区别就是，电泵浦的效率更高，体积更小，且可以达到一些光泵浦到达不了的波长。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷，本专利技术提供一种垂直方向光学损耗低，利于高密度的片上集成，效率极高的电泵氮化物悬空波导微激光器，同时提供一种工艺流程简单、模式体积小，表面粗糙度低的电泵氮化物悬空波导结构微激光器的制备方法。
[0006]根据本专利技术说明书的一方面，提供一种电泵氮化物悬空波导微激光器，所述激光器以硅基氮化物外延片为载体，包括从下至上依次设置的硅衬底层、设置在硅衬底层上表面的u型氮化镓层、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p型电极、设置在所述n型氮化镓层上表面的n型电极；所述激光器具有包括正极圆盘微腔和负极圆盘微腔的波导微腔结构，所述正极圆盘微腔与负极圆盘微腔之间通过波导连接，所述正极圆盘微腔与负极圆盘微腔的下方分别由硅衬底层支撑。
[0007]上述技术方案中的硅衬底层由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波导两侧的圆盘微腔结构，使得连接两个圆盘微腔的波导结构完全悬空，垂直方向上极大地降低了光学损耗。
[0008]进一步地，所述正极圆盘微腔的结构贯穿p型氮化镓层5、量子阱层4。
[0009]进一步地，所述p型电极6、p型氮化镓层5和量子阱层4设置于正极圆盘微腔；所述n型电极7、n型氮化镓层3设置于负极圆盘微腔。
[0010]进一步地，所述正极圆盘微腔、负极圆盘微腔呈阶梯状。
[0011]进一步地，所述n型电极7形成于负极圆盘微腔的中心；所述p型电极(6)形成于正极圆盘微腔的中心。
[0012]根据本专利技术说明书的一方面，提供一种制备所述电泵氮化物悬空波导微激光器的方法，包括：
[0013]第一步：在硅基氮化物外延片的P型氮化镓5的上表面旋涂光刻胶，然后采用光刻工艺在旋涂的光刻胶层上定义正极圆盘微腔的图形；
[0014]第二步：采用电子束蒸镀工艺在正极圆盘微腔的图形上蒸镀金属镍，去除残余的光刻胶；
[0015]第三步：采用ICP刻蚀工艺向下刻蚀氮化物层，直至n型氮化镓层3的上表面，从而将所述第一步中定义出的图形结构向下转移至硅基氮化物外延片的p型氮化镓层5、量子阱层4中，然后用稀硝酸去除金属镍；
[0016]第四步：在硅基氮化物外延片上表面旋涂光刻胶，然后采用光刻工艺在旋涂的光刻胶层上定义负极圆盘微腔的图形；
[0017]第五步：采用电子束蒸镀工艺在负极圆盘微腔的图形结构表面蒸镀金属镍，去除残余的光刻胶；
[0018]第六步：采用ICP刻蚀工艺，沿着定义的完整的负极圆盘微腔的结构，向下刻蚀n型氮化镓层3直至硅衬底层1的上表面，从而将完整的负极圆盘微腔的图形结构依次转移到n型氮化镓层3和u型氮化镓层2，最后用稀硝酸去除金属镍；
[0019]第七步：在硅基氮化物外延片上表面旋涂光刻胶，采用光刻工艺，在旋涂的光刻胶层定义p型区电极图形和n型区电极图形；
[0020]第八步：采用电子束蒸镀工艺在p型区电极图形上表面蒸镀正电极，在n型区电极图形上表面上蒸镀负电极，使得p型氮化镓层5和n型氮化镓层3上分别镀上正负电极，最后去除残留的光刻胶，将光刻胶上的Au/Ni剥离，获得p型区电极6和n型区电极7；
[0021]第九步：利用各向同性湿法刻蚀硅衬底层1，使得硅衬底层1中形成支撑波导两侧圆盘的硅柱，从而得到完全悬空的波导微腔。
[0022]上述技术方案利用先进的微纳加工技术，设计并制备了电驱动氮化镓悬空波导微腔，由于悬空波导结构只有两端连接的圆盘微腔下方由硅衬底层支撑，使得连接两个圆盘的波导微腔结构是完全悬空的，垂直方向上极大地降低了光学损耗，在避免了复杂的引线工艺下，进一步降低了系统成本。
[0023]进一步地，所述正电极和负电极均为蒸镀的Au/Ni。
[0024]与现有技术相比，本专利技术的有益效果包括：
[0025](1)本专利技术为基于氮化镓材料体系的激光器，相比于以晶体和玻璃为基质材料的固体激光器以及将气体作为工作介质的气体激光器而言，能够将半导体激光器的波长扩展到可见光谱和紫外光谱范围；并且，氮化镓作为III族氮化物宽禁带半导体的代表，与前两代半导体相比具有显著的性能优势，克服了硅材料带隙较窄，电子迁移率低，在高频高功率领域有较多限制的问题，拥有低维量子结构和优异的光电物理特性；再者，由于氮化镓是一
种良好的光电材料，可以更直观地反应在微腔的发光颜色的变化。
[0026](2)本专利技术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波导结构的氮化物微腔激光器，其波导微腔被悬空，垂直方向光学损耗极小，同时电极发光区与微腔区重合，引线在两端的柱子上，避免了复杂的引线工艺。
[0027](3)本专利技术提供的电泵氮化物悬空波导微激光器在垂直方向光学损耗低，利于高密度的片上集成且效率极高；本专利技术提供的制备方法工艺流程简单，能够制备模式体积小、表面粗糙度低的氮化物悬空波导结构电泵激光器。
附图说明
[0028]图1为根据本专利技术实施例的电泵氮化物悬空波导微激光器的侧视图；
[0029]图2为根据本专利技术实施例的电泵氮化物悬空波导微激光器的俯视图；
[0030]图3为根据本专利技术实施例的电泵氮化物悬空波导微激光器的制备工艺流程图。
[0031]图中：1、硅衬底层；2、u型氮化镓本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电泵氮化物悬空波导微激光器，其特征在于，所述激光器以硅基氮化物外延片为载体，包括从下至上依次设置的硅衬底层(1)、设置在硅衬底层(1)上表面的u型氮化镓层(2)、n型氮化镓层(3)、量子阱层(4)、p型氮化镓层(5)、设置在所述p型氮化镓层(5)上的p型电极(6)、设置在所述n型氮化镓层(3)上表面的n型电极(7)；所述激光器具有包括正极圆盘微腔和负极圆盘微腔的波导微腔结构，所述正极圆盘微腔与负极圆盘微腔之间通过波导连接，所述正极圆盘微腔与负极圆盘微腔的下方分别由硅衬底层(1)支撑。2.根据权利要求1所述一种电泵氮化物悬空波导微激光器，其特征在于，所述正极圆盘微腔的结构贯穿p型氮化镓层(5)、量子阱层(4)。3.根据权利要求1或2所述一种电泵氮化物悬空波导微激光器，其特征在于，所述p型电极(6)、p型氮化镓层(5)和量子阱层(4)设置于正极圆盘微腔；所述n型电极(7)、n型氮化镓层(3)设置于负极圆盘微腔。4.根据权利要求1所述一种电泵氮化物悬空波导微激光器，其特征在于，所述正极圆盘微腔、负极圆盘微腔呈阶梯状。5.根据权利要求1所述一种电泵氮化物悬空波导微激光器，其特征在于，所述n型电极(7)形成于负极圆盘微腔的中心；所述p型电极(6)形成于正极圆盘微腔的中心。6.一种制备权利要求1
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5任一项所述电泵氮化物悬空波导微激光器的方法，其特征在于，包括：第一步：在硅基氮化物外延片的P型氮化镓(5)的上表面旋涂光刻胶，然后采用光刻工艺在旋涂的光刻胶层上定义正极圆盘微腔...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱刚毅，纪鑫，秦飞飞，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：