本發(fā)明涉及光纖聲音傳感器，尤其是涉及一種激光mems器件及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、聲音傳感器是用來檢測和測量聲音的設(shè)備，可以有效地接受聲音中的信號。傳統(tǒng)的聲音傳感器有電容式傳感器、壓電陶瓷傳感器等。電容式傳感器的工作原理是一個振動膜片和固定電極形成可變電容，聲波傳輸?shù)侥て鲜蛊湔駝?，從而改變電容值，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電信號；壓電陶瓷傳感器的工作原理是利用壓電效應(yīng)，傳感器采用受到機(jī)械力作用會產(chǎn)生電荷的材料，當(dāng)聲波撞擊傳感器表面時，傳感器內(nèi)部的壓電材料產(chǎn)生微小的電荷變化，這種變化可被測量并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。傳統(tǒng)的聲音傳感器目前還存在抗電磁干擾弱、頻率響應(yīng)范圍有限、傳輸距離近等問題。

2、光纖聲音傳感器是一種利用光纖技術(shù)獲取聲音信號的先進(jìn)傳感器。光纖傳輸聲音信號的基本原理是利用光的全反射和折射現(xiàn)象，把聲音信號轉(zhuǎn)換成光信號，然后通過光纖傳輸?shù)浇邮斩?，再通過解調(diào)器轉(zhuǎn)換成電信號。利用激光器產(chǎn)生光信號的光纖聲音傳感器具有高靈敏度和寬頻帶、信噪比高、抗干擾性好、傳輸距離遠(yuǎn)、輕便耐用等特點(diǎn)。激光器包括固體激光器、氣體激光器、半導(dǎo)體激光器等。其中，半導(dǎo)體激光器具有體積小、重量輕、波長多樣性、響應(yīng)速度快、操作簡便、易于集成等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在光通信、醫(yī)療設(shè)備、科學(xué)研究、軍事技術(shù)等各領(lǐng)域。

3、半導(dǎo)體激光器的性能與其結(jié)構(gòu)和制備過程密切相關(guān)，如果在光纖聲音傳感器中的激光器結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)不合理，激光器的光束質(zhì)量、溫度特性、功率限制等將會很差，壽命短，嚴(yán)重影響聲音信號的傳輸。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的首要目的是提供一種激光mems器件及其制備方法，該器件上表面的中心區(qū)域設(shè)置有第一內(nèi)腔，犧牲層中設(shè)置有與第一內(nèi)腔連通的第二內(nèi)腔，器件上表面外側(cè)區(qū)域布置有呈環(huán)狀的第一外腔，第一外腔延伸至n摻雜gan層中一定深度，與第一外腔連通的、呈環(huán)狀的第二外腔沿第一外腔的底部延伸至犧牲層的下表面，第一、第二內(nèi)腔以及第一、第二外腔的設(shè)置構(gòu)成了懸浮的wgm型微腔結(jié)構(gòu)，該微腔結(jié)構(gòu)的設(shè)置獲得了光增益，提高了激光的出射和電光轉(zhuǎn)化效率，提升了器件性能的穩(wěn)定性；該器件應(yīng)用于光纖聲音傳感器中獲得了高的信噪比、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾性好、拓寬了頻率響應(yīng)范圍等特點(diǎn)。

2、本發(fā)明一方面提供一種激光mems器件，包括襯底，設(shè)置于襯底上的外延結(jié)構(gòu)，和設(shè)置于外延結(jié)構(gòu)上的p型電極，該外延結(jié)構(gòu)包括依次層疊的緩沖層、犧牲層、n摻雜gan層、下電子阻擋層(n-cl)、下光學(xué)限制層(n-wg)、量子阱層、上光學(xué)限制層(u-wg)、上電子阻擋層(p-cl)和p摻雜gan層；

3、位于該器件上表面中心區(qū)域的、呈柱狀的第一內(nèi)腔，沿p型電極的上表面延伸至外延結(jié)構(gòu)中n摻雜gan層與犧牲層鄰接的表面；

4、呈柱狀的、與所述第一內(nèi)腔連通的第二內(nèi)腔，沿犧牲層與n摻雜gan層鄰接的表面延伸至犧牲層與緩沖層鄰接的表面，所述第二內(nèi)腔的直徑大于所述第一內(nèi)腔的直徑；

5、沿該器件上表面外側(cè)區(qū)域布置的、呈環(huán)狀的第一外腔，其沿p型電極的上表面延伸至外延結(jié)構(gòu)的n摻雜gan層中一定深度，形成該n摻雜gan層的裸露面，該第一外腔暴露外延結(jié)構(gòu)的側(cè)壁，該n摻雜gan層的裸露面上設(shè)置有n型電極；

6、呈環(huán)狀的、與所述第一外腔連通的第二外腔，沿該n摻雜gan層的裸露面的n型電極的外側(cè)區(qū)域延伸至犧牲層與緩沖層鄰接的表面，第二外腔的內(nèi)徑大于第一外腔的內(nèi)徑；

7、沿平行于襯底表面的方向上，所述第二外腔和所述第二內(nèi)腔之間間隔所述犧牲層。

8、進(jìn)一步地，所述緩沖層由第一未摻雜gan層、n型輕摻雜gan層和第二未摻雜gan層依次層疊而成，第一未摻雜gan層的厚度為1～2μm，n型輕摻雜gan層的厚度為300～700nm，其摻雜濃度為5×1017～1×1019cm-3；第二未摻雜gan層的厚度為300～700nm；

9、所述犧牲層由第一n型重?fù)诫sgan層、n型輕摻雜gan層和第二n型重?fù)诫sgan層依次層疊而成，第一、第二n型重?fù)诫sgan層的厚度為5～15nm，n型輕摻雜gan層的厚度為1200～1800nm，n型輕摻雜gan層的摻雜濃度為5×1018～3×1019cm-3，n型重?fù)诫sgan層的摻雜濃度為1×1019～7×1019cm-3；n型重?fù)诫sgan層的摻雜濃度大于n型輕摻雜gan層的摻雜濃度；

10、所述n摻雜gan層的厚度為1.2～1.8μm，其摻雜濃度為6×1017～5×1018cm-3。

11、進(jìn)一步地，第一外腔暴露的側(cè)壁表面設(shè)置有電子絕緣層，所述n型電極與所述電子絕緣層之間間隔一定距離；優(yōu)選地，所述電子絕緣層為sio2。

12、進(jìn)一步地，所述下光學(xué)限制層包括層疊的n型gan波導(dǎo)層和n型in0.04ga0.96n光限制層，所述n型gan波導(dǎo)層和所述下光學(xué)限制層鄰接設(shè)置，所述n型gan波導(dǎo)層的厚度為30～60nm，所述n型in0.04ga0.96n光限制層的厚度為60～80nm；

13、所述上光學(xué)限制層包括層疊的未摻雜in0.035ga0.965n層和未摻雜的gan層，所述未摻雜in0.035ga0.965n層和所述量子阱層接觸，所述未摻雜in0.035ga0.965n層的厚度為40～80nm，所述未摻雜的gan層的厚度為25～40nm；

14、所述上電子阻擋層為p型al0.2ga0.8n層，其厚度為10～25nm；所述下電子阻擋層為n型al0.06ga0.94n層，其厚度為800nm～1300nm；

15、所述量子阱層為兩周期的in0.15ga0.85n/gan，單個周期中，in0.15ga0.85n的厚度為1～3nm，gan的厚度為13～17nm；

16、所述p摻雜gan層的厚度為50～150nm。

17、進(jìn)一步地，所述上電子阻擋層和所述p摻雜gan層之間還設(shè)置有超晶格電子阻擋層，所述超晶格電子阻擋層為100周期的p型al0.14ga0.86n/gan，單個周期中，p型al0.14ga0.86n的厚度為3nm，gan的厚度為3nm。

18、進(jìn)一步地，所述第一內(nèi)腔采用光刻、刻蝕工藝沿p型電極的上表面刻蝕至犧牲層中一定深度獲得；

19、所述第一外腔采用光刻、刻蝕工藝沿p型電極的上表面刻蝕至n摻雜gan層中一定深度獲得；

20、所述第二內(nèi)腔和所述第二外腔采用如下工藝獲得：采用光刻、刻蝕工藝沿n摻雜gan層的裸露面上n型電極的外側(cè)區(qū)域刻蝕n摻雜gan層至犧牲層中一定深度；隨后采用電化學(xué)剝離工藝，從內(nèi)腔區(qū)域向外腐蝕犧牲層，同時從外腔向內(nèi)腐蝕犧牲層，腐蝕一段時間后，獲得所述第二內(nèi)腔和所述第二外腔。

21、進(jìn)一步地，還包括采用堿溶液進(jìn)行第一外腔側(cè)壁的拋光，隨后進(jìn)行退火，獲得歐姆接觸的p型電極。

22、進(jìn)一步地，所述電化學(xué)剝離工藝采用草酸溶液、硝酸溶液、稀鹽酸溶液、氫氧化鉀溶液、氫氧化鈉溶液中的一種作為電解液，電解液從內(nèi)腔向外與犧牲層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時從外腔向內(nèi)與犧牲層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

23、進(jìn)一步地，所述第一內(nèi)腔和所述第二內(nèi)腔呈同軸柱狀；所述第一外腔和所述第二外腔呈同軸環(huán)狀。

24、本發(fā)明一方面提供一種光纖聲音傳感器或氣壓傳感器，包含上述任一項(xiàng)所述的激光mems器件。

25、本發(fā)明至少具有如下有益效果：

26、本發(fā)明提供的激光mems器件具有懸浮的wgm型微腔結(jié)構(gòu)，該懸浮的wgm型微腔結(jié)構(gòu)使得電子和空穴復(fù)合釋放的光子在空腔的腔面上來回反射折射，最終獲得光增益，提高激光的出射，提高了電光轉(zhuǎn)化效率，同時空腔可以使得器件在注入電流時減少焦耳熱的產(chǎn)生，提升器件性能的穩(wěn)定性；另外該器件具有體積小、成本低、壽命長的優(yōu)點(diǎn)。

27、本發(fā)明的激光mems器件應(yīng)用于光纖聲音傳感器或氣壓傳感器中提供光信號，利用懸浮wgm激光微腔，當(dāng)聲波或壓力信號撞擊到激光mems上，出射的激光信號發(fā)生變化，光纖接收到光的變化，通過進(jìn)一步分析得到聲音信號或壓力信號攜帶的信息，獲得了高的信噪比、抗干擾性好、傳輸距離遠(yuǎn)、拓寬了頻率響應(yīng)范圍的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了聲波的高靈敏檢測以及聲音或其它壓力信號的精準(zhǔn)識別。

28、本發(fā)明的制備方法創(chuàng)新性地提出了利用電化學(xué)剝離法制備獲得懸浮的wgm型微腔結(jié)構(gòu)，該方法根據(jù)光刻、刻蝕工藝形成內(nèi)腔和外腔，在此基礎(chǔ)上利用電化學(xué)剝離法使得犧牲層從內(nèi)腔向外腐蝕、從外腔向內(nèi)腐蝕，獲得了懸浮的wgm型微腔結(jié)構(gòu)，該制備方法簡單、操作簡便、成本低廉、與半導(dǎo)體器件工藝兼容度高。