一種單方向發(fā)射的電泵浦氮化鎵微激光器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種單方向發(fā)射的電泵浦氮化鎵微激光器及其制備方法。該方法首先利用在硅基p型氮化鎵/量子阱/n型氮化鎵材料，利用電子束刻蝕工藝和深硅刻蝕工藝制備由單根懸臂梁支撐的非對稱氮化鎵懸空薄膜微腔，在晶片正面蒸鍍上Au/Ni電極，在n型氮化鎵表面蒸鍍Au/Ti，采用超聲波鍵合技術(shù)，在電極表面鍵合引線，最終制備完整的器件。對制備的器件施加合適的電流，獲得單方向性發(fā)射的回音壁模紫外激光。
【專利說明】一種單方向發(fā)射的電泵浦氮化鎵微激光器及其制備方法
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明屬于激光【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種P型氮化鎵/量子阱/n型氮化鎵非對稱微腔激光器及其制備方法。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004]氮化鎵紫外激光按腔體結(jié)構(gòu)可分為三類:第一類是光在納米顆粒界面隨機共振形成的隨機激光；第二類是光在一維的微納米結(jié)構(gòu)中利用微納米線兩個端面作為腔鏡形成共振產(chǎn)生的F-P激光。前者散射損耗很大，沒有固定模式；后者的端面損耗很大，也不易得到高品質(zhì)(Q)、低閾值激光。鑒于此，采用尺度較大的微米棒或微米碟等微腔利用其全內(nèi)反射形成的回音壁模激光則為人們提供了一條獲得高品質(zhì)激光的途徑。氮化鎵微米棒、碟等單晶結(jié)構(gòu)單元有較高的折射率且表面光滑，這保證了全內(nèi)反射光學(xué)增益回路的有效形成，從而大大降低了光學(xué)散射與透射帶來的損耗。氮化鎵微米棒、微米管和微米碟單晶作為天然的回音壁微腔，可以獲得從六個棱角向外發(fā)射的高Q低閾值的回音壁激光，但是這種氮化鎵單晶回音壁激光器作為光通信器件或者集成光學(xué)器件而言還不夠優(yōu)秀，因為它的出射激光方向太多，而且不容易和其它的光電子器件進行對接。 [0005]2003年，耶魯大學(xué)的Gracechern報導(dǎo)了一種新型的螺旋型微腔，其橫截面可以表
示為K#) 二 φ + εφβπ.),其中T0為微盤的初始半徑，多和^分別是微盤的內(nèi)角度和變形度。
這種微腔的特點就是微腔對稱性被完全地打破了，而且在最大半徑的位置形成了一個邊緣不連續(xù)的缺口。當(dāng)微腔內(nèi)部存在增益時，在缺口的位置產(chǎn)生了單方向的激光發(fā)射。之后，諸多研究小組對這種微腔結(jié)構(gòu)進行了研究，目前為止，己經(jīng)利用量子阱、聚合物等材料通過電泵浦或者光泵浦的方式獲得了單方向性的激光發(fā)射。但是這種螺旋形微腔中由于缺口的存在，逆時針諧振的模式沿著邊緣傳播然后透射出去，不能夠形成一個閉合的激光諧振，微腔內(nèi)部只存在順時針諧振的模式。所以，螺旋形微腔雖然可以獲得單方向性發(fā)射的激光，但能夠發(fā)射出來的光場模式?jīng)]有形成閉合激光諧振，導(dǎo)致其光學(xué)損耗較大。
[0006]綜上所述，為了獲得單方向性發(fā)射的高增益低損耗的氮化鎵回音壁紫外激光， 申請人:利用先進的微納加工技術(shù)，設(shè)計并制備非對稱氮化鎵懸空薄膜微腔。非對稱氮化鎵懸空薄膜微腔由單根懸臂梁支撐，微腔的橫截面是獨特的非對稱形狀:圓形+ “錐角”和圓環(huán)+ “錐角”?！板F角”是圓的切線和一條弧線在圓的外側(cè)相交形成的銳角部分。該結(jié)構(gòu)具有以下兩個優(yōu)勢:第一，“懸空”氮化鎵薄膜微腔上下表面被低折射率的空氣所包裹，光線在高折射率半導(dǎo)體和它周圍低折射率空氣的微腔界面處的全內(nèi)反射以回音壁形式傳導(dǎo)，垂直方向的光學(xué)模也受到強烈限制，這種回音壁傳導(dǎo)作用和光學(xué)限制極大地降低了光學(xué)散射和透射帶來的光學(xué)損耗，可產(chǎn)生維持激射作用的足夠大的光增益。第二，微腔的橫截面設(shè)計為圓形+ “錐角”或者圓環(huán)+ “錐角”的形狀。圓形和圓環(huán)具有極高的光學(xué)增益和極小的光學(xué)損耗，能夠形成閉合的激光諧振，而光在曲率較高的“錐角”區(qū)域不滿足全反射條件，可將回音壁微腔中的激光單方向性地導(dǎo)出。
[0007]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]技術(shù)問題:本發(fā)明的目的是提供一種單方向發(fā)射的電泵浦氮化鎵微激光器，同時提供一種單方向發(fā)射的電泵浦氮化鎵微激光器的制備方法。
技術(shù)方案:本發(fā)明的單方向發(fā)射的電泵浦氮化鎵微激光器，以硅基氮化物晶片為載體，包括硅基襯底、設(shè)置在硅襯底層上表面一側(cè)邊緣的P型氮化鎵平臺、與P型氮化鎵平臺連接的P型氮化鎵懸臂梁、與P型氮化鎵懸臂梁連接的非對稱薄膜微腔結(jié)構(gòu)，非對稱薄膜微腔結(jié)構(gòu)的上表面中心蒸鍍有沉積金屬材料為Au/Ni的P型區(qū)電極，P型氮化鎵平臺上表面蒸鍍有沉積金屬材料為Au/Ti的η型區(qū)電極，非對稱薄膜微腔結(jié)構(gòu)下方設(shè)置有貫穿硅襯底層的空腔，使得非對稱薄膜微腔結(jié)構(gòu)和P型氮化鎵懸臂梁完全懸空；
非對稱薄膜微腔結(jié)構(gòu)由從下至上依次連接設(shè)置的η型氮化鎵層、量子阱層和P型氮化鎵層構(gòu)成，包括圓形或圓環(huán)形的本體、設(shè)置在本體周向外側(cè)的突出錐角，突出錐角由本體圓周切線、本體圓周上弧線和本體外的弧線圍成，本體外的弧線與本體圓周相交的夾角為銳角。
[0009]本發(fā)明的制備上述單方向發(fā)射的電泵浦氮化鎵微激光器的方法，包括以下步驟: 第一步:在硅基氮化鎵晶片的P型氮化鎵層上表面旋涂光刻膠，然后采用光學(xué)光刻技
術(shù)在旋涂的光刻膠層上定義上述的非對稱薄膜微腔結(jié)構(gòu)；
第二步:采用刻蝕技術(shù)向下刻蝕，直至硅襯底層的上表面，從而將第一步中定義出的非對稱薄膜微腔結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至硅基氮化鎵晶片的η型氮化鎵層、量子阱層和P型氮化鎵層中，最后去除殘余的光刻膠；
第三步:在P型氮化鎵層上表面旋涂光刻膠，定義出與非對稱薄膜微腔結(jié)構(gòu)一側(cè)連接的懸臂梁，同時定義出位于懸臂梁外側(cè)的用于蒸鍍η型區(qū)電極的區(qū)域；
第四步:采用刻蝕技術(shù)向下刻蝕，直至η型氮化鎵層的上表面，從而將第三步中定義的懸臂梁和用于蒸鍍η型區(qū)電極的區(qū)域轉(zhuǎn)移至η型氮化鎵層中，然后在有機溶劑中去除光刻膠。
[0010]第五步:在硅基氮化鎵晶片上表面旋涂光刻膠，采用光學(xué)光刻技術(shù)，在非對稱薄膜微腔結(jié)構(gòu)上表面的中心定義出P型區(qū)透明電極圖形；
采用電子束蒸發(fā)技術(shù)，在P型區(qū)透明電極圖形上表面蒸鍍Au/Ni，然后在有機溶劑中去除殘余光刻膠，獲得P型區(qū)電極；
第六步:在硅基氮化鎵晶片上表面旋涂光刻膠，采用光學(xué)光刻技術(shù)，在η型氮化鎵層的用于蒸鍍η型區(qū)電極的區(qū)域上定義出η型區(qū)透明電極圖形；
采用電子束蒸發(fā)技術(shù)，在η型區(qū)透明電極圖形上表面蒸鍍Au/Ti，然后在有機溶劑中去除殘余光刻膠，獲得η型區(qū)電極；
第七步:采用鍵合技術(shù)，分別在P型區(qū)電極和η型區(qū)電極表面鍵合引線；
第八步:在硅基氮化鎵晶片上下表面分別旋涂光刻膠，然后采用光學(xué)光刻技術(shù)在硅襯底層下表面的光刻膠層中定義出空腔區(qū)域的刻蝕窗口； 采用深硅刻蝕技術(shù)，通過刻蝕窗口從下往上刻蝕硅襯底層，直至η型氮化鎵層的下表面，在硅襯底層中形成一個空腔，使非對稱薄膜微腔結(jié)構(gòu)和懸臂梁懸空。
[0011]有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
本發(fā)明中制備的非對稱氮化鎵懸空薄膜微腔，獨特的非對稱微腔橫截面是圓形+ “錐角”或圓環(huán)+ “錐角”的形狀，與目前的螺旋形微腔比較，螺旋形微腔中的激光回路不是閉合的，而圓形和圓環(huán)中的激光可以形成閉合的激光回路，有極高的光學(xué)增益和極低的損耗，“錐角”可以使回音壁激光從微腔單向性發(fā)射，有利于與光電子器件集成。
[0012]本發(fā)明采用單根懸臂梁支撐的懸空薄膜微腔，懸空薄膜微腔的上下面表面裸露在空氣介質(zhì)中，光在微腔界面處會發(fā)生全內(nèi)反射以回音壁形式傳遞，且垂直方向的光學(xué)模式也收到強烈限制，極大地降低了光學(xué)損耗，可以過得高品質(zhì)因子低閾值的回音壁模激光。
[0013]本發(fā)明是生長在硅材料上的氮化鎵器件，不是藍(lán)寶石襯底，通過背后減薄工藝解決了硅材料和氮化鎵材料的晶格不匹配問題，解決了應(yīng)力釋放的問題。
[0014]本發(fā)明為了降低微腔激光器的光學(xué)損耗，為了解決硅材料的可見光的吸收散射問題。提出了新的工藝方法，背后工藝，通過光刻技術(shù)以及深硅刻蝕技術(shù)，刻蝕完硅襯底材料，繼續(xù)通過II1- V族刻蝕對氮化鎵材料進行刻蝕，繼而使得非對稱氮化鎵薄膜微腔完全懸空。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1圓形+尖角的非對稱薄膜微腔的截面示意圖。
[0016]圖2圓環(huán)+尖角的非對稱薄膜微腔的截面示意圖。
[0017]圖3對稱氮化鎵懸空薄膜微腔激光器的側(cè)視圖。
[0018]圖4非對稱氮化鎵懸空薄膜微腔激光器的俯視圖。
[0019]圖5非對稱氮化鎵懸空薄膜微腔激光器的工藝流程圖。
[0020]圖中有:硅襯底層1，η型氮化鎵層2，量子阱層3，ρ型氮化鎵層4，ρ型區(qū)電極5，η型區(qū)電極6。
[0021]
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合說明書附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細(xì)說明。
[0023](以制備圓形+錐角腔體結(jié)構(gòu)為例，圓盤直徑為20微米)
第一步:將購買的商用硅襯底氮化鎵晶片，經(jīng)丙酮、無水乙醇和去離子水依次超聲清洗后，用氮氣沖干，使用勻膠機在晶片正面(P型氮化鎵層4上表面)以4000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速旋涂光刻膠ΑΖ5214，旋涂時間為40秒(光刻膠厚度為1.5微米)；
采用光學(xué)光刻技術(shù)，在晶片正面(氮化鎵面)定義懸臂梁支撐的非對稱薄膜微腔結(jié)構(gòu)，光刻機型號為ΜΑ6，其微腔截面形狀如圖1所示，是一種懸臂梁(IV)連接圓形(I) +錐角
(II)，“錐角”是圓的切線和一條弧線在圓的外側(cè)相交形成的銳角部分；
第二步:采用πι-v族材料電感耦合等離子體刻蝕技術(shù)，將第一步定義出的圖形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至硅基氮化鎵晶片的η型氮化鎵層2、量子阱層3和ρ型氮化鎵層4中，使硅襯底層I上側(cè)面暴露出來，使用ICP180刻蝕機，刻蝕深度4微米，Cl2流量為lOsccm，BCl3流量為25sccm,上電極功率(forward) 300w,下電極功率(RF) IOOw,并去利用丙酮溶液去除光刻膠AZ5214 ；
第三步:使用勻膠機在晶片正面(P型氮化鎵層4上表面)以4000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速旋涂光刻膠AZ5214，旋涂時間為50秒(光刻膠厚度為2微米)；采用光學(xué)光刻技術(shù)，在晶片正面(氮化鎵面)定義出非對稱薄膜微腔結(jié)構(gòu)一側(cè)連接的懸臂梁，同時定義出位于懸臂梁外側(cè)的用于蒸鍍η型區(qū)電極6的區(qū)域；
第四步:采用πι-v族材料電感耦合等離子體刻蝕技術(shù)，將第三步定義出的懸臂梁和用于蒸鍍η型區(qū)電極6的區(qū)域轉(zhuǎn)移至η型氮化鎵層2中，具體做法為:使用ICP180刻蝕機，刻蝕深度2微米，使η型氮化鎵面2暴露出來，Cl2流量為15sccm，BCl3流量為30sccm，上電極功率(forward) 350w，下電極功率(RF) 1150? ;將晶片放入丙酮溶液中完成剝離工藝；第五步:使用勻膠機在晶片正面以4000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速旋涂光刻膠AZ5214，旋涂時間為50秒(光刻膠厚度為2微米)，采用光學(xué)光刻技術(shù)，在非對稱薄膜微腔結(jié)構(gòu)上表面的中心定義出P型區(qū)透明電極圖形；
采用電子束蒸發(fā)技術(shù)，在晶片正面(氮化鎵面)蒸鍍Au/Ni，然后在有機溶劑中去除殘余光刻膠，獲得P型區(qū)電極5，具體做法為:電子束蒸發(fā)設(shè)備的型號為E1-5z，蒸鍍的Ni厚度為15nm, Au厚度為20nm ;將晶片放入有機溶劑中完成剝離工藝，去除非電極區(qū)域的光刻膠及其表面的金屬薄膜，獲得P型區(qū)電極5 ；
第六步:使用勻膠機在晶片正面以4000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速旋涂光刻膠AZ5214，旋涂時間為40秒。(光刻膠厚度為2微米)；采用光學(xué)光刻技術(shù)，在η型氮化鎵層2的用于蒸鍍η型區(qū)電極6的區(qū)域上，定義出η型區(qū)電極6的圖形結(jié)構(gòu)(η型區(qū)透明電極圖形)，光刻機型號為ΜΑ6 ；
采用電子束蒸發(fā)技術(shù)，在η型氮化鎵層2上的η型區(qū)透明電極圖形上蒸鍍蒸鍍Au/Ti，然后在有機溶劑中去除殘余光刻膠，獲得η型區(qū)電極6，具體做法為:電子束蒸發(fā)設(shè)備的型號為E1-5z，蒸鍍的Ti厚度為15nm，Au厚度為25nm ;將晶片放入丙酮中完成剝離工藝，去除非電極區(qū)域的光刻膠及其表面的金屬薄膜，獲得η型區(qū)電極6 ；
第七步:采用超聲波鍵合技術(shù)，在電極表面鍵合引線。設(shè)備型號為West Bond超聲波鍵合機；
第八步:使用勻膠機在晶片正面(氮化鎵外延層面)以1500轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速旋涂光刻膠AZ4620，旋涂時間為40秒，以保護加工完成的微腔和懸臂梁結(jié)構(gòu)(光刻膠厚度為16微米)；采用光學(xué)光刻技術(shù)，在晶片背面(硅襯底層I)套刻對準(zhǔn)晶片正面(氮化鎵面)微腔和懸臂梁結(jié)構(gòu)的區(qū)域，并在此區(qū)域定義出空腔區(qū)域的刻蝕窗口，刻蝕窗口采用圓孔圖形(圓孔直徑為50微米)；
采用深硅刻蝕技術(shù)從背后剝離圓孔圖形內(nèi)部的硅襯底1，在微腔和懸臂梁結(jié)構(gòu)所在區(qū)域獲得自支撐氮化鎵薄膜結(jié)構(gòu)。使用STS HRM深硅刻蝕系統(tǒng)，刻蝕深度200微米，利用Bosch工藝，刻蝕氣體為SF6，鈍化保護氣體為C4F8。
[0024]應(yīng)理解上述實施例僅用于說明本發(fā)明技術(shù)方案的【具體實施方式】，而不用于限制本發(fā)明的范圍。在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等同形式的修改和替換均落于本申請權(quán)利要求所限定的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種單方向發(fā)射的電泵浦氮化鎵微激光器，其特征在于，該器件以硅基氮化物晶片為載體，包括硅襯底層(I )、設(shè)置在所述硅襯底層(I)上表面一側(cè)邊緣的P型氮化鎵平臺、與所述P型氮化鎵平臺連接的P型氮化鎵懸臂梁、與所述P型氮化鎵懸臂梁連接的非對稱薄膜微腔結(jié)構(gòu)，所述非對稱薄膜微腔結(jié)構(gòu)的上表面中心蒸鍍有沉積金屬材料為Au/Ni的P型區(qū)電極(5)，所述P型氮化鎵平臺上表面蒸鍍有沉積金屬材料為Au/Ti的η型區(qū)電極(6)，所述非對稱薄膜微腔結(jié)構(gòu)下方設(shè)置有貫穿硅襯底層(I)的空腔，使得非對稱薄膜微腔結(jié)構(gòu)和P型氮化鎵懸臂梁完全懸空； 所述非對稱薄膜微腔結(jié)構(gòu)由從下至上依次連接設(shè)置的η型氮化鎵層(2)、量子阱層(3)和P型氮化鎵層(4)構(gòu)成，包括圓形或圓環(huán)形的本體、設(shè)置在所述本體周向外側(cè)的突出錐角，所述突出錐角由本體圓周切線、本體圓周上弧線和本體外的弧線圍成，所述本體外的弧線與本體圓周相交的夾角為銳角。
2.一種制備權(quán)利要求1所述單方向發(fā)射的電泵浦氮化鎵微激光器的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 第一步:在硅基氮化鎵晶片的P型氮化鎵層(4)上表面旋涂光刻膠，然后采用光學(xué)光刻技術(shù)在旋涂的光刻膠層上定義如權(quán)利要求1所述的非對稱薄膜微腔結(jié)構(gòu)； 第二步:采用刻蝕技術(shù)向下刻蝕，直至硅襯底層(I)的上表面，從而將所述第一步中定義出的非對稱薄膜微腔結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至硅基氮化鎵晶片的η型氮化鎵層(2)、量子阱層(3)和P型氮化鎵層(4)中，最后去除殘余的光刻膠； 第三步:在P型氮化鎵層(4)上表面旋涂光刻膠，定義出與所述非對稱薄膜微腔結(jié)構(gòu)一側(cè)連接的懸臂梁，同時定義出位于懸臂梁外側(cè)的用于蒸鍍η型區(qū)電極(6)的區(qū)域； 第四步:采用刻蝕技術(shù)向下刻蝕，直至η型氮化鎵層(2)的上表面，從而將所述第三步中定義的懸臂梁和用于蒸鍍η型區(qū)電極(6)的區(qū)域轉(zhuǎn)移至η型氮化鎵層(2)中，然后在有機溶劑中去除光刻膠； 第五步:在硅基氮化鎵晶片上表面旋涂光刻膠，采用光學(xué)光刻技術(shù)，在非對稱薄膜微腔結(jié)構(gòu)上表面的中心定義出P型區(qū)透明電極圖形； 采用電子束蒸發(fā)技術(shù)，在P型區(qū)透明電極圖形上表面蒸鍍Au/Ni，然后在有機溶劑中去除殘余光刻膠，獲得P型區(qū)電極(5); 第六步:在硅基氮化鎵晶片上表面旋涂光刻膠，采用光學(xué)光刻技術(shù)，在η型氮化鎵層(2)的用于蒸鍍η型區(qū)電極(6)的區(qū)域上定義出η型區(qū)透明電極圖形； 采用電子束蒸發(fā)技術(shù)，在η型區(qū)透明電極圖形上表面蒸鍍Au/Ti，然后在有機溶劑中去除殘余光刻膠，獲得η型區(qū)電極(6 ); 第七步:采用鍵合技術(shù)，分別在所述P型區(qū)電極(5)和η型區(qū)電極(6)表面鍵合引線；第八步:在硅基氮化鎵晶片上下表面分別旋涂光刻膠，然后采用光學(xué)光刻技術(shù)在硅襯底層(I)下表面的光刻膠層中定義出空腔區(qū)域的刻蝕窗口 ； 采用深硅刻蝕技術(shù)，通過所述刻蝕窗口從下往上刻蝕硅襯底層(I )，直至η型氮化鎵層(2)的下表面，在硅襯底層(I)中形成一個空腔，使非對稱薄膜微腔結(jié)構(gòu)和懸臂梁懸空。
【文檔編號】H01S5/343GK104009393SQ201410179466
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年4月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月30日
【發(fā)明者】朱剛毅, 王永進, 李欣, 施政 申請人:南京郵電大學(xué)