[發(fā)明專利]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

在審

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• 申請日: 2014-04-30
• 公開（公告）號: CN104009393A
• 公開（公告）日: 2014-08-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 朱剛毅;王永進;李欣;施政
• 申請（專利權(quán)）人: 南京郵電大學(xué)
• 主分類號: H01S5/343
• 分類號: H01S5/343;H01S5/10
• 代理公司: 江蘇愛信律師事務(wù)所 32241
• 代理人: 劉琦

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技術(shù)領(lǐng)域

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。

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背景技術(shù)

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。

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????????????????????????????????????????????????，其中為微盤的初始半徑，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。

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”。“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。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。

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發(fā)明內(nèi)容

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n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n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。

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n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；?