[發明專利]基于分布式布拉格反射鏡波導微腔的硅襯底GaN激光器

在審

• 申請號: 201710518114.9
• 申請日: 2017-06-29
• 公開（公告）號: CN107404067A
• 公開（公告）日: 2017-11-28
• 發明（設計）人: 施政;沈湘菲;王永進;蔣元;袁佳磊;張鋒華;張帥;秦川;蔣燕
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: H01S5/20
• 分類號: H01S5/20
• 代理公司: 南京知識律師事務所32207
• 代理人: 陳思

技術領域

本發明屬于信息材料與器件領域，涉及一種基于分布式布拉格反射鏡波導微腔的硅襯底GaN激光器及其制備技術。

背景技術

半導體激光器，又稱激光二極管(Laser Diode,LD)，其原理是通過一定的激勵方式(電注入、光泵或高能電子束注入)，在半導體物質的能帶之間或能帶與雜質能級之間，通過激發非平衡載流子而實現粒子數反轉，從而產生光的受激發射作用。

LD的核心發光部分是PN結，當注入PN結的少數載流子與多數載流子復合時，就會發出可見光；LD的重要組成部分是諧振腔，即由一定幾何形狀和光學反射特性的反射鏡按特定的方式組合而成，可使腔內的光子振蕩、反饋，產生光的輻射放大并輸出激光。諧振腔的作用為：①提供光學反饋能力，使受激輻射光子在腔內多次往返以形成相干的持續振蕩。②對腔內往返振蕩光束的方向和頻率進行限制，以保證輸出激光具有一定的定向性和單色性。

從材料角度來看，氮化物材料特別是GaN材料，具有較高的折射率(～2.5)，在可見光、近紅外波段透明，是一種優異的光學材料。然而，由于SiC和藍寶石襯底不易加工，而氮化物特別是GaN的加工技術也不成熟，限制了氮化物光子及光學微機電器件的發展。近年來，通過引入AlN/AlGaN或其它獨有的緩沖層來彌補晶格失配以及熱膨脹不一致引起的殘余應力，基于硅襯底的高質量氮化物材料日益成熟，已經逐步走向市場。

本發明采用半導體加工工藝對基于硅襯底的高質量GaN材料進行高精度的微納加工，結合AlN/AlGaN應力調控緩沖層技術，以AlGaN作為InGaN波導的低折射率包裹層，并在頂層氮化物器件層形成基于分布式布拉格反射鏡的波導微腔結構，并集成InGaN/GaN量子阱二極管，實現電泵浦硅襯底GaNk激光器。該激光器具有很好的光學性能，且該激光器的部分加工步驟可由工業級的半導體加工工藝替代，因此便于研發加工、成本控制和量產成品

發明內容

鑒于現有技術中存在上述技術問題，本發明提供一種基于分布式布拉格反射鏡波導微腔的硅襯底GaN激光器及其制備方法，該激光器結合分布式布拉格反射鏡設計和FIB微納加工技術，以AlGaN層作為GaN波導的低折射率包覆層，在GaN波導上實現了微腔結構。同時，本發明通過聚焦離子束刻蝕(FIB)技術克服GaN微納結構的深加工難題。本發明采用的技術方案如下所述。

本發明提供一種基于分布式布拉格反射鏡波導微腔的硅襯底GaN激光器，以硅基氮化物晶片為載體，包括硅襯底層1、設置在所述硅襯底層1上的外延緩沖層2、設置在所述外延緩沖層2上的p-n結量子阱器件，設置在所述p-n結量子阱器件上的SiO₂絕緣層6，設置在所述SiO₂絕緣層6上的p-電極的引線電極區5和n-電極的引線電極區11，及分布式布拉格反射鏡4；所述p-n結量子阱器件包括n-GaN層3、n-電極11、AlGaN包裹層8、InGaN波導9、InGaN/GaN量子阱(MQWs)層10、p-GaN層7和p-電極5；所述n-GaN層3上表面是刻蝕形成的階梯狀臺面，所述階梯狀臺面包括下臺面和上臺面，所述n-電極11設置在下臺面上，所述AlGaN包裹層8、InGaN波導層9、InGaN/GaN量子阱(MQWs)層10、InGaN波導9、AlGaN包裹層8、p-GaN層7和p-電極5從下至上依次連接設置在上臺面的上方；所述分布式布拉格反射鏡4是直接在所述上臺面的兩端從所述SiO₂絕緣層6分別向下刻蝕至下方的InGaN波導層9獲得的，所述分布式布拉格反射鏡4在上臺面的兩端對稱配對分布，形成諧振微腔結構。

本發明還提供上述基于分布式布拉格反射鏡波導微腔的硅襯底GaN激光器的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：

步驟(1)在硅基氮化物晶片背后對硅襯底層1進行減薄拋光；

步驟(2)在硅基氮化物晶片上表面均勻涂上一層光刻膠，采用光刻對準技術在光刻膠層上定義出n-GaN3臺階區域，所述n-GaN臺階區域包括下臺面和上臺面；

步驟(3)采用反應離子束刻蝕n-GaN臺階區域，得到階梯狀臺面；

步驟(4)在硅基氮化物晶片上表面均勻涂上一層光刻膠，采用光刻對準技術，定義出位于p-GaN層7上的p-電極窗口區域、位于n-GaN層3下臺面的n-電極窗口區域；

步驟(5)在所述p-電極窗口區域與n-電極窗口區域分別蒸鍍Ni/Au，形成歐姆接觸，實現p-電極與n-電極，去除殘余光刻膠后，即得到p-n結量子阱器件；