[發明專利]集成諧振光柵微腔的懸空GaN薄膜激光器及其制備方法

有效

• 申請號: 201711462671.X
• 申請日: 2017-12-28
• 公開（公告）號: CN108233181B
• 公開（公告）日: 2019-12-24
• 發明（設計）人: 施政;王永進;張帥;蔣元;王帥
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: H01S5/343
• 分類號: H01S5/343
• 代理公司: 32207 南京知識律師事務所
• 代理人: 王珒

本發明提供一種集成諧振光柵微腔的懸空GaN薄膜激光器及其制備方法，通過硅襯底剝離和懸空氮化物薄膜背后減薄技術，獲得懸空量子阱二極管器件結構，并利用聚焦離子束刻蝕和電子束蒸鍍技術形成集成于懸空InGaN/GaN量子阱二極管的諧振光柵微腔，實現集成諧振光柵微腔的電泵浦懸空GaN薄膜激光器，可以改變諧振光柵微腔的結構參數或集成不同諧振光柵微腔，調控微腔結構，實現波長可調的懸空GaN薄膜激光器。本發明提出的集成諧振光柵微腔的懸空GaN薄膜激光器可用于可見光通信、顯示及傳感領域。

技術領域

本發明屬于信息材料與器件領域，涉及一種集成諧振光柵微腔的懸空GaN薄膜激光器及其制備方法。

背景技術

半導體激光器又稱激光二極管，是用半導體材料作為工作物質的激光器。由于物質結構上的差異，不同種類產生激光的具體過程比較特殊。激勵方式有電注入、電子束激勵和光泵浦三種形式。半導體激光器件，可分為同質結、單異質結、雙異質結等幾種。同質結激光器和單異質結激光器在室溫時多為脈沖器件，而雙異質結激光器室溫時可實現連續工作。半導體二極管激光器是最實用最重要的一類激光器。它體積小、壽命長，并可采用簡單的注入電流的方式來泵浦其工作電壓和電流與集成電路兼容，因而可與之單片集成。并且還可以用高達GHz的頻率直接進行電流調制以獲得高速調制的激光輸出。由于這些優點，半導體二極管激光器在激光通信、光存儲、光陀螺、激光打印、測距以及雷達等方面以及獲得了廣泛的應用。

氮化物材料特別是GaN材料，具有較高的折射率，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。

發明內容

技術問題：本發明提供一種通過采用FIB微納加工技術，在p-GaN層上加工諧振光柵微腔結構獲得的集成諧振光柵微腔的懸空GaN薄膜激光器，通過改變諧振光柵微腔的結構參數或集成不同諧振光柵微腔，實現波長可調的硅襯底GaN基薄膜激光器。本發明同時提供了一種該激光器的制備方法。

技術方案：本發明的集成諧振光柵微腔的懸空GaN薄膜激光器，以硅襯底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元為載體，包括從下至上依次連接設置的硅襯底層、外延緩沖層、n-GaN層、p-n結量子阱器件、位于所述n-GaN層下方并貫穿硅襯底層、外延緩沖層的空腔、設置在所述空腔中并位于n-GaN層底面的分布式布拉格光柵，所述空腔使得p-n結量子阱器件懸空，n-GaN層上設置p-n結量子阱器件的區域與n-GaN層的邊緣之間設置有隔離槽，并通過隔離槽中設置的n-GaN臂將該區域與n-GaN層的邊緣連接，在所述n-GaN層上表面有刻蝕出的階梯狀臺面，所述階梯狀臺面包括下臺面和位于下臺面上的上臺面，所述p-n結量子阱器件包括設置在下臺面上的n-電極、從下至上依次連接設置在上臺面上的InGaN/GaN多量子阱、p-GaN層、p-電極、貫穿所述p-GaN層、InGaN/GaN多量子阱至n-GaN層的光柵微腔，所述p-電極包括位于p-n結量子阱器件中心圓環形的帶電區、位于所述帶電區一側的引線區、連接所述帶電區和引線區的導電區，所述n-電極包括帶缺口的圓環狀的帶電區和設置在所述帶電區外側并與之連接的引線區。

進一步的，本發明激光器中，光柵微腔是采用ICP刻蝕或電子束蒸鍍技術在p-GaN層、InGaN/GaN多量子阱和n-GaN層中刻蝕或蒸鍍出來的。

進一步的，本發明激光器中，分布式布拉格光柵蒸鍍在n-GaN層底面，分布式布拉格光柵與光柵微腔形成諧振光柵，構成激光器的諧振條件。

進一步的，本發明激光器中，光柵微腔為圓形光柵結構或條形光柵結構。

進一步的，通過改變諧振光柵的結構和尺寸可以控制出射激光的波長。

本發明的制備上述集成諧振光柵微腔的懸空GaN薄膜激光器的方法，包括以下步驟：

步驟(1)對硅襯底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元的硅襯底層進行清潔后減薄拋光處理；