[發明專利]一種超薄GaN量子阱深紫外激光器制備方法及深紫外激光器

在審

• 申請號: 202111409834.4
• 申請日: 2021-11-24
• 公開（公告）號: CN114108082A
• 公開（公告）日: 2022-03-01
• 發明（設計）人: 單茂誠;張毅;張會雪;趙永明;陳長清;李曉航
• 申請（專利權）人: 華中科技大學鄂州工業技術研究院;華中科技大學
• 主分類號: C30B25/18
• 分類號: C30B25/18;C30B25/16;C30B29/40;H01S5/343
• 代理公司: 北京眾達德權知識產權代理有限公司 11570
• 代理人: 田靈菲

一種超薄GaN量子阱深紫外激光器制備方法，所述方法包括步驟：準備MOCVD反應室及藍寶石襯底；在所述藍寶石襯底上沉積第一厚度的AIN緩沖層；在所述AIN緩沖層上生長第二厚度的AIN模板；在所述AIN模板上形成預設周期的量子阱結構；在所述量子阱結構上生長第三厚度的AIN帽層；從所述藍寶石襯底的背面拋光減薄至預設厚度；在所述藍寶石襯底上形成隱形凹槽；沿所述隱形凹槽方向在所述藍寶石襯底上形成光泵浦激光條。本申請提供的一種超薄GaN量子阱深紫外激光器制備方法及深紫外激光器將多周期超薄GaN量子阱作為深紫外激光器的增益區，該量子阱具有較高的輻射發光效率，同時具備橫電(TE)模式的偏振特性。

技術領域

本發明屬于深紫外激光器技術領域，具體涉及一種超薄GaN量子阱深紫外激光器制備方法及深紫外激光器。

背景技術

深紫外激光器具有光子能量高、聚焦能力強、光譜分辨率高等優點，在激光武器、保密通信、生物試劑檢測、高密度光學存儲、皮膚病學、材料精細加工等軍用和民用領域具有廣闊的應用前景。其中，半導體深紫外激光器具有體積小、壽命長、易集成、發光波長可調、節能環保等優勢，可作為大型有毒氣體激光器和低效率固體激光器的替代品，是未來紫外激光器發展的主要趨勢，具有巨大的社會和經濟價值。

目前，半導體深紫外激光器最常用的材料體系是III族氮化物中的AIGaN合金。作為一種直接帶隙寬禁帶半導體材料，AIGaN合金的禁帶寬度可通過改變AI元素的摻入量從3.4eV(GaN)到6.2eV(AIN)間連續可調，實現365nm-200nm光譜范圍內的發光。通常，AIGaN基半導體深紫外激光器可由MOCVD技術外延生長多層不同組分和摻雜的AIGaN薄膜堆疊構成，包括AIN模板、量子阱、波導層、載流子限制層等結構。其中，作為增益區的AIGaN量子阱可在波導層的限制下實現受激光放大，是深紫外激光器的核心結構。通過提高量子阱的AI組分(AI組分＞0.4)，可以實現其波長從200nm-280nm間的深紫外光發射。

然而，AIGaN量子阱中普遍存在強極化場下的量子限制斯塔克效應，電子和空穴的波函數在極化電場的作用下發生空間分離，難以實現高效率的輻射發光，只有在大幅提升注入載流子的濃度下才能對極化電場產生屏蔽作用，因此會增大激光器的激射閾值。此外，隨著發光波長的藍移，高AI組分的AIGaN材料的能帶結構逐漸從GaN向AIN轉變，其發光偏振模式也從GaN的橫電模式(TE)轉變為AIN的橫磁模式(TM)。通過求解Maxwell方程組可以得到，解理面腔鏡反射具有很強的偏振選擇性，TM模式(Ez≠0，Ey＝0，Ex≠0)下的光的反射率普遍低于TE模式(Ez＝0，Ey≠0，Ex＝0)下的光的反射率，即TM模的反射損耗普遍高于TE模的反射損耗，這使得TM偏振光難以有效地應用于邊發射的深紫外激光器中。

發明內容

鑒于上述問題，本發明提供克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的一種超薄GaN量子阱深紫外激光器制備方法及深紫外激光器。

為解決上述技術問題，本發明提供了一種超薄GaN量子阱深紫外激光器制備方法，所述方法包括步驟：

準備MOCVD反應室及藍寶石襯底；

在所述藍寶石襯底上沉積第一厚度的AIN緩沖層；

在所述AIN緩沖層上生長第二厚度的AIN模板；

在所述AIN模板上形成預設周期的量子阱結構；

在所述量子阱結構上生長第三厚度的AIN帽層；

從所述藍寶石襯底的背面拋光減薄至預設厚度；

在所述藍寶石襯底上形成隱形凹槽；

沿所述隱形凹槽方向在所述藍寶石襯底上形成光泵蒲激光條。

優選地，所述在所述藍寶石襯底上沉積第一厚度的AIN緩沖層包括步驟：

設置所述MOCVD反應室的溫度為750℃；