[發明專利]一種ZnO懸浮碗狀結構的垂直腔面激光發射器及其制備方法

有效

• 申請號: 202111443872.1
• 申請日: 2021-11-30
• 公開（公告）號: CN114336278B
• 公開（公告）日: 2023-08-15
• 發明（設計）人: 朱剛毅;高菲;秦飛飛
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: H01S5/10
• 分類號: H01S5/10;H01S5/183
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司 32224
• 代理人: 許婉靜

本發明公開一種ZnO懸浮碗狀結構的垂直腔面激光發射器及其制備方法，所述激光發射器以硅基SOI晶片為載體，包括從下至上依次設置的硅襯底層、二氧化硅層、二氧化硅支柱層、二氧化硅圓盤層、氧化鋅圓盤層；所述激光發射器形成有多個從上至下刻穿氧化鋅圓盤層、二氧化硅圓盤層、二氧化硅支柱層直至二氧化硅層的孔洞。本發明激光發射器具有極高的光學增益和極低的損耗，利于光電子器件集成，具有高品質低閾值低損耗的優勢，其制備方法具有工藝性好、加工精度高的優勢。

技術領域

本發明屬于激光技術領域，具體涉及一種ZnO懸浮碗狀結構的垂直腔面激光發射器及其制備方法。

背景技術

碗狀激光器可以改變激光發射方向，使其垂直發射，制備更易耦合的垂直腔面激光發射器（VCSEL）。ZnO垂直腔面激光發射器是一種具有垂直出光結構的新型半導體激光器,其發光波長為近紫外波段。VCSEL具有圓形對稱光斑、與光纖耦合效率高以及可以制備高密度二維陣列等優點,因此被認為是下一代半導體照明、微投影、全色顯示等應用領域的理想光源。

氧化鋅的寬直接帶隙（3.4?eV）和強激子結合能(60?meV)，使它成為短波光電功能材料與器件的重要候選。過去的十多年中，人們對這種半導體的紫外光電特性，尤其是激光特性給予了極大的關注。

因此，如何利用氧化鋅材料和微腔結構，實現高品質和低損耗的激光將是本發明要解決的問題。

發明內容

為克服上述現有技術的不足，本發明提供一種ZnO懸浮碗狀結構的垂直腔面激光發射器及其制備方法，其激光發射器具有極高的光學增益和極低的損耗，利于光電子器件集成，具有高品質低閾值低損耗的優勢，其制備方法具有工藝性好、加工精度高的優勢。

根據本發明說明書的一方面，提供一種ZnO懸浮碗狀結構的垂直腔面激光發射器，所述激光發射器以硅基SOI晶片為載體，包括從下至上依次設置的硅襯底層、二氧化硅層、二氧化硅支柱層、二氧化硅圓盤層、氧化鋅圓盤層；所述激光發射器形成有多個從上至下刻穿氧化鋅圓盤層、二氧化硅圓盤層、二氧化硅支柱層直至二氧化硅層的孔洞；所述二氧化硅圓盤層和氧化鋅圓盤層形成碗狀微腔。

上述技術方案具有柱狀支撐的且邊緣光滑的懸浮硅盤微腔，能夠降低微腔的彎曲損耗和側面粗糙引起的散射損耗，進而使激光發射器整體具有極低的損耗。

上述技術方案中，“懸空”使氧化鋅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體和它周圍低折射率空氣的微腔界面處的全內反射以WGM形式傳導，垂直方向的光學模也受到強烈限制，這種WGM傳導作用和光學限制極大地降低了光學散射和透射帶來的光學損耗，可產生維持激射作用的足夠大的光增益。

上述技術方案中，垂直腔面激光發射器的微腔形狀為碗狀，碗狀微腔相當于一個凹面鏡，能夠使產生的WGM激光垂直聚焦發射。

進一步地，所述二氧化硅層和二氧化硅圓盤層是硅在高溫中退火所致。

進一步地，所述二氧化硅支柱層是利用BOE懸空得來。

進一步地，所述二氧化硅圓盤層上懸涂了氧化鋅圓盤層。

進一步地，所述二氧化硅圓盤層上的氧化鋅圓盤層，是采用晶體生長技術MBE覆蓋上的。

根據本發明說明書的一方面，提供一種所述ZnO懸浮碗狀結構的垂直腔面激光發射器的制備方法，包括以下步驟?：

在硅基SOI晶片的表面旋涂光刻膠，在旋涂的光刻膠層上定義圓盤結構；

以光刻膠為掩膜，將硅層蝕刻至二氧化硅支柱層；

對蝕刻后的晶片進行BOE懸空，得到二氧化硅支柱層；

高溫褪火，得到二氧化硅層和二氧化硅圓盤層；

在二氧化硅圓盤層上，懸涂上氧化鋅，得到氧化鋅圓盤層。