[发明专利]一种单方向发射的电泵浦氮化镓微激光器及其制备方法

说明书

 

技术领域

本发明属于激光技术领域，涉及一种p型氮化镓/量子阱/n型氮化镓非对称微腔激光器及其制备方法。

 

背景技术

氮化镓紫外激光按腔体结构可分为三类：第一类是光在纳米颗粒界面随机共振形成的随机激光；第二类是光在一维的微纳米结构中利用微纳米线两个端面作为腔镜形成共振产生的F-P激光。前者散射损耗很大，没有固定模式；后者的端面损耗很大，也不易得到高品质（Q）、低阈值激光。鉴于此，采用尺度较大的微米棒或微米碟等微腔利用其全内反射形成的回音壁模激光则为人们提供了一条获得高品质激光的途径。氮化镓微米棒、碟等单晶结构单元有较高的折射率且表面光滑，这保证了全内反射光学增益回路的有效形成，从而大大降低了光学散射与透射带来的损耗。氮化镓微米棒、微米管和微米碟单晶作为天然的回音壁微腔，可以获得从六个棱角向外发射的高Q低阈值的回音壁激光，但是这种氮化镓单晶回音壁激光器作为光通信器件或者集成光学器件而言还不够优秀，因为它的出射激光方向太多，而且不容易和其它的光电子器件进行对接。

2003年，耶鲁大学的Gracechern报导了一种新型的螺旋型微腔，其横截面可以表示为                                                ，其中为微盘的初始半径，和分别是微盘的内角度和变形度。这种微腔的特点就是微腔对称性被完全地打破了，而且在最大半径的位置形成了一个边缘不连续的缺口。当微腔内部存在增益时，在缺口的位置产生了单方向的激光发射。之后，诸多研究小组对这种微腔结构进行了研究，目前为止，己经利用量子阱、聚合物等材料通过电泵浦或者光泵浦的方式获得了单方向性的激光发射。但是这种螺旋形微腔中由于缺口的存在，逆时针谐振的模式沿着边缘传播然后透射出去，不能够形成一个闭合的激光谐振，微腔内部只存在顺时针谐振的模式。所以，螺旋形微腔虽然可以获得单方向性发射的激光，但能够发射出来的光场模式没有形成闭合激光谐振，导致其光学损耗较大。

综上所述，为了获得单方向性发射的高增益低损耗的氮化镓回音壁紫外激光,申请人利用先进的微纳加工技术，设计并制备非对称氮化镓悬空薄膜微腔。非对称氮化镓悬空薄膜微腔由单根悬臂梁支撑，微腔的横截面是独特的非对称形状：圆形+“锥角”和圆环+“锥角”。“锥角”是圆的切线和一条弧线在圆的外侧相交形成的锐角部分。该结构具有以下两个优势：第一，“悬空”氮化镓薄膜微腔上下表面被低折射率的空气所包裹，光线在高折射率半导体和它周围低折射率空气的微腔界面处的全内反射以回音壁形式传导，垂直方向的光学模也受到强烈限制，这种回音壁传导作用和光学限制极大地降低了光学散射和透射带来的光学损耗，可产生维持激射作用的足够大的光增益。第二，微腔的横截面设计为圆形+“锥角”或者圆环+“锥角”的形状。圆形和圆环具有极高的光学增益和极小的光学损耗，能够形成闭合的激光谐振，而光在曲率较高的“锥角”区域不满足全反射条件，可将回音壁微腔中的激光单方向性地导出。

 

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种单方向发射的电泵浦氮化镓微激光器，同时提供一种单方向发射的电泵浦氮化镓微激光器的制备方法。       

技术方案：本发明的单方向发射的电泵浦氮化镓微激光器，以硅基氮化物晶片为载体，包括硅基衬底、设置在硅衬底层上表面一侧边缘的p型氮化镓平台、与p型氮化镓平台连接的p型氮化镓悬臂梁、与p型氮化镓悬臂梁连接的非对称薄膜微腔结构，非对称薄膜微腔结构的上表面中心蒸镀有沉积金属材料为Au/Ni的p型区电极，p型氮化镓平台上表面蒸镀有沉积金属材料为Au/Ti的n型区电极，非对称薄膜微腔结构下方设置有贯穿硅衬底层的空腔，使得非对称薄膜微腔结构和p型氮化镓悬臂梁完全悬空；

非对称薄膜微腔结构由从下至上依次连接设置的n型氮化镓层、量子阱层和p型氮化镓层构成，包括圆形或圆环形的本体、设置在本体周向外侧的突出锥角，突出锥角由本体圆周切线、本体圆周上弧线和本体外的弧线围成，本体外的弧线与本体圆周相交的夹角为锐角。

本发明的制备上述单方向发射的电泵浦氮化镓微激光器的方法，包括以下步骤：

第一步：在硅基氮化镓晶片的p型氮化镓层上表面旋涂光刻胶，然后采用光学光刻技术在旋涂的光刻胶层上定义上述的非对称薄膜微腔结构；

第二步：采用刻蚀技术向下刻蚀，直至硅衬底层的上表面，从而将第一步中定义出的非对称薄膜微腔结构转移至硅基氮化镓晶片的n型氮化镓层、量子阱层和p型氮化镓层中，最后去除残余的光刻胶；