[发明专利]基于分布式布拉格反射镜波导微腔的硅衬底GaN激光器

说明书

技术领域

本发明属于信息材料与器件领域，涉及一种基于分布式布拉格反射镜波导微腔的硅衬底GaN激光器及其制备技术。

背景技术

半导体激光器，又称激光二极管(Laser Diode,LD)，其原理是通过一定的激励方式(电注入、光泵或高能电子束注入)，在半导体物质的能带之间或能带与杂质能级之间，通过激发非平衡载流子而实现粒子数反转，从而产生光的受激发射作用。

LD的核心发光部分是PN结，当注入PN结的少数载流子与多数载流子复合时，就会发出可见光；LD的重要组成部分是谐振腔，即由一定几何形状和光学反射特性的反射镜按特定的方式组合而成，可使腔内的光子振荡、反馈，产生光的辐射放大并输出激光。谐振腔的作用为：①提供光学反馈能力，使受激辐射光子在腔内多次往返以形成相干的持续振荡。②对腔内往返振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光具有一定的定向性和单色性。

从材料角度来看，氮化物材料特别是GaN材料，具有较高的折射率(～2.5)，在可见光、近红外波段透明，是一种优异的光学材料。然而，由于SiC和蓝宝石衬底不易加工，而氮化物特别是GaN的加工技术也不成熟，限制了氮化物光子及光学微机电器件的发展。近年来，通过引入AlN/AlGaN或其它独有的缓冲层来弥补晶格失配以及热膨胀不一致引起的残余应力，基于硅衬底的高质量氮化物材料日益成熟，已经逐步走向市场。

本发明采用半导体加工工艺对基于硅衬底的高质量GaN材料进行高精度的微纳加工，结合AlN/AlGaN应力调控缓冲层技术，以AlGaN作为InGaN波导的低折射率包裹层，并在顶层氮化物器件层形成基于分布式布拉格反射镜的波导微腔结构，并集成InGaN/GaN量子阱二极管，实现电泵浦硅衬底GaNk激光器。该激光器具有很好的光学性能，且该激光器的部分加工步骤可由工业级的半导体加工工艺替代，因此便于研发加工、成本控制和量产成品

发明内容

鉴于现有技术中存在上述技术问题，本发明提供一种基于分布式布拉格反射镜波导微腔的硅衬底GaN激光器及其制备方法，该激光器结合分布式布拉格反射镜设计和FIB微纳加工技术，以AlGaN层作为GaN波导的低折射率包覆层，在GaN波导上实现了微腔结构。同时，本发明通过聚焦离子束刻蚀(FIB)技术克服GaN微纳结构的深加工难题。本发明采用的技术方案如下所述。

本发明提供一种基于分布式布拉格反射镜波导微腔的硅衬底GaN激光器，以硅基氮化物晶片为载体，包括硅衬底层1、设置在所述硅衬底层1上的外延缓冲层2、设置在所述外延缓冲层2上的p-n结量子阱器件，设置在所述p-n结量子阱器件上的SiO₂绝缘层6，设置在所述SiO₂绝缘层6上的p-电极的引线电极区5和n-电极的引线电极区11，及分布式布拉格反射镜4；所述p-n结量子阱器件包括n-GaN层3、n-电极11、AlGaN包裹层8、InGaN波导9、InGaN/GaN量子阱(MQWs)层10、p-GaN层7和p-电极5；所述n-GaN层3上表面是刻蚀形成的阶梯状台面，所述阶梯状台面包括下台面和上台面，所述n-电极11设置在下台面上，所述AlGaN包裹层8、InGaN波导层9、InGaN/GaN量子阱(MQWs)层10、InGaN波导9、AlGaN包裹层8、p-GaN层7和p-电极5从下至上依次连接设置在上台面的上方；所述分布式布拉格反射镜4是直接在所述上台面的两端从所述SiO₂绝缘层6分别向下刻蚀至下方的InGaN波导层9获得的，所述分布式布拉格反射镜4在上台面的两端对称配对分布，形成谐振微腔结构。

本发明还提供上述基于分布式布拉格反射镜波导微腔的硅衬底GaN激光器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

步骤(1)在硅基氮化物晶片背后对硅衬底层1进行减薄抛光；

步骤(2)在硅基氮化物晶片上表面均匀涂上一层光刻胶，采用光刻对准技术在光刻胶层上定义出n-GaN3台阶区域，所述n-GaN台阶区域包括下台面和上台面；

步骤(3)采用反应离子束刻蚀n-GaN台阶区域，得到阶梯状台面；

步骤(4)在硅基氮化物晶片上表面均匀涂上一层光刻胶，采用光刻对准技术，定义出位于p-GaN层7上的p-电极窗口区域、位于n-GaN层3下台面的n-电极窗口区域；

步骤(5)在所述p-电极窗口区域与n-电极窗口区域分别蒸镀Ni/Au，形成欧姆接触，实现p-电极与n-电极，去除残余光刻胶后，即得到p-n结量子阱器件；