[发明专利]集成谐振光栅微腔的悬空GaN薄膜激光器及其制备方法

说明书

本发明提供一种集成谐振光栅微腔的悬空GaN薄膜激光器及其制备方法，通过硅衬底剥离和悬空氮化物薄膜背后减薄技术，获得悬空量子阱二极管器件结构，并利用聚焦离子束刻蚀和电子束蒸镀技术形成集成于悬空InGaN/GaN量子阱二极管的谐振光栅微腔，实现集成谐振光栅微腔的电泵浦悬空GaN薄膜激光器，可以改变谐振光栅微腔的结构参数或集成不同谐振光栅微腔，调控微腔结构，实现波长可调的悬空GaN薄膜激光器。本发明提出的集成谐振光栅微腔的悬空GaN薄膜激光器可用于可见光通信、显示及传感领域。

技术领域

本发明属于信息材料与器件领域，涉及一种集成谐振光栅微腔的悬空GaN薄膜激光器及其制备方法。

背景技术

半导体激光器又称激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器。由于物质结构上的差异，不同种类产生激光的具体过程比较特殊。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器在室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。半导体二极管激光器是最实用最重要的一类激光器。它体积小、寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成。并且还可以用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点，半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面以及获得了广泛的应用。

氮化物材料特别是GaN材料，具有较高的折射率，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。

发明内容

技术问题：本发明提供一种通过采用FIB微纳加工技术，在p-GaN层上加工谐振光栅微腔结构获得的集成谐振光栅微腔的悬空GaN薄膜激光器，通过改变谐振光栅微腔的结构参数或集成不同谐振光栅微腔，实现波长可调的硅衬底GaN基薄膜激光器。本发明同时提供了一种该激光器的制备方法。

技术方案：本发明的集成谐振光栅微腔的悬空GaN薄膜激光器，以硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元为载体，包括从下至上依次连接设置的硅衬底层、外延缓冲层、n-GaN层、p-n结量子阱器件、位于所述n-GaN层下方并贯穿硅衬底层、外延缓冲层的空腔、设置在所述空腔中并位于n-GaN层底面的分布式布拉格光栅，所述空腔使得p-n结量子阱器件悬空，n-GaN层上设置p-n结量子阱器件的区域与n-GaN层的边缘之间设置有隔离槽，并通过隔离槽中设置的n-GaN臂将该区域与n-GaN层的边缘连接，在所述n-GaN层上表面有刻蚀出的阶梯状台面，所述阶梯状台面包括下台面和位于下台面上的上台面，所述p-n结量子阱器件包括设置在下台面上的n-电极、从下至上依次连接设置在上台面上的InGaN/GaN多量子阱、p-GaN层、p-电极、贯穿所述p-GaN层、InGaN/GaN多量子阱至n-GaN层的光栅微腔，所述p-电极包括位于p-n结量子阱器件中心圆环形的带电区、位于所述带电区一侧的引线区、连接所述带电区和引线区的导电区，所述n-电极包括带缺口的圆环状的带电区和设置在所述带电区外侧并与之连接的引线区。

进一步的，本发明激光器中，光栅微腔是采用ICP刻蚀或电子束蒸镀技术在p-GaN层、InGaN/GaN多量子阱和n-GaN层中刻蚀或蒸镀出来的。

进一步的，本发明激光器中，分布式布拉格光栅蒸镀在n-GaN层底面，分布式布拉格光栅与光栅微腔形成谐振光栅，构成激光器的谐振条件。

进一步的，本发明激光器中，光栅微腔为圆形光栅结构或条形光栅结构。

进一步的，通过改变谐振光栅的结构和尺寸可以控制出射激光的波长。

本发明的制备上述集成谐振光栅微腔的悬空GaN薄膜激光器的方法，包括以下步骤：

步骤(1)对硅衬底GaN基InGaN/GaN多量子阱晶元的硅衬底层进行清洁后减薄抛光处理；