[发明专利]一种电驱动纳米梁结构的氮化物微激光器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种电驱动纳米梁结构的氮化物微激光器及其制备方法，激光器以硅基氮化物晶片为载体，包括从下至上依次设置的硅衬底层、u型氮化镓层、n型氮化镓层、量子肼层、p型氮化镓层、设置在所述p型氮化镓层上的p型电极、设置在所述n型氮化镓层边缘的n型电极，硅衬底层内部镂空，仅保留侧壁和底面，形成一个位于u型氮化镓层下方的空腔。本发明在硅衬底上的氮化物材料，利用光刻刻蚀工艺和ICP刻蚀工艺制备纳米梁结构的氮化物微腔，在正向偏压下，获得紫外光波段的激光。

技术领域

本发明属于激光技术领域，涉及一种电驱动纳米梁结构的氮化物微激光器及其制备方法。

背景技术

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。第三类是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式(WGM)激光，这类激光虽然能够获得高品质激光，但是不是所有的WGM激光器都能够和其它的光电子器件进行对接。因此，在此基础上，光子晶体激光器相对来说优势就很明显了。光子晶体激光器不仅提供了非常高的品质因子Q值而且还具有很小的体积V和占地面积。此外在光子晶体腔中我们还容易得到无阈值激光。

因此如何优化光子晶体微腔结构，实现高品质因子Q和低阈值氮化镓紫外激光将是本发明要解决的问题。

发明内容

技术问题：本发明提供一种具有极高的光学增益和极低的损耗，有利于与光电子器件集成，可以获得高品质因子低阈值的电驱动纳米梁结构的氮化物微激光器，同时提供了一种工艺性好、加工精度高的制备上述电驱动纳米梁结构的氮化物微激光器的方法。

技术方案：本发明的电驱动纳米梁结构的氮化物微激光器，以硅基氮化物晶片为载体，包括从下至上依次设置的硅衬底层、u型氮化镓层、n型氮化镓层、量子肼层、p型氮化镓层、设置在所述p型氮化镓层上的p型电极、设置在所述n型氮化镓层边缘的n型电极，所述硅衬底层内部镂空，仅保留侧壁和底面，形成一个位于u型氮化镓层下方的空腔，激光器设置多个从下至少刻穿u型氮化镓层、n型氮化镓层、量子肼层、p型氮化镓层直至空腔的孔洞，所述n型氮化镓层边缘处上方的量子肼层和p型氮化镓层刻蚀掉，n型电极设置在裸露出的n型氮化镓层上侧面上。

进一步的，本发明微激光器中，所述p型电极是沿p型氮化镓层上侧面边缘设置的环形电极。

进一步的，本发明微激光器中，所述n型氮化镓层边缘处刻蚀有阶梯状台面，所述阶梯状台面的下台面裸露，n型电极设置在下台面上。

进一步的，本发明微激光器中，所述孔洞为5个，其中一个孔洞设置在激光器中部，其余四个孔洞每两个一组，分列中部孔洞的两侧。

进一步的，本发明微激光器中，所述5个孔洞，设置在激光器中部的孔洞，及中部孔洞直径最小，分列其两侧的孔洞大于直径大于中部孔洞直径，且外侧孔洞大于内侧孔洞直径。

本发明利用光学光刻和ICP刻蚀工艺和氢氟酸与稀硝酸混合液湿法刻蚀工艺制备不同尺寸的对称氮化物悬空薄膜微腔。设计合理的工艺步骤，包括刻蚀模板的形状，获得由柱状支撑的且边缘光滑的对称氮化镓悬空薄膜微腔。降低微腔的弯曲损耗和侧面粗糙引起的散射损耗。

本发明制备电驱动纳米梁结构的氮化物微激光器的方法，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孔洞结构的图形；

第二步：采用电子束蒸镀技术在图形上蒸镀金属镍，最后去除残留的光刻胶；

第三步：采用ICP刻蚀技术向下刻蚀氮化物层直至硅衬底层的上表面，从而将所述第一步中定义出的图形转移至硅基氮化物晶片的u型氮化镓层中，得到孔洞结构，然后用稀硝酸去除金属镍；