[发明专利]一种3D光子晶体调控的激光芯片及制备方法

权利要求书

1.一种3D光子晶体调控的激光芯片，其特征为，包括：

沿着芯片外延生长方向依次为衬底层、下限制层、下波导层、量子阱有源区、上波导层、上限制层、脊波导；以及3D光子晶体，所述3D光子晶体为多个纳米球形结构，分布在所述脊波导的两侧；以及围坝，所述围坝设置在所述激光芯片的边缘，所述围坝、所述上限制层的表面以及所述脊波导的侧面组成凹槽，所述3D光子晶体填充所述凹槽；一阴极电极分布在所述衬底层的下方，一阳极电极分布在所述脊波导的上方；

所述的3D光子晶体为纳米球紧密堆叠而成，所述3D光子晶体包括第一段3D光子晶体和第二段3D光子晶体，所述第一段3D光子晶体分布在后端面附近的所述凹槽，所述第二段3D光子晶体分布在前端面附近的所述凹槽；

所述第一段3D光子晶体由氮化硅纳米球紧密堆叠而成，直径为100nm-1000nm，折射率为1.8-2.0;所述第二段3D光子晶体由氮化硅纳米球紧密堆叠而成，直径为100nm-1000nm,折射率为1.3-1.6;所述第一段3D光子晶体的组成材料的折射率大于第二段3D光子晶体的组成材料。

2.如权利要求1所述的一种3D光子晶体调控的激光芯片，其特征为，还包括前端面和后端面，前端面和后端面设置在激光芯片沿着激光发射方向的两个侧面，所述前端面镀有增透膜，所述后端面镀有反射膜。

3.如权利要求2所述的一种3D光子晶体调控的激光芯片，其特征为，所述反射膜的反射率为50％-100％，所述增透膜的反射率小于等于10％。

4.如权利要求1所述的一种3D光子晶体调控的激光芯片，其特征为，所述围坝高度与所述脊波导被同时制备，均由GaAs组成，且两者的高度一致，所述围坝的边缘距离所述脊波导的边缘为500nm-5000nm。

5.如权利要求1所述的一种3D光子晶体调控的激光芯片，其特征为以下结构：

所述的衬底层具体为GaAs，厚度为200nm；

所述的下限制层的材质为AlGaAs，厚度为0.3μm；

所述的下波导层的材质为AlGaAs，厚度为0.5-3μm；

所述的量子阱有源区的材质为交替生长的AlGaAs阱层-AlGaAs垒层，厚度为0.1μm；

所述的上波导层的材质为AlGaAs，厚度为0.1-3μm；

所述的上限制层的材质为AlGaAs，厚度为0.3μm；

所述的脊波导层的材质为GaAs，厚度为0.3μm。

6.如权利要求1所述的一种3D光子晶体调控的激光芯片，其特征为，所述阴极电极和所述阳极电极的材质均为Cr/Au、Ti/Au或Ni/Au的一种组成。

7.如权利要求3所述的一种3D光子晶体调控的激光芯片，其特征为，还包括钝化层，所述钝化层包覆除了所述3D光子晶体、所述阴极电极、所述阳极电极、所述脊波导、反射膜和增透膜以外的激光芯片的部分，所述钝化层采用氮化硅或SiO₂组成，厚度为300nm。

8.一种3D光子晶体调控的激光芯片的制备方法，其特征为，包括：

步骤一：将衬底层放在MOCVD设备生长室内，在H₂环境升温到750~810℃烘烤30-50分钟，并通入AsH₃，去除衬底层表面的水氧，完成表面热处理，所述衬底层采用GaAs组成，厚度为200nm；

步骤二：MOCVD设备生长室内温度保持在680~720℃，通入TMGa、TMAl、和AsH₃，在步骤一的所述衬底层上生长下限制层，所述下限制层采用AlGaAs组成，厚度为0.3μm；

步骤三：MOCVD设备生长室内温度降至630~670℃，在步骤二的所述下限制层上生长下波导层，所述下波导层采用AlGaAs组成，厚度为0.5-3μm；

步骤四：MOCVD设备生长室内保持温度在630~670℃，在步骤三的所述下波导层上生长量子阱有源区，量子阱有源层包括交替生长的AlGaAs阱层-AlGaAs垒层；

步骤五：MOCVD设备生长室内保持温度在630~670℃，在步骤四的所述量子阱有源区上生长上波导层，所述上波导层采用AlGaAs组成，厚度为0.1-3μm；

步骤六：将MOCVD设备生长室内温度提升到680~720℃，在步骤五的所述上波导层上生长上限制层，所述上限制层采用AlGaAs组成，厚度为0.3μm；

步骤七：将MOCVD设备生长室内温度降低到530~570℃，通过光刻和干法刻蚀工艺制备在步骤六的所述上限制层上生长脊波导，同时在所述脊波导两侧形成围坝，所述脊波导和所述围坝均由GaAs组成，且两者的高度均为1000nm，所述围坝的边缘距离所述脊波导的边缘为500nm-5000nm，所述围坝、所述上限制层的表面以及所述脊波导的侧面组成凹槽；

步骤八：通过光刻技术，使光刻胶覆盖距前端面附近的凹槽，然后利用旋涂技术，旋涂氮化硅纳米球进入剩余没有被光刻胶掩盖的所述凹槽中，并自组装成第一段3D光子晶体，所述第一段3D光子晶体由氮化硅纳米球紧密堆叠而成，直径为100nm-1000nm，折射率为1.8-2.0；

步骤九：去除光刻胶，曝露出被掩盖的围坝；

步骤十：利用旋涂技术，旋涂氧化硅纳米球进入曝露出来的围坝中，并自组装成第二段3D光子晶体，所述第二段3D光子晶体由氮化硅纳米球紧密堆叠而成，直径为100nm-1000nm,折射率为1.3-1.6;所述第一段3D光子晶体的组成材料的折射率大于第二段3D光子晶休的组成材料；

步骤十一：利用光刻技术和e-beam蒸镀工艺制作出阴极电极和阳极电极；

步骤十二：使用PECVD在脊波导表面沉积厚度为300nm的SiO2钝化层；

步骤十三：利用光刻技术，并使用BOE腐蚀液去除步骤十二中的部分SiO2钝化层，得到钝化层，所述钝化层包覆除了所述3D光子晶体、阴极电极、阳极电极、所述脊波导、前端面和后端面以外的部分；

步骤十四：通过化学镀或电镀的方法在步骤十三得到的结构的前端面镀上反射系数为99％的反射膜，后端面镀上反射系数为5％的增透膜，得到一种3D光子晶体调控的激光芯片。