一種單方向發射的光泵浦氮化鎵微激光器及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種單方向發射的光泵浦氮化鎵微激光器及其制備方法，以硅基氮化物晶片為載體，包括硅襯底層、設置在硅襯底層上表面一側邊緣的氮化鎵平臺、與氮化鎵平臺連接的氮化鎵懸臂梁、與氮化鎵懸臂梁連接的非對稱薄膜微腔結構，非對稱薄膜微腔結構下方設置有貫穿硅襯底層的空腔，使得非對稱薄膜微腔結構和氮化鎵懸臂梁完全懸空。該方法首先利用在硅襯底上的氮化鎵材料，利用電子束刻蝕工藝和深硅刻蝕工藝制備懸臂梁支撐的非對稱氮化鎵懸空薄膜微腔，在合適的光泵浦條件下，獲得單方向發射的回音壁模紫外激光。
【專利說明】一種單方向發射的光泵浦氮化鎵微激光器及其制備方法
[0001]
【技術領域】
[0002]本發明屬于激光【技術領域】，涉及一種單方向發射的光泵浦氮化鎵微激光器及其制備方法。
[0003]【背景技術】
[0004]氮化鎵紫外激光按腔體結構可分為三類:第一類是光在納米顆粒界面隨機共振形成的隨機激光；第二類是光在一維的微納米結構中利用微納米線兩個端面作為腔鏡形成共振產生的F-P激光。前者散射損耗很大，沒有固定模式；后者的端面損耗很大，也不易得到高品質(Q)、低閾值激光。鑒于此，采用尺度較大的微米棒或微米碟等微腔利用其全內反射形成的回音壁模激光則為人們提供了一條獲得高品質激光的途徑。氮化鎵微米棒、碟等單晶結構單元有較高的折射率且表面光滑，這保證了全內反射光學增益回路的有效形成，從而大大降低了光學散射與透射帶來的損耗。氮化鎵微米棒、微米管和微米碟單晶作為天然的回音壁微腔，可以獲得從六個棱角向外發射的高Q低閾值的回音壁激光，但是這種氮化鎵單晶回音壁激光器作為光通信器件或者集成光學器件而言還不夠優秀，因為它的激光發射方向太多，而且不容易和其它的光電子器件進行對接。
[0005]綜上所述，為了獲得單方向性發射的高增益低損耗的氮化鎵回音壁紫外激光， 申請人:利用先進的微納加工技術，設計并制備非對稱氮化鎵懸空薄膜微腔。非對稱氮化鎵懸空薄膜微腔由單根懸臂 梁支撐，微腔的橫截面是獨特的非對稱形狀:圓形+ “錐角”和圓環+ “錐角”。“錐角”是圓的切線和一條弧線在圓的外側相交形成的銳角部分。該結構具有以下兩個優勢:第一，“懸空”氮化鎵薄膜微腔上下表面被低折射率的空氣所包裹，光線在高折射率半導體和它周圍低折射率空氣的微腔界面處的全內反射以回音壁形式傳導，垂直方向的光學模也受到強烈限制，這種回音壁傳導作用和光學限制極大地降低了光學散射和透射帶來的光學損耗，可產生維持激射作用的足夠大的光增益。第二，微腔的橫截面設計為圓形+ “錐角”或者圓環+ “錐角”的形狀。圓形和圓環具有極高的光學增益和極小的光學損耗，能夠形成閉合的激光諧振，而光在曲率較高的“錐角”區域不滿足全反射條件，可將回音壁微腔中的激光單方向性地導出。
[0006]
【發明內容】
[0007]技術問題:本發明提供一種具有極高的光學增益和極低的損耗，有利于與光電子器件集成，可以獲得高品質因子低閾值的回音壁模激光的單方性發射的光泵浦氮化鎵微激光器，同時提供了一種工藝性好、加工精度高的制備上述單方性發射的光泵浦氮化鎵微激光器的方法。 技術方案:本發明的單方向發射的光泵浦氮化鎵微激光器，以硅基氮化物晶片為載體，包括硅襯底層、設置在硅襯底層上表面一側邊緣的氮化鎵平臺、與氮化鎵平臺連接的氮化鎵懸臂梁、與氮化鎵懸臂梁連接的非對稱薄膜微腔結構，非對稱薄膜微腔結構下方設置有貫穿硅襯底層的空腔，使得非對稱薄膜微腔結構和氮化鎵懸臂梁完全懸空；其中的非對稱薄膜微腔結構由氮化鎵構成，包括圓形或圓環形的本體、設置在本體周向外側的突出錐角，突出錐角由本體圓周切線、本體圓周上弧線和本體外的弧線圍成，本體外的弧線與本體圓周相交的夾角為銳角。
[0008]本發明的制備上述單方向發射的光泵浦氮化鎵微激光器的方法，包括以下步驟: 第一步:在硅基氮化鎵晶片的氮化鎵層上表面旋涂光刻膠，然后采用光學光刻技術在
旋涂的光刻膠層上定義上述非對稱薄膜微腔結構和懸臂梁；
第二步:采用刻蝕技術向下刻蝕，直至硅襯底層的上表面，從而將第一步中定義出的非對稱薄膜微腔結構和懸臂梁轉移至硅基氮化鎵晶片的氮化鎵層，最后去除殘余的光刻膠；第三步:在晶片上下表面分別旋涂光刻膠，然后采用光學光刻技術在硅襯底層下表面的光刻膠層中定義出空腔區域的刻蝕窗口；
第四步，采用深硅刻蝕技術，通過刻蝕窗口從下往上刻蝕硅襯底層，直至氮化鎵層的下表面，在硅襯底層中形成一個空腔，使非對稱薄膜微腔結構和懸臂梁懸空。
[0009]有益效果:與現有技術相比，本發明具有以下優點:
本發明中制備的單方向發射的光泵浦氮化鎵微激光器，具有獨特的非對稱微腔橫截面是圓形+ “錐角”或圓環+ “錐角”的形狀，與目前的螺旋形微腔比較，螺旋形微腔中的激光回路不是閉合的，而圓形和圓環中的激光可以形成閉合的激光回路，有極高的光學增益和極低的損耗，“錐角”可以使回音壁激光從微腔單向性發射，有利于與光電子器件集成。
[0010]本發明采用單根懸臂梁支撐的懸空薄膜微腔，懸空薄膜微腔的上下面表面裸露在空氣介質中，光在微腔界面處會發生全內反射以回音壁形式傳遞，且垂直方向的光學模式也收到強烈限制，極大地降低了光學損耗，可以獲得高品質因子低閾值的回音壁模激光。
[0011]本發明的光泵浦氮化鎵微激光器中，激光輸出波長通過調節薄膜微腔的直徑得到調控。
[0012]本發明為利用干法刻蝕工藝制備的由懸臂梁支撐的非對稱薄膜微腔與傳統的通過濕法刻蝕形成的由柱子支撐的懸空微盤的工藝相比，微盤的尺寸大小控制和表面的光滑程度都得到了極大的改善和提高。
[0013]
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1圓形+尖角的非對稱薄膜微腔的截面示意圖。
[0015]圖2圓環+尖角的非對稱薄膜微腔的截面示意圖。
[0016]圖3單方向發射的光泵浦氮化鎵微激光器的側視圖 圖4單方向發射的光泵浦氮化鎵微激光器的俯視圖。
[0017]圖5單方向發射的光泵浦氮化鎵微激光器的工藝流程圖。
[0018]圖中有:娃基襯底I，氣化嫁2。
[0019]【具體實施方式】
[0020]下面結合說明書附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明。
[0021]以制備單方向發射的光泵浦氮化鎵微激光器，直徑為10微米為例)
第一步:將購買的商用硅襯底氮化鎵晶片，經丙酮、無水乙醇和去離子水依次超聲清洗后，用氮氣吹干；使用勻膠機在晶片正面(氮化鎵層2上表面)以4000轉/分鐘的轉速旋涂光刻膠AZ5214，旋涂時間為40秒(光刻膠厚度為1.5微米);此處采用的硅基氮化物晶片結構只有硅襯底層I和氮化鎵層2。
采用光學光刻技術，在在旋涂的光刻膠層上定義出非對稱薄膜微腔和懸臂梁的圖形結構，光刻機型號為MA6。
[0022]第二步:采用II1-V族材料電感耦合等離子體刻蝕技術，將第一步定義出的非對稱薄膜微腔和懸臂梁轉移至晶片的氮化鎵層2，具體做法為:使用ICP180刻蝕機，刻蝕深度4微米，使硅襯底I暴露出來，Cl2流量為lOsccm，BCl3流量為25sccm，上電極功率(forward)300w，下電極功率(RF) IOOw ;將晶片放入丙酮溶液去除光刻膠；
第三步:使用勻膠機在晶片正面(氮化鎵層2的上表面)以1000轉/分鐘的轉速旋涂光刻膠AZ4620，旋涂時間為40秒，以保護加工完成的微腔和懸臂梁結構。(光刻膠厚度為16微米):使用勻膠機在晶片背面(硅襯底層I的下表面)以1000轉/分鐘的轉速旋涂光刻膠AZ4620，旋涂時間為40秒。(光刻膠厚度為16微米)
第四步，采用光學光刻技術，在晶片背面(硅襯底層I的下表面)套刻對準晶片正面(氮化鎵面2)的微腔和懸臂梁結構的區域，并在此區域定義出空腔區域的刻蝕窗口，刻蝕窗口采用圓孔圖形(圓孔直徑為15微米)；
采用深硅刻蝕技術從背后剝離圓孔圖形內部的硅襯底層1，在微腔和懸臂梁結構所在區域獲得自支撐氮化鎵薄膜結構。使用STS HRM深硅刻蝕系統，刻蝕深度200微米，利用Bosch工藝，刻蝕氣體為SF6，鈍化保護氣體為C4F8。
[0023]應理解上述實施例僅用于說明本發明技術方案的【具體實施方式】，而不用于限制本發明的范圍。在閱讀了本發明之后，本領域技術人員對本發明的各種等同形式的修改和替換均落于本申請權利要求所限定的保護范圍。
【權利要求】
1.一種單方向發射的光泵浦氮化鎵微激光器，其特征在于，該器件以硅基氮化物晶片為載體，包括硅襯底層(I)、設置在所述硅襯底層(I)上表面一側邊緣的氮化鎵平臺、與所述氮化鎵平臺連接的氮化鎵懸臂梁、與所述氮化鎵懸臂梁連接的非對稱薄膜微腔結構，所述非對稱薄膜微腔結構下方設置有貫穿硅襯底層(I)的空腔，使得非對稱薄膜微腔結構和氮化鎵懸臂梁完全懸空； 所述非對稱薄膜微腔結構由氮化鎵構成，包括圓形或圓環形的本體、設置在所述本體周向外側的突出錐角，所述突出錐角由本體圓周切線、本體圓周上弧線和本體外的弧線圍成，所述本體外的弧線與本體圓周相交的夾角為銳角。
2.—種制備權利要求1所述單方向發射的光泵浦氮化鎵微激光器的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 第一步:在硅基氮化鎵晶片的氮化鎵層(2)上表面旋涂光刻膠，然后采用光學光刻技術在旋涂的光刻膠層上定義如權利要求1所述的非對稱薄膜微腔結構和懸臂梁； 第二步:采用刻蝕技術向下刻蝕，直至硅襯底層(I)的上表面，從而將所述第一步中定義出的非對稱薄膜微腔結構和懸臂梁轉移至硅基氮化鎵晶片的氮化鎵層(2)中，最后去除殘余的光刻膠； 第三步:在硅基氮化鎵晶片上下表面分別旋涂光刻膠，然后采用光學光刻技術在硅襯底層(I)下表面的光刻膠層中定義出空腔區域的刻蝕窗口 ； 第四步，采用深硅刻蝕技術，通過所述刻蝕窗口從下往上刻蝕硅襯底層(I )，直至氮化鎵層(2)的下表面，在硅襯底層(I)中形成一個空腔，使非對稱薄膜微腔結構和懸臂梁懸空。
【文檔編號】H01S5/343GK104009394SQ201410179543
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年4月30日 優先權日:2014年4月30日
【發明者】朱剛毅, 王永進, 李欣, 施政 申請人:南京郵電大學