GaN基金属‑超薄氧化物‑半导体的复合结构纳米激光器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种GaN基金属‑超薄氧化物‑半导体的复合结构纳米激光器，由基片和InGaN/GaN量子阱纳米柱组成，基片结构依次包括：SiO

The composite structure of nano laser and preparation method of GaN base metal ultra-thin oxide semiconductor

The invention discloses a nano composite structure of GaN base metal ultra-thin oxide semiconductor laser, composed of substrate and InGaN/GaN quantum well nanorods substrate structure comprises: SiO

【技术实现步骤摘要】
GaN基金属-超薄氧化物-半导体的复合结构纳米激光器及其制备方法
本专利技术专利涉及一种GaN基金属-超薄氧化物-半导体的复合结构纳米激光器及其制备方法，属于微纳光电子与激光器件应用领域。
技术介绍
III族氮化物半导体具有连续可调的宽能隙，在蓝绿以及紫外光电子器件中具有相当的优势。为了提高发光器件的效率和拓展器件的功能，研究者大量的采用低维量子结构，包括量子阱，量子线(纳米线)、纳米点等结构，同时使得器件能够在力学、生化、电磁以及光电子等多方面展示优异性能。一维纳米线(柱)量子结构因其具有良好的光学限制效应，形成光学微腔，根据费米黄金定则原理可加快辐射复合速率。具有纳米尺度的一维InGaN/GaN多量子阱结构相较于平面量子阱结构而言，由于异质外延导致的失配应力能够很大程度得以释放，可以生长获得晶体质量更好的量子阱结构；同时应力的释放，还能削减压电极化效应，压制/消除减量子限制斯塔克斯效应。另外，纳米线(柱)由于几何结构上的各向异性，一维纳米柱器件可以产生高线性偏振度的发光。目前，基于一维纳米线的发光二极管(LED)，激光器(LD)，太阳能电池，探测器等器件研制和专利技术，受到了学术界和工业界相当的重视。目前，大部分III-V族半导体激光器主要基于法布里-珀罗(Fabry–Pérot)光腔结构，这种结构是依靠两个高反射的光反射腔面，实现对光的增益而产生激光，因此，光腔的尺寸受限于激光的衍射波长，通常是波长λ/2。近年涌现出一种新型的表面等离激元纳米激光器，基于表面等离激元放大实现的受激辐射，它具有超低的激射阈值，超小的光模式体积优势，有望作为新一代微纳级激光器应用于硅基集成电路与光电子器件的光电互联。2009年，美国加州大学伯克利分校的研究者率先成功制备出基于硫化镉(CdS)纳米线的SPASER激光器，在10K极低温度下观察到蓝绿光激射现象。中国台湾清华大学研究者采用分子束外延(MBE)生长出InGaN/GaN核壳结构纳米线，制备出的氮化镓基SPASER激光器能够在液氮温度77K工作。但是如果实现大面积、高质量的一维InGaN/GaN纳米线阵列，并制备金属-超薄氧化物-半导体(MUTOS)复合结构一直是个难题，目前在中国尚无相关专利技术专利可查询和借鉴。中国专利ZL201310256681.3公开了一种利用紫外软纳米压印技术(UV-NIL)大面积制备高质量InGaN/GaN有序纳米柱阵列的方法。本专利技术在上述专利基础之上，采用PMMA和紫外固化胶双层胶技术紫外软压印制备大面积、低缺陷的InGaN/GaN纳米柱，从而实现阵列有序且具有均匀直径长度的氮化镓纳米阵列，可用于制备MUTOS复合结构纳米激光器。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于InGaN/GaN纳米柱的GaN基金属-超薄氧化物-半导体的复合结构纳米激光器。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种GaN基金属-超薄氧化物-半导体的复合结构纳米激光器，由基片和InGaN/GaN量子阱纳米柱组成，基片结构自下至上依次包括：一SiO2-Si衬底；一蒸镀在SiO2-Si衬底上的金属层；一生长在金属层上的超薄氧化物层；所述InGaN/GaN量子阱纳米柱放置于超薄氧化物层表面，其结构自下至上依次包括：一蓝宝石衬底层；一生长在衬底层上的n型GaN层；一生长在n型GaN层上的InxGa1-xN/GaN量子阱有源层；一生长在InxGa1-xN/GaN量子阱有源层上的p型AlGaN阻挡层和p型GaN层。进一步的，所述x范围：0.12≤x≤0.35，量子阱有源层发光波长在430nm至530nm，量子阱的周期数10～15个，p型AlGaN阻挡层和p型GaN层的总厚度为300～500nm。进一步的，所述InGaN/GaN量子阱纳米柱为圆柱、椭圆柱或方柱，最大直径为100～400nm，高度为2.2～2.8μm。进一步的，所述超薄氧化物为SiO2、Al2O3或者HfO2，超薄氧化物层厚度为6～12nm，表面粗糙度<0.1nm。进一步的，所述金属层的金属从Ag、Au或Al中选择，厚度为23～28nm，表面粗糙度<0.1nm。进一步的，所述SiO2-Si衬底由硅片和SiO2层组成，所述SiO2层厚度为200～400nm。本专利技术还提供了上述GaN基金属-超薄氧化物-半导体的复合结构纳米激光器的制备方法，其步骤包括：(1)在InGaN/GaN量子阱外延片上生长一层绝缘层，将PMMA胶和紫外固化胶依次旋涂在绝缘层表面；(2)采用紫外软纳米压印技术，使用软模板在紫外固化胶层上形成大面积的有序纳米柱阵列；(3)采用反应离子束刻蚀技术，通入CHF3和O2的混合气体刻蚀紫外固化胶层的残余部分，然后以紫外固化胶为掩膜，利用RIE技术，通入O2对PMMA层进行刻蚀，将纳米柱阵列结构转移至PMMA层，露出绝缘层；(4)采用电子束蒸发台在InGaN/GaN量子阱外延片表面蒸镀金属膜，将镀有金属膜的外延片置于丙酮溶液浸泡，外加超声剥离，PMMA层剥离得到刻印在p型GaN层表面的大面积有序金属纳米柱阵列；(5)采用电感耦合等离子体刻蚀技术，通入Cl2和Ar的混合气体，各向异性刻蚀p型GaN层、p型AlGaN阻挡层、InGaN/GaN量子阱有源层、n型GaN层，形成贯穿p型GaN层、p型AlGaN阻挡层、InGaN/GaN量子阱有源层，深至n型GaN层的纳米柱阵列，将样品放置在无机酸或无机碱溶液中水浴去除刻蚀损伤，然后去除残余的绝缘层；(6)在硅片之上，采用等离子体增强化学汽相沉积法沉积SiO2层，形成SiO2-Si衬底；(7)采用电子束蒸发金属，在SiO2层表面沉积金属层，沉积速率<3nm/min；(8)采用等离子体增强化学汽相沉积法或原子层沉积法在金属层表面生长超薄氧化物层，生长速率<1nm/min；(9)将步骤(5)获得的纳米柱阵列置于有机溶液中，利用超声震荡进行机械分离和分散获得InGaN/GaN量子阱纳米柱悬浊液，然后将悬浊液滴加在步骤(8)所制备的基片上，最后将基片上的溶剂通过烘烤蒸干，使纳米柱分散的分布在基片之上。进一步的，所述绝缘层为SiO2层或者SiC层。进一步的，所述有机溶液选择高挥发性的有机溶剂，最常见的选择为乙醇或者乙二醇。本专利技术利用了紫外软纳米压印、从上至下刻蚀加工、纳米柱阵列转移多项微纳加工技术的工艺，获得阵列有序且具有均匀直径长度的氮化镓纳米柱阵列，最终实现能够在室温下工作的氮化镓基蓝绿光激光器。制得的纳米柱可以为圆柱，椭圆柱，方柱等多种形状，在MUTOS制备过程中改变椭圆柱长短轴或方柱长短边与超薄氧化层界面的平行或垂直关系，可实现调控单模或多模激光。该激光器结构具有以下优点：(1)具有很小的光模体积，能够突破光的衍射极限，实现亚微米尺寸激光器；(2)具有极低的激射阈值，MUTOS激光结构能够在0.15kW/cm2的光泵下产生激射；(3)能够对激光的模式进行调控，实现单模和多模激光发射。本专利技术的激光器结构在超高分辨智能显示，复杂生物成像，硅基集成电路与光电子器件光电互联方面都有潜在应用价值。附图说明图1为实施例1中步骤(1)得到的InGaN/GaN量子阱外延片结构示意图。图2为实施例1中步骤(5)得到的InGaN/GaN量子阱纳米圆柱阵列示意图。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种GaN基金属‑超薄氧化物‑半导体的复合结构纳米激光器，由基片和InGaN/GaN量子阱纳米柱组成，基片结构自下至上依次包括：一SiO

【技术特征摘要】
1.一种GaN基金属-超薄氧化物-半导体的复合结构纳米激光器，由基片和InGaN/GaN量子阱纳米柱组成，基片结构自下至上依次包括：一SiO2-Si衬底；一蒸镀在SiO2-Si衬底上的金属层；一生长在金属层上的超薄氧化物层；所述InGaN/GaN量子阱纳米柱放置于超薄氧化物层表面，其结构依次包括：一蓝宝石衬底层；一生长在衬底层上的n型GaN层；一生长在n型GaN层上的InxGa1-xN/GaN量子阱有源层；一生长在InxGa1-xN/GaN量子阱有源层上的p型AlGaN阻挡层和p型GaN层。2.根据权利要求1所述的GaN基金属-超薄氧化物-半导体的复合结构纳米激光器，其特征在于：所述x范围：0.12≤x≤0.35，量子阱有源层发光波长在430nm至530nm，量子阱的周期数10～15个，p型AlGaN阻挡层和p型GaN层的总厚度为300～500nm。3.根据权利要求1或2所述的GaN基金属-超薄氧化物-半导体的复合结构纳米激光器，其特征在于：所述InGaN/GaN量子阱纳米柱为圆柱、椭圆柱或方柱，最大直径为100～400nm，高度为2.2～2.8μm。4.根据权利要求3所述的GaN基金属-超薄氧化物-半导体的复合结构纳米激光器，其特征在于：所述超薄氧化物为SiO2、Al2O3或者HfO2，超薄氧化物层厚度为6～12nm，表面粗糙度<0.1nm。5.根据权利要求4所述的GaN基金属-超薄氧化物-半导体的复合结构纳米激光器，其特征在于：所述金属层的金属从Ag、Au或Al中选择，厚度为23～28nm，表面粗糙度<0.1nm。6.根据权利要求5所述的GaN基金属-超薄氧化物-半导体的复合结构纳米激光器，其特征在于：所述SiO2-Si衬底由硅片和SiO2层组成，所述SiO2层厚度为200～400nm。7.一种GaN基金属-超薄氧化物-半导体的复合结构纳米激光器的制备方法，其步骤包括：(1)在InGaN/GaN量子阱外延片上...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘斌，陶涛，智婷，张荣，谢自力，陈鹏，陈敦军，韩平，施毅，郑有炓，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32