一种硅基悬空光子晶体面发射型蓝光激光器及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种硅基悬空光子晶体面发射型蓝光激光器及制备方法，包括硅衬底层、AlGaN缓冲层、n‑GaN层、n‑电极、有源层、p‑GaN层、p‑电极、以及在表面GaN刻蚀形成的光子晶体或在GaN表面生长制备的光子晶体层。本发明专利技术采用背面释放衬底并对Ⅲ‑Ⅴ族进行可控减薄的悬空结构，可以实现光场模式分布的调节及控制，从而优化得到在GaN表面光子晶体的高效耦合强度和在有源层的高耦合强度，利于低阈值激光器的实现。采用在GaN表面刻蚀形成光子晶体或在GaN表面生长制备光子晶体，方法工艺更加简便；同时未对有源层带来破坏，可以应用于电泵浦激光。

【技术实现步骤摘要】
一种硅基悬空光子晶体面发射型蓝光激光器及制备方法
本专利技术公开了一种硅基悬空光子晶体面发射型蓝光激光器及制备方法，涉及属于有源光子器件领域。
技术介绍
光子晶体面发射型激光器（PCSEL）具有发射面积大、能量高、发散角小、单模性好等优点，而基于氮化镓（GaN）材料的短波长/蓝光激光器在高速通信、显示系统、高密度存储器等领域具有广泛的应用并能实现出色的性能和应用前景。为了实现同时在光子晶体和有源层的光场高效耦合，目前氮化镓基光子晶体面发射型激光器的报道都是基于在GaN内部掩埋空气孔形成光子晶体（PC），或是从表面GaN刻穿透有源量子阱层得到光子晶体。但同时也带来的问题是，第一种方法工艺复杂，难度较高，且未能得到较好的光场与PC区的耦合强度，第二种方法对有源层产生了破坏，一般只能实现光泵浦激光。针对以上的现状，我们提出了基于GaN悬空结构的表面光子晶体的GaN蓝光激光器，利用光子晶体的能带边缘效应，实现单模垂直面发射。利用悬空GaN结构的上下空气包覆层，形成高折射率差的类波导结构，很好的限制光场，结合悬空结构的厚度可控性，从而形成光场同时在GaN上的光子晶体内以及有源区内具有理想的耦合强度。
技术实现思路
本专利技术针对上述
技术介绍
中的缺陷，提供一种硅基悬空光子晶体面发射型蓝光激光器及制备方法，结构简单，性能优异，制备简单。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种硅基悬空光子晶体面发射型蓝光激光器，包括硅衬底层；AlGaN缓冲层，位于硅衬底层之上；<br>n-GaN层，位于AlGaN缓冲层之上；MQWs层，位于波导n-GaN层之上；p-GaN层，位于波导MQWs层之上；光子晶体层，位于p-GaN层之上或刻蚀p-GaN层而形成；n-电极，n-电极在波导n-GaN层的表面；p-电极，p-电极在p-GaN层的表面。进一步的，所述p-GaN表面生长的光子晶体层为完全刻蚀透的，厚度为10~250nm，材料为氮化硅或二氧化钛或氧化硅；p-GaN刻蚀成光子晶体的刻蚀深度为10~500nm；光子晶体的晶格为正方晶格或三角晶格或蜂窝型晶格，周期为150~250nm，孔半径为10~100nm。进一步的，所述n-电极和p-电极采用四周环形电极结构、中心实心电极结构和边角电极结构设计。所述四周环形电极结构为：所述光子晶体层，p-GaN层，MQWs层和波导n-GaN层采用圆形结构设计，所述光子晶体层、p-GaN层和波导n-GaN层直径依次增大，所述的p-GaN层和MQWs层的直径相同，p-电极在光子晶体层周围，n-电极在p-GaN层和MQWs层的周围。所述中心实心电极结构为：所述光子晶体层，p-GaN层，MQWs层和波导n-GaN层采用圆形结构设计，所述光子晶体层、p-GaN层和波导n-GaN层直径依次增大，所述的p-GaN层和MQWs层的直径相同，p-电极在光子晶体层中心，n-电极在p-GaN层和MQWs层的周围。所述边角电极结构为：所述光子晶体层，p-GaN层，MQWs层和波导n-GaN层采用方形结构，p-电极在p-GaN层的边角位置，采用一定大小的实心结构，n-电极在n-GaN上并处于p-电极位置斜对的位置，采用一定大小的实心结构。所述的硅衬底层，AlGaN缓冲层和n-GaN层背面中心进行刻蚀和减薄成悬空区，悬空区的硅衬底层、AlGaN全部刻蚀掉，n-GaN层厚度为20~500nm。所述p-GaN层厚度为20~500nm；所述MQWs层包括InGaN/GaN成对组成的多层量子阱有源层。一种硅基悬空光子晶体面发射型蓝光激光器的制备方法，包括以下步骤：步骤（1）：在GaN表面进行电子束光刻，形成光子晶体掩膜结构；步骤（2）：进行干法刻蚀设定深度的GaN，形成孔洞结构，并去除电子束光刻的电子束胶；步骤（3）：采用光刻及liftoff工艺，在p-GaN表面设定区域进行p电极的制备；步骤（4）：采用光刻及Ⅲ-Ⅴ族刻蚀工艺，由上到下将特定区域刻蚀至n-GaN层；步骤（5）：采用光刻及liftoff工艺在n-GaN表面设定区域进行n电极的制备；步骤（6）：进行p-GaN表面甩胶保护，硅衬底层底面光刻，与p-GaN表面对准，定义出圆形孔的悬空区；步骤（7）：采用硅衬底湿法或干法刻蚀；步骤（8）：硅衬底层底面进行Ⅲ-Ⅴ族刻蚀，减薄形成一定厚度悬空区；步骤（9）：清洁表面，去除所有的胶。工作原理如下：当有源层(MQWs层)发出的光频率满足光子晶体的边缘带隙条件时，该波长在光子晶体面内谐振产生驻波，该驻波在该面内的谐振会与有源层产生交互，进而形成增益，粒子数反转，从而产生激光，同时由于光子晶体的一阶布拉格衍射实现对激光的面外垂直发射。有益效果：1.本专利技术采用背面释放衬底并对Ⅲ-Ⅴ族进行可控减薄的悬空结构，可以实现光场模式分布的调节及控制，从而优化得到在GaN表面光子晶体的高效耦合强度和在有源层的高耦合强度，利于低阈值激光器的实现。2.本专利技术采用在GaN表面刻蚀形成光子晶体或在GaN表面生长制备光子晶体，方法工艺更加简便；同时未对有源层带来破坏，可以应用于电泵浦激光。3.本专利技术实现了硅为衬底的光子晶体面发射型蓝光激光器，及悬空特质的蓝光激光器。附图说明图1是本专利技术结构侧视图；图2是本专利技术另一种结构侧视图。具体实施方式下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。如图1所示，一种硅基悬空光子晶体面发射型蓝光激光器，包括硅衬底层；AlGaN缓冲层，位于硅衬底层之上；n-GaN层，位于AlGaN缓冲层之上；MQWs层，位于波导n-GaN层之上；p-GaN层，位于波导MQWs层之上；光子晶体层，位于p-GaN层之上；n-电极，n-电极在波导n-GaN层的表面；p-电极，p-电极在p-GaN层的表面。所述p-GaN表面生长的光子晶体层为完全刻蚀透的，厚度为10~250nm，材料为氮化硅或二氧化钛或氧化硅；p-GaN刻蚀成光子晶体的刻蚀深度为10~500nm；光子晶体的晶格为正方晶格或三角晶格或蜂窝型晶格，周期为150~250nm，孔半径为10~100nm。所述n-电极和p-电极采用四周环形电极结构、中心实心电极结构和边角电极结构设计。所述的硅衬底层，AlGaN缓冲层和n-GaN层背面中心进行刻蚀和减薄成悬空区，悬空区的硅衬底层、AlGaN全部刻蚀掉，n-GaN层厚度为20~500nm。所述p-GaN层厚度为20~500nm；所述MQWs层包括InGaN/GaN成对组成的多层量子阱有源层。一种硅基悬空光子晶体面发射型蓝光激光器的制备方法，包括以下步骤：步骤（1）：在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅基悬空光子晶体面发射型蓝光激光器，其特征在于，包括/n硅衬底层；/nAlGaN缓冲层，位于硅衬底层之上；/nn-GaN层，位于AlGaN缓冲层之上；/nMQWs层，位于波导n-GaN层之上；/np-GaN层，位于波导MQWs层之上；/n光子晶体层，位于p-GaN层或p-GaN层之上；/nn-电极，n-电极在波导n-GaN层的表面；/np-电极，p-电极在p-GaN层的表面。/n

【技术特征摘要】
1.一种硅基悬空光子晶体面发射型蓝光激光器，其特征在于，包括
硅衬底层；
AlGaN缓冲层，位于硅衬底层之上；
n-GaN层，位于AlGaN缓冲层之上；
MQWs层，位于波导n-GaN层之上；
p-GaN层，位于波导MQWs层之上；
光子晶体层，位于p-GaN层或p-GaN层之上；
n-电极，n-电极在波导n-GaN层的表面；
p-电极，p-电极在p-GaN层的表面。


2.根据权利要求1所述的一种硅基悬空光子晶体面发射型蓝光激光器，其特征在于，所述p-GaN表面生长的光子晶体层为完全刻蚀透的，厚度为10~250nm，材料为氮化硅或二氧化钛或氧化硅；p-GaN刻蚀成光子晶体的刻蚀深度为10~500nm；光子晶体的晶格为正方晶格或三角晶格或蜂窝型晶格，周期为150~250nm，孔半径为10~100nm。


3.根据权利要求1所述的一种硅基悬空光子晶体面发射型蓝光激光器，其特征在于，所述n-电极和p-电极采用四周环形电极结构、中心实心电极结构和边角电极结构设计。


4.根据权利要求1所述的一种硅基悬空光子晶体面发射型蓝光激光器，其特征在于，所述的硅衬底层，AlGaN缓冲层和n-GaN层背面中心进行刻蚀和减薄成悬空区，悬空区的硅衬底层、AlGa...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘启发，徐许，许涵蕾，徐嘉琪，皇甫甜，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32