一种单方向发射的光泵浦氮化镓微激光器及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种单方向发射的光泵浦氮化镓微激光器及其制备方法，以硅基氮化物晶片为载体，包括硅衬底层、设置在硅衬底层上表面一侧边缘的氮化镓平台、与氮化镓平台连接的氮化镓悬臂梁、与氮化镓悬臂梁连接的非对称薄膜微腔结构，非对称薄膜微腔结构下方设置有贯穿硅衬底层的空腔，使得非对称薄膜微腔结构和氮化镓悬臂梁完全悬空。该方法首先利用在硅衬底上的氮化镓材料，利用电子束刻蚀工艺和深硅刻蚀工艺制备悬臂梁支撑的非对称氮化镓悬空薄膜微腔，在合适的光泵浦条件下，获得单方向发射的回音壁模紫外激光。
【专利说明】一种单方向发射的光泵浦氮化镓微激光器及其制备方法
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明属于激光【技术领域】，涉及一种单方向发射的光泵浦氮化镓微激光器及其制备方法。
[0003]【背景技术】
[0004]氮化镓紫外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。鉴于此，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激光则为人们提供了一条获得高品质激光的途径。氮化镓微米棒、碟等单晶结构单元有较高的折射率且表面光滑，这保证了全内反射光学增益回路的有效形成，从而大大降低了光学散射与透射带来的损耗。氮化镓微米棒、微米管和微米碟单晶作为天然的回音壁微腔，可以获得从六个棱角向外发射的高Q低阈值的回音壁激光，但是这种氮化镓单晶回音壁激光器作为光通信器件或者集成光学器件而言还不够优秀，因为它的激光发射方向太多，而且不容易和其它的光电子器件进行对接。
[0005]综上所述，为了获得单方向性发射的高增益低损耗的氮化镓回音壁紫外激光， 申请人:利用先进的微纳加工技术，设计并制备非对称氮化镓悬空薄膜微腔。非对称氮化镓悬空薄膜微腔由单根悬臂 梁支撑，微腔的横截面是独特的非对称形状:圆形+ “锥角”和圆环+ “锥角”。“锥角”是圆的切线和一条弧线在圆的外侧相交形成的锐角部分。该结构具有以下两个优势:第一，“悬空”氮化镓薄膜微腔上下表面被低折射率的空气所包裹，光线在高折射率半导体和它周围低折射率空气的微腔界面处的全内反射以回音壁形式传导，垂直方向的光学模也受到强烈限制，这种回音壁传导作用和光学限制极大地降低了光学散射和透射带来的光学损耗，可产生维持激射作用的足够大的光增益。第二，微腔的横截面设计为圆形+ “锥角”或者圆环+ “锥角”的形状。圆形和圆环具有极高的光学增益和极小的光学损耗，能够形成闭合的激光谐振，而光在曲率较高的“锥角”区域不满足全反射条件，可将回音壁微腔中的激光单方向性地导出。
[0006]
【发明内容】
[0007]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回音壁模激光的单方性发射的光泵浦氮化镓微激光器，同时提供了一种工艺性好、加工精度高的制备上述单方性发射的光泵浦氮化镓微激光器的方法。 技术方案:本发明的单方向发射的光泵浦氮化镓微激光器，以硅基氮化物晶片为载体，包括硅衬底层、设置在硅衬底层上表面一侧边缘的氮化镓平台、与氮化镓平台连接的氮化镓悬臂梁、与氮化镓悬臂梁连接的非对称薄膜微腔结构，非对称薄膜微腔结构下方设置有贯穿硅衬底层的空腔，使得非对称薄膜微腔结构和氮化镓悬臂梁完全悬空；其中的非对称薄膜微腔结构由氮化镓构成，包括圆形或圆环形的本体、设置在本体周向外侧的突出锥角，突出锥角由本体圆周切线、本体圆周上弧线和本体外的弧线围成，本体外的弧线与本体圆周相交的夹角为锐角。
[0008]本发明的制备上述单方向发射的光泵浦氮化镓微激光器的方法，包括以下步骤: 第一步:在硅基氮化镓晶片的氮化镓层上表面旋涂光刻胶，然后采用光学光刻技术在
旋涂的光刻胶层上定义上述非对称薄膜微腔结构和悬臂梁；
第二步:采用刻蚀技术向下刻蚀，直至硅衬底层的上表面，从而将第一步中定义出的非对称薄膜微腔结构和悬臂梁转移至硅基氮化镓晶片的氮化镓层，最后去除残余的光刻胶；第三步:在晶片上下表面分别旋涂光刻胶，然后采用光学光刻技术在硅衬底层下表面的光刻胶层中定义出空腔区域的刻蚀窗口；
第四步，采用深硅刻蚀技术，通过刻蚀窗口从下往上刻蚀硅衬底层，直至氮化镓层的下表面，在硅衬底层中形成一个空腔，使非对称薄膜微腔结构和悬臂梁悬空。
[0009]有益效果:与现有技术相比，本发明具有以下优点:
本发明中制备的单方向发射的光泵浦氮化镓微激光器，具有独特的非对称微腔横截面是圆形+ “锥角”或圆环+ “锥角”的形状，与目前的螺旋形微腔比较，螺旋形微腔中的激光回路不是闭合的，而圆形和圆环中的激光可以形成闭合的激光回路，有极高的光学增益和极低的损耗，“锥角”可以使回音壁激光从微腔单向性发射，有利于与光电子器件集成。
[0010]本发明采用单根悬臂梁支撑的悬空薄膜微腔，悬空薄膜微腔的上下面表面裸露在空气介质中，光在微腔界面处会发生全内反射以回音壁形式传递，且垂直方向的光学模式也收到强烈限制，极大地降低了光学损耗，可以获得高品质因子低阈值的回音壁模激光。
[0011]本发明的光泵浦氮化镓微激光器中，激光输出波长通过调节薄膜微腔的直径得到调控。
[0012]本发明为利用干法刻蚀工艺制备的由悬臂梁支撑的非对称薄膜微腔与传统的通过湿法刻蚀形成的由柱子支撑的悬空微盘的工艺相比，微盘的尺寸大小控制和表面的光滑程度都得到了极大的改善和提高。
[0013]
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1圆形+尖角的非对称薄膜微腔的截面示意图。
[0015]图2圆环+尖角的非对称薄膜微腔的截面示意图。
[0016]图3单方向发射的光泵浦氮化镓微激光器的侧视图 图4单方向发射的光泵浦氮化镓微激光器的俯视图。
[0017]图5单方向发射的光泵浦氮化镓微激光器的工艺流程图。
[0018]图中有:娃基衬底I，氣化嫁2。
[0019]【具体实施方式】
[0020]下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0021]以制备单方向发射的光泵浦氮化镓微激光器，直径为10微米为例)
第一步:将购买的商用硅衬底氮化镓晶片，经丙酮、无水乙醇和去离子水依次超声清洗后，用氮气吹干；使用匀胶机在晶片正面(氮化镓层2上表面)以4000转/分钟的转速旋涂光刻胶AZ5214，旋涂时间为40秒(光刻胶厚度为1.5微米);此处采用的硅基氮化物晶片结构只有硅衬底层I和氮化镓层2。
采用光学光刻技术，在在旋涂的光刻胶层上定义出非对称薄膜微腔和悬臂梁的图形结构，光刻机型号为MA6。
[0022]第二步:采用II1-V族材料电感耦合等离子体刻蚀技术，将第一步定义出的非对称薄膜微腔和悬臂梁转移至晶片的氮化镓层2，具体做法为:使用ICP180刻蚀机，刻蚀深度4微米，使硅衬底I暴露出来，Cl2流量为lOsccm，BCl3流量为25sccm，上电极功率(forward)300w，下电极功率(RF) IOOw ;将晶片放入丙酮溶液去除光刻胶；
第三步:使用匀胶机在晶片正面(氮化镓层2的上表面)以1000转/分钟的转速旋涂光刻胶AZ4620，旋涂时间为40秒，以保护加工完成的微腔和悬臂梁结构。(光刻胶厚度为16微米):使用匀胶机在晶片背面(硅衬底层I的下表面)以1000转/分钟的转速旋涂光刻胶AZ4620，旋涂时间为40秒。(光刻胶厚度为16微米)
第四步，采用光学光刻技术，在晶片背面(硅衬底层I的下表面)套刻对准晶片正面(氮化镓面2)的微腔和悬臂梁结构的区域，并在此区域定义出空腔区域的刻蚀窗口，刻蚀窗口采用圆孔图形(圆孔直径为15微米)；
采用深硅刻蚀技术从背后剥离圆孔图形内部的硅衬底层1，在微腔和悬臂梁结构所在区域获得自支撑氮化镓薄膜结构。使用STS HRM深硅刻蚀系统，刻蚀深度200微米，利用Bosch工艺，刻蚀气体为SF6，钝化保护气体为C4F8。
[0023]应理解上述实施例仅用于说明本发明技术方案的【具体实施方式】，而不用于限制本发明的范围。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改和替换均落于本申请权利要求所限定的保护范围。
【权利要求】
1.一种单方向发射的光泵浦氮化镓微激光器，其特征在于，该器件以硅基氮化物晶片为载体，包括硅衬底层(I)、设置在所述硅衬底层(I)上表面一侧边缘的氮化镓平台、与所述氮化镓平台连接的氮化镓悬臂梁、与所述氮化镓悬臂梁连接的非对称薄膜微腔结构，所述非对称薄膜微腔结构下方设置有贯穿硅衬底层(I)的空腔，使得非对称薄膜微腔结构和氮化镓悬臂梁完全悬空； 所述非对称薄膜微腔结构由氮化镓构成，包括圆形或圆环形的本体、设置在所述本体周向外侧的突出锥角，所述突出锥角由本体圆周切线、本体圆周上弧线和本体外的弧线围成，所述本体外的弧线与本体圆周相交的夹角为锐角。
2.—种制备权利要求1所述单方向发射的光泵浦氮化镓微激光器的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: 第一步:在硅基氮化镓晶片的氮化镓层(2)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如权利要求1所述的非对称薄膜微腔结构和悬臂梁； 第二步:采用刻蚀技术向下刻蚀，直至硅衬底层(I)的上表面，从而将所述第一步中定义出的非对称薄膜微腔结构和悬臂梁转移至硅基氮化镓晶片的氮化镓层(2)中，最后去除残余的光刻胶； 第三步:在硅基氮化镓晶片上下表面分别旋涂光刻胶，然后采用光学光刻技术在硅衬底层(I)下表面的光刻胶层中定义出空腔区域的刻蚀窗口 ； 第四步，采用深硅刻蚀技术，通过所述刻蚀窗口从下往上刻蚀硅衬底层(I )，直至氮化镓层(2)的下表面，在硅衬底层(I)中形成一个空腔，使非对称薄膜微腔结构和悬臂梁悬空。
【文档编号】H01S5/343GK104009394SQ201410179543
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年4月30日 优先权日:2014年4月30日
【发明者】朱刚毅, 王永进, 李欣, 施政 申请人:南京邮电大学