一种光泵浦一维光子晶体微纳激光器及其制备方法与流程

本发明属于半导体光电子材料及器件，涉及一种光泵浦一维光子晶体微纳激光器及其制备方法，尤其涉及一种基于si衬底的光泵浦一维光子晶体激光器及其制备方法。

背景技术：

1、在摩尔定律的推动下，历经几十年的发展，电子芯片性能不断提高，同时也逐渐遇到了发展瓶颈，尤其是面对当今大数据信息时代的巨大压力下，急需高带宽，高处理速度，低功耗的芯片。硅光芯片由于其与cmos（complementary metal oxide semiconductor，互补金属氧化物半导体）工艺相兼容、高调制速率、功耗低及可集成度高等优势，将在人工智能，大数据，物联网，数据中心等领域发挥巨大的作用。

2、作为硅光芯片中最重要的一类组件，激光器将限制硅光芯片的整体性能。目前，硅光集成激光器的主要类型包含分布式反馈激光器、波导型激光器等大尺寸激光器，以及盘型激光器、纳米线激光器及光子晶体激光器等微纳尺寸激光器。相比与大尺寸激光器，微纳激光器具备可高密度集成、高调制带宽、低功耗等优势而被广泛关注。其中，光子晶体激光器由于其可调控的光场分布、可调控激射波长、强的光与物质相互作用等优势，有望实现高调制速度、高度集成的硅光芯片。另一方面，相比于使用量子阱材料作为激光器的增益介质，使用量子点作为激光器的增益介质可进一步提高载流子注入效率、降低激光器的激射阈值、提高激光器的工作温度。同时，相比较于量子阱材料，inas量子点材料对于直接在si衬底外延生长三五族导致的大量缺陷更不敏感，因此采用si衬底直接生长inas量子点作为激光器的增益介质可实现室温连续工作。

3、所以，迫切需要发展si衬底的inas量子点一维光子晶体激光器的结构及制备方法为硅光芯片提供可高密度集成、可高调制速度的微纳光源。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种光泵浦一维光子晶体微纳激光器及其制备方法，其利用分子束外延法在硅衬底上生长高质量的inas量子点作为激光器的增益材料层，通过电子束光刻和等离子体刻蚀技术，在所述增益材料层中刻蚀一维光子晶体缺陷结构，进而获得光泵浦一维光子晶体微纳激光器，为后期发展高调制速率、低功耗、集成度高的硅光芯片技术奠定了基础。

2、本发明提供的一种光泵浦一维光子晶体微纳激光器制备方法，所述方法包括以下步骤：

3、s1、将硅衬底送入分子束外延生长室中，利用分子束外延法在硅衬底上生长一层三五族缓冲层，并在三五族缓冲层上再生长一层由应力超晶格组成的缺陷抑制层；

4、s2、在应力超晶格组成的缺陷抑制层上生长一层alxga1-xas牺牲层，并在所述牺牲层上生长inas量子点有源区作为增益材料层；

5、s3、基于电子束曝光技术和等离子体刻蚀技术，在所述增益材料层上刻蚀一维光子晶体缺陷结构，进而得到光泵浦一维光子晶体微纳激光器，具体为：

6、s31、利用等离子体增强化学气相沉积在增益材料层上生长一层厚度为100 - 200nm的sio2作为掩摸层；

7、s32、在sio2掩摸层上旋涂电子胶，并利用电子束曝光技术及显影在电子胶上形成一维光子晶体缺陷结构；

8、s33、基于等离子体刻蚀技术将一维光子晶体缺陷结构转移到所述sio2掩摸层上，然后去除sio2掩摸层上的电子胶；

9、s34、利用等离子刻蚀技术刻蚀所述增益材料层直至牺牲层，然后通过湿法刻蚀技术去除sio2掩摸层和牺牲层，进而得到由周期性排列的椭圆空气孔组成的一维光子晶体缺陷结构。

10、优选地，所述步骤s1具体为：首先将将硅衬底送入分子束外延生长室中，然后基于分子束外延法并以0.1-1原子层每秒的速度在300-600 ℃ 的温度条件下生长一层厚度为0.5–2微米的三五族缓冲层，再以0.5-1原子层每秒的速度在300-600 ℃ 的温度条件下在三五族缓冲层上生长一层厚度为0.5–1.5 微米的由inyga1-yas/gaas应力超晶格组成的缺陷抑制层,其中y为15%-25%。

11、优选地，所述步骤s2具体为：首先，在应力超晶格组成的缺陷抑制层上以0.1-1.5原子层每秒的速度并基于400-650 ℃温度范围内生长一层厚度为0.5 –2微米的alxga1-xas牺牲层，其中x为0-100%；然后在所述牺牲层上生长inas量子点有源区作为增益材料层，其中，inas量子点有源区由上下各一层的生长速率为0.1-1.5原子层每秒的inyga1-yas缺陷抑制层包裹，所述缺陷抑制层的厚度为20–200nm，生长温度为500-650 ℃，y为15%-25%，inas量子点在gaas材料上以450-550℃温度范围和0.05-0.2原子层每秒的生长速度生长一层厚度为1.6-3.2 原子层的inas材料。

12、优选地，所述增益材料层为1-8层inas量子点，每一层inas量子点中间均包括预设第一厚度的gaas间隔层，且最外一层inas量子点的上下均生长有预设第二厚度的al0.4ga0.6as层。

13、优选地，所述牺牲层为al0.8ga0.2as牺牲层，其厚度为1000-1500nm。

14、优选地，所述一维光子晶体缺陷结构由周期性排列的椭圆空气孔组成。

15、优选地，所述预设第一厚度为30-100nm，预设第二厚度为30-50nm。

16、本发明还提供了一种光泵浦一维光子晶体微纳激光器，所述激光器采用上述所述的光泵浦一维光子晶体微纳激光器制备方法进行制备，其包括硅衬底、应力超晶格组成的缺陷抑制层及三五族缓冲层、牺牲层和增益材料层，所述硅衬底上基于分子束外延法生长三五族缓冲层及由应力超晶格组成的缺陷抑制层用于降低缺陷密度，由应力超晶格组成的缺陷抑制层及三五族缓冲层上生长有一层牺牲层，牺牲层上生长有增益材料层，其中：

17、所述增益材料层上基于电子束曝光和等离子体刻蚀技术刻蚀有一维光子晶体缺陷结构，所述一维光子晶体缺陷结构由周期性排列的椭圆空气孔组成，增益材料层具体包括1-8层inas量子点，每一层inas量子点均生长在ingaas量子阱中，且每一层inas量子点中间均设有预设第一厚度的gaas间隔层，最外一层inas量子点的上下均生长有预设第二厚度的al0.4ga0.6as层，进而在光泵浦的条件下实现激光激射。

18、与现有技术相比，本发明提出了一种光泵浦一维光子晶体微纳激光器及其制备方法，所述方法首先利用分子束外延法在硅衬底上生长高质量的inas量子点作为激光器的增益材料层，并通过电子束曝光和等离子体刻蚀技术，在增益材料层中刻蚀一维光子晶体结构，得到一维光子晶体微纳激光器，进而为后期发展高调制速率、低功耗、集成度高的硅光芯片技术奠定了基础。

技术特征：

1.一种光泵浦一维光子晶体微纳激光器制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的光泵浦一维光子晶体微纳激光器制备方法，其特征在于，所述步骤s1具体为：首先将将硅衬底送入分子束外延生长室中，然后基于分子束外延法并以0.1-1原子层每秒的速度在300-600 ℃ 的温度条件下生长一层厚度为0.5–2微米的三五族缓冲层，再以0.5-1原子层每秒的速度在300-600 ℃ 的温度条件下在三五族缓冲层上生长一层厚度为0.5–1.5 微米的由inyga1-yas/gaas应力超晶格组成的缺陷抑制层,其中y为15%-25%。

3.如权利要求2所述的光泵浦一维光子晶体微纳激光器制备方法，其特征在于，所述步骤s2具体为：首先，在应力超晶格组成的缺陷抑制层上以0.1-1.5原子层每秒的速度并基于400-650 ℃温度范围内生长一层厚度为0.5 –2微米的alxga1-xas牺牲层，其中x为0-100%；然后在所述牺牲层上生长inas量子点有源区作为增益材料层，其中，inas量子点有源区由上下各一层的生长速率为0.1-1.5原子层每秒的inyga1-yas缺陷抑制层包裹，所述缺陷抑制层的厚度为20–200nm，生长温度为500-650 ℃，y为15%-25%，inas量子点在gaas材料上以450-550℃温度范围和0.05-0.2原子层每秒的生长速度生长一层厚度为1.6-3.2 原子层的inas材料。

4.如权利要求3所述的光泵浦一维光子晶体微纳激光器制备方法，其特征在于，所述增益材料层为1-8层inas量子点，每一层inas量子点中间均包括预设第一厚度的gaas间隔层，且最外一层inas量子点的上下均生长有预设第二厚度的al0.4ga0.6as层。

5.如权利要求4所述的光泵浦一维光子晶体微纳激光器制备方法，其特征在于，所述牺牲层为al0.8ga0.2as牺牲层，其厚度为1000-1500nm。

6.如权利要求5所述的光泵浦一维光子晶体微纳激光器制备方法，其特征在于，所述一维光子晶体缺陷结构由周期性排列的椭圆空气孔组成。

7.如权利要求4所述的光泵浦一维光子晶体微纳激光器制备方法，其特征在于，所述预设第一厚度为30-100nm，预设第二厚度为30-50nm。

8.一种光泵浦一维光子晶体微纳激光器，其特征在于，所述激光器采用权利要求1-7任一项所述的光泵浦一维光子晶体微纳激光器制备方法进行制备，其包括硅衬底、应力超晶格组成的缺陷抑制层及三五族缓冲层、牺牲层和增益材料层，所述硅衬底上基于分子束外延法生长三五族缓冲层及由应力超晶格组成的缺陷抑制层用于降低缺陷密度，由应力超晶格组成的缺陷抑制层及三五族缓冲层上生长有一层牺牲层，牺牲层上生长有增益材料层，其中：

技术总结
本发明具体公开了一种光泵浦一维光子晶体微纳激光器及其制备方法，所述方法包括以下步骤：S1、将硅衬底送入分子束外延生长室中以生长一层三五族缓冲层，并在三五族缓冲层上再生长一层由应力超晶格组成的缺陷抑制层；S2、在应力超晶格组成的缺陷抑制层上生长一层Al<subgt;x</subgt;Ga<subgt;1‑x</subgt;As牺牲层，并在所述牺牲层上生长InAs量子点有源区作为增益材料层；S3、基于电子束曝光技术和等离子体刻蚀技术，在所述增益材料层上刻蚀一维光子晶体缺陷结构，进而得到光泵浦一维光子晶体微纳激光器。本发明可以实现在与CMOS工艺兼容的Si衬底上制备微纳尺寸的一维光子晶体激光器，适合于低成本、高密度集成的激光器阵列制备，具有广泛的应用前景。

技术研发人员：杨骏捷,潘淑洁
受保护的技术使用者：湖南汇思光电科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12