阅读说明：本技术 等离激元回音壁光泵激光器及其制备方法 (Plasmon echo wall optical pump laser and preparation method thereof ) 是由 赵丽霞 林杉 胡天贵 李晓东 于 2020-07-23 设计创作，主要内容包括：一种等离激元回音壁光泵激光器及其制备方法,所述等离激元回音壁光泵激光器包括：衬底；缓冲层,位于所述衬底上；回音壁谐振腔,位于所述缓冲层上；由下至上依次包括：底部多孔DBR层、n型掺杂GaN层、有源层、电子阻挡层、p型掺杂GaN层；金属颗粒层,形成于所述回音壁谐振腔的侧壁上,用于产生等离激元。本发明采用底部多孔DBR层反射镜对回音壁谐振腔的光场有很好的垂直方向的限制作用,因而该发明制备的回音壁光泵激光器阈值功率密度较低；此外,包裹在回音壁谐振腔侧壁的金属颗粒会产生等离激元将回音壁模式的光场更好的限制在谐振腔中,进一步降低了阈值功率密度,本发明有助于实现小尺寸低阈值激光器。(A plasmon echo wall optical pump laser and a preparation method thereof are provided, the plasmon echo wall optical pump laser comprises: a substrate; a buffer layer on the substrate; the echo wall resonant cavity is positioned on the buffer layer; from bottom to top include in proper order: the GaN-based LED comprises a bottom porous DBR layer, an n-type doped GaN layer, an active layer, an electron blocking layer and a p-type doped GaN layer; and the metal particle layer is formed on the side wall of the echo wall resonant cavity and is used for generating plasmons. The invention adopts the bottom porous DBR layer reflector to have good limiting effect in the vertical direction on the optical field of the echo wall resonant cavity, so that the threshold power density of the echo wall optical pump laser prepared by the invention is lower; in addition, the metal particles wrapped on the side wall of the echo wall resonant cavity can generate plasmons to better limit the optical field of the echo wall mode in the resonant cavity, so that the threshold power density is further reduced, and the invention is beneficial to realizing a small-size low-threshold laser.)

等离激元回音壁光泵激光器及其制备方法

技术领域

本发明涉及激光光源领域，尤其涉及一种等离激元回音壁光泵激光器及其制备方法。

背景技术

由于高速、大容量信息传递处理的特点，集成光电子吸引了产业界和学界广泛的关注。对于光电子集成技术而言，片上集成的激光器可以为光系统提供高效光源以保证信号的正常传输，为了满足光电集成高集成度、低功耗的要求，需要一种小尺寸、低功耗的片上光源。回音壁激光器以其小体积、低阈值、高品质因子、低功耗、制备简单的优势成为一种理想的光源。

目前，GaN基回音壁激光器距离成为片上集成光源还有很多问题需要解决，如何降低激射阈值是其中最为重要的课题之一。由于激射阈值与激光器本身器件结构对有源区光场的限制能力直接相关，因而优化设计低折射率的包层提高其光场限制作用有助于低阈值光泵甚至电泵GaN基回音壁激光器的实现。目前，GaN基回音壁激光器的下包层主要采用AlGaN或空气隙，然而，对于前一种方案而言，由于GaN与AlN存在2.4％的晶格失配，外延难度比较大，且在高Al组分下，该问题更为严重。对于采用空气隙的回音壁激光器，需要先在有源区下方额外设计InGaN超晶格，超晶格的设计需兼顾腐蚀与外延带来的应力作用，这增加了外延难度。其次，连接微盘与衬底的支撑材料与微盘的接触面积十分小，电学和热学接触差。

除了对下包层的优化，结合表面等离激元进一步提高光场的限制作用，成为了低阈值GaN基回音壁激光器的另一个关注热点。通过在回音壁谐振腔侧壁修饰微纳结构金属，借助其产生的等离激元可使回音壁模式更好的被限制在谐振腔内，以实现更低阈值的泵浦。然而，目前相关研究主要针对铺设在金属薄膜或金属颗粒上的单根纳米线，或是侧壁修饰单根金属棒的微盘谐振腔。这些仅仅用于基础研究，后续很难被转化成电学器件。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种等离激元回音壁光泵激光器及其制备方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题的至少之一。

为达到上述目的，本发明技术方案包括：

作为本发明的一个方面，提供一种等离激元回音壁光泵激光器，包括：

衬底；

缓冲层，位于所述衬底上；

回音壁谐振腔，位于所述缓冲层上；由下至上依次包括：

底部多孔DBR层，位于所述缓冲层上；

n型掺杂GaN层，位于所述底部多孔DBR层上；

有源层，位于所述n型掺杂GaN层上；

电子阻挡层，位于所述有源层上；

p型掺杂GaN层，位于所述电子阻挡层上；

金属颗粒层，形成于所述回音壁谐振腔的侧壁上，用于产生等离激元。

作为本发明的另一个方面，还提供一种等离激元回音壁光泵激光器的制备方法，包括如下步骤：

在衬底上依次外延生长缓冲层、交替堆叠的轻重掺杂层、n型掺杂GaN层、有源层、电子阻挡层、p型掺杂GaN层；

采用电化学腐蚀的方法对交替堆叠的轻重掺杂层进行横向腐蚀，形成底部多孔DBR层；

在p型掺杂GaN层上制作金属掩膜版；

以掩膜版为掩膜，采用等离子增强刻蚀技术向下依次刻蚀p型掺杂GaN层、电子阻挡层、有源层、n型掺杂层、底部多孔DBR层直至缓冲层；

去除金属掩膜版，得到回音壁谐振腔；

在回音壁谐振腔侧壁上形成图案化的金属薄膜；

热退火，将所述金属薄膜转化为金属颗粒，产生等离激元，完成等离激元回音壁光泵激光器的制备。

基于上述技术方案，本发明相较于现有技术至少具有以下有益效果的其中之一或其中一部分：

(1)与大多数GaN基回音壁激光器不同，本发明采用的底部多孔DBR层反射镜对回音壁谐振腔的光场有很好的垂直方向的限制作用，因而本发明制备的回音壁激光器阈值功率密度较低；此外，包裹在回音壁谐振腔侧壁的金属颗粒会产生等离激元将回音壁模式的光场更好的限制在谐振腔中，进一步降低了阈值功率密度，本发明有助于实现小尺寸低阈值激光器；

(2)本发明多孔GaN-DBR通过调控氮化镓不同外延周期的掺杂浓度，再利用电化学的方法对重掺杂区域进行选择性腐蚀，从而形成横向多孔GaN，导致折射率的改变；这样和未腐蚀的轻掺杂GaN层形成较大的折射率差，从而获得周期性多孔GaN-DBR结构的底部多孔DBR层，实现高品质因子GaN基回音壁谐振腔。

附图说明

图1为本发明实施例的等离激元回音壁光泵激光器结构示意图；

图2为本发明实施例的等离激元回音壁光泵激光器的制备方法流程图；

图3为本发明实施例的回音壁谐振腔为圆柱结构的等离激元回音壁光泵激光器的俯视图；

图4为本发明实施例的回音壁谐振腔为圆环柱结构的等离激元回音壁光泵激光器的俯视图。

上述附图中，附图标记含义如下：

1、衬底；2、缓冲层；2’、凸起部分；3、底部多孔DBR层；4、n型掺杂GaN层；5、有源层；6、电子阻挡层；7、p型掺杂GaN层；8、金属颗粒层。

具体实施方式

本发明的目的在于，提供一种有利于光电子集成的低阈值等离激元回音壁光泵激光器，同时提供了制备上述器件的制备方法，本发明通过横向电化学腐蚀将重掺杂轻掺杂周期性结构转变为多孔层与非多孔层交替堆叠的DBR结构，实现增强的光场限制作用，此外利用谐振腔侧壁金属颗粒产生的等离激元进一步增强光场在回音壁谐振腔的限制作用，降低激光器泵浦阈值。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

作为本发明的一个方面，提供一种等离激元回音壁光泵激光器，包括：

衬底；

缓冲层，位于衬底上；

回音壁谐振腔，位于缓冲层上；由下至上依次包括：

底部多孔DBR层，位于缓冲层上；

n型掺杂GaN层，位于底部多孔DBR层上；

有源层，位于n型掺杂GaN层上；

电子阻挡层，位于有源层上；

p型掺杂GaN层，位于电子阻挡层上；

金属颗粒层，形成于回音壁谐振腔的侧壁上，用于产生等离激元。

在本发明的实施例中，激光器还包括电流扩展层，电流扩展层位于缓冲层与底部多孔DBR层之间；

电流扩展层的材质为n型GaN。

在本发明的实施例中，底部多孔DBR层包括交替堆叠生长的多孔层和非多孔层；其中，

底部多孔DBR层的交替堆叠生长周期为5～20；

多孔层的材质为重型掺杂的氮化物材料；

非多孔层的材质为轻型掺杂的氮化物材料。

在本发明的实施例中，氮化物材料包括GaN、AlGaN或者其组合。

在本发明的实施例中，衬底的材料包括蓝宝石、硅、氮化镓或碳化硅；

金属颗粒层的材料包括Ag、Al或Au。

在本发明的实施例中，缓冲层包括GaN形核层和非故意掺杂GaN层；缓冲层采用以下方法形成：以纯氨气作为氮源，三甲基镓或三乙基镓作为Ga源，先生长GaN形核层，再生长非故意掺杂GaN层。

在本发明的实施例中，回音壁谐振腔为圆柱或者圆环柱结构。

在本发明的实施例中，缓冲层为台面结构，包括上台面和下台面；

上台面为圆柱或者圆环柱结构。

作为本发明的另一个方面，还提供一种等离激元回音壁光泵激光器的制备方法，包括如下步骤：

在衬底上依次外延生长缓冲层、交替堆叠的轻重掺杂层、n型掺杂GaN层、有源层、电子阻挡层、p型掺杂GaN层；

采用电化学腐蚀的方法对交替堆叠的轻重掺杂层进行横向腐蚀，形成底部多孔DBR层；

在p型掺杂GaN层上制作金属掩膜版；

以掩膜版为掩膜，采用等离子增强刻蚀技术向下依次刻蚀p型掺杂GaN层、电子阻挡层、有源层、n型掺杂层、底部多孔DBR层直至缓冲层；

去除金属掩膜版，得到回音壁谐振腔；

在回音壁谐振腔侧壁上形成图案化的金属薄膜；

热退火，将金属薄膜转化为金属颗粒层，产生等离激元，完成等离激元回音壁光泵激光器的制备。

在本发明的实施例中，金属薄膜的厚度为3～40nm。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明，但需要注意的是，下述的实施例仅用于说明本发明的技术方案，但本发明并不限于此。

请参阅图1，本发明提供一种等离激元回音壁光泵激光器，包括：

一衬底1，为平面或图形衬底，该衬底1的材料为蓝宝石、硅、氮化镓或碳化硅；

一缓冲层2，位于衬底1的上表面，该缓冲层2由低温GaN形核层和非故意掺杂GaN层构成，以高纯纯氨气作为氮源，三甲基镓或三乙基镓作为Ga源，先低温(400～750℃)生长GaN形核层，再高温(750～1000℃)生长非故意掺杂GaN层。缓冲层2的***向下刻蚀形成有圆柱或圆环柱台面，台面的深度小于缓冲层2的厚度，缓冲层2中间为凸起部分2’(即上台面)；

一底部多孔DBR层3，位于缓冲层2的凸起部分2’上，底部多孔DBR层3的材料为GaN、AlGaN，或其氮化物材料组合的多孔层和非多孔层交替堆叠构成的多周期DBR；

其中，底部多孔DBR层3通过电化学腐蚀交替堆叠的轻重掺杂层获得，其中重掺杂层的典型掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3，轻掺杂层的典型浓度5×10¹⁶cm^-3，底部多孔DBR层3的周期数为5～20；

底部多孔DBR层3和缓冲层2之间还生长有一层n型GaN层，作为专用于电化学腐蚀形成底部多孔DBR层3的电流扩展层；

一n型掺杂GaN层4，掺杂剂为硅烷，典型掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3，位于底部多孔DBR层3的上表面；

一有源层5，其制作在n型掺杂GaN层4的上表面，该有源层5为InGaN/GaN多量子阱结构；

一电子阻挡层6，位于有源层5的上表面，该电子阻挡层6为A1GaN材料，可进行p型掺杂，掺杂剂为二茂镁；

一p型掺杂GaN层7，位于电子阻挡层6的上表面；

一金属颗粒层8，包覆在回音壁谐振腔的侧壁，其中回音壁谐振腔结构从上至下依次为p型掺杂GaN层7、电子阻挡层6、有源层5、n型掺杂GaN层4和底部多孔DBR层3。

请参阅图2，并结合图1、图3和图4，本发明提供一种等离激元回音壁光泵激光器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在一衬底1上依次生长缓冲层2、交替堆叠的轻重掺杂层、n型掺杂GaN层4、有源层5、电子阻挡层6和p型掺杂GaN层7；

其中衬底1的材料为蓝宝石、硅、氮化镓或碳化硅，交替堆叠的轻重掺杂层和缓冲层2之间还生长有一层n型GaN层，作为专用于电化学腐蚀形成多孔DBR的电流扩展层；

步骤2：采用电化学腐蚀的方法对交替堆叠的轻重掺杂层进行横向腐蚀，将其转变为多孔层和非多孔层交替堆叠的底部多孔DBR层3；底部多孔DBR层3的材料为氮化物多孔层和非多孔层交替堆叠构成的多周期DBR，其构成材料为GaN、AlGaN，或以上材料的组合材料；

步骤3：在步骤2得到的多孔化GaN晶片表面旋涂光刻胶，光刻胶为负性光刻胶，然后采用光刻技术在旋涂的光刻胶层上定义上圆形或环形图案，再利用电子束蒸镀的技术在旋涂有光刻胶的晶片上蒸镀金属镍，随后将蓝膜贴敷在金属上，利用蓝膜与金属的粘附力，剥去不需要的金属，形成金属镍的圆盘或圆环，最后去除残留的光刻胶；

步骤4：采用等离子增强刻蚀的技术，以步骤3制备的金属图形为硬质掩膜刻蚀步骤2得到的多孔化外延晶片，从上至下依次刻蚀包含p型掺杂GaN层7、电子阻挡层6、有源层5、n型掺杂层4、底部多孔DBR层3直至缓冲层2，其中缓冲层2的刻蚀深度小于缓冲层2的厚度。刻蚀完成后，步骤3中定义出的图形转移至衬底1以上的其它层中。

步骤5：将蓝膜贴敷在步骤4得到的晶片蒸镀有金属的一面，用力撕去蓝膜，除定义的图形外的多余金属大部分被剥离掉，使用去膜剂去除多余光刻胶，最终得到GaN基回音壁谐振腔，p型掺杂GaN层7和缓冲层2暴露在空气中，俯视图呈圆盘图案，参照图片3；或俯视图呈圆环图案，参照图4。

步骤6：在步骤5得到的晶片表面旋涂光刻胶，然后采用光刻技术在旋涂的光刻胶层上定义上环形图案，该环形图案需要覆盖住步骤5圆盘或圆环的边缘，然后在光刻胶上蒸镀金属薄膜，金属可为Ag、Au或Al，利用蓝膜剥去金属，形成金属圆盘或圆环，最后去除残留的光刻胶；

步骤7：对步骤6得到的晶片进行快速热退火，将覆盖的金属薄膜转化为金属颗粒层8，其中退火温度在300～600℃。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。