GaN基金屬?超薄氧化物?半導體的復合結構納米激光器及其制備方法技術

本發明專利技術公開了一種GaN基金屬?超薄氧化物?半導體的復合結構納米激光器，由基片和InGaN/GaN量子阱納米柱組成，基片結構依次包括：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

【技術實現步驟摘要】
GaN基金屬-超薄氧化物-半導體的復合結構納米激光器及其制備方法
本專利技術專利涉及一種GaN基金屬-超薄氧化物-半導體的復合結構納米激光器及其制備方法，屬于微納光電子與激光器件應用領域。
技術介紹
III族氮化物半導體具有連續可調的寬能隙，在藍綠以及紫外光電子器件中具有相當的優勢。為了提高發光器件的效率和拓展器件的功能，研究者大量的采用低維量子結構，包括量子阱，量子線(納米線)、納米點等結構，同時使得器件能夠在力學、生化、電磁以及光電子等多方面展示優異性能。一維納米線(柱)量子結構因其具有良好的光學限制效應，形成光學微腔，根據費米黃金定則原理可加快輻射復合速率。具有納米尺度的一維InGaN/GaN多量子阱結構相較于平面量子阱結構而言，由于異質外延導致的失配應力能夠很大程度得以釋放，可以生長獲得晶體質量更好的量子阱結構；同時應力的釋放，還能削減壓電極化效應，壓制/消除減量子限制斯塔克斯效應。另外，納米線(柱)由于幾何結構上的各向異性，一維納米柱器件可以產生高線性偏振度的發光。目前，基于一維納米線的發光二極管(LED)，激光器(LD)，太陽能電池，探測器等器件研制和專利技術，受到了學術界和工業界相當的重視。目前，大部分III-V族半導體激光器主要基于法布里-珀羅(Fabry–Pérot)光腔結構，這種結構是依靠兩個高反射的光反射腔面，實現對光的增益而產生激光，因此，光腔的尺寸受限于激光的衍射波長，通常是波長λ/2。近年涌現出一種新型的表面等離激元納米激光器，基于表面等離激元放大實現的受激輻射，它具有超低的激射閾值，超小的光模式體積優勢，有望作為新一代微納級激光器應用于硅基集成電路與光電子器件的光電互聯。2009年，美國加州大學伯克利分校的研究者率先成功制備出基于硫化鎘(CdS)納米線的SPASER激光器，在10K極低溫度下觀察到藍綠光激射現象。中國臺灣清華大學研究者采用分子束外延(MBE)生長出InGaN/GaN核殼結構納米線，制備出的氮化鎵基SPASER激光器能夠在液氮溫度77K工作。但是如果實現大面積、高質量的一維InGaN/GaN納米線陣列，并制備金屬-超薄氧化物-半導體(MUTOS)復合結構一直是個難題，目前在中國尚無相關專利技術專利可查詢和借鑒。中國專利ZL201310256681.3公開了一種利用紫外軟納米壓印技術(UV-NIL)大面積制備高質量InGaN/GaN有序納米柱陣列的方法。本專利技術在上述專利基礎之上，采用PMMA和紫外固化膠雙層膠技術紫外軟壓印制備大面積、低缺陷的InGaN/GaN納米柱，從而實現陣列有序且具有均勻直徑長度的氮化鎵納米陣列，可用于制備MUTOS復合結構納米激光器。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種基于InGaN/GaN納米柱的GaN基金屬-超薄氧化物-半導體的復合結構納米激光器。為達到上述目的，本專利技術采用的技術方案為：一種GaN基金屬-超薄氧化物-半導體的復合結構納米激光器，由基片和InGaN/GaN量子阱納米柱組成，基片結構自下至上依次包括：一SiO2-Si襯底；一蒸鍍在SiO2-Si襯底上的金屬層；一生長在金屬層上的超薄氧化物層；所述InGaN/GaN量子阱納米柱放置于超薄氧化物層表面，其結構自下至上依次包括：一藍寶石襯底層；一生長在襯底層上的n型GaN層；一生長在n型GaN層上的InxGa1-xN/GaN量子阱有源層；一生長在InxGa1-xN/GaN量子阱有源層上的p型AlGaN阻擋層和p型GaN層。進一步的，所述x范圍：0.12≤x≤0.35，量子阱有源層發光波長在430nm至530nm，量子阱的周期數10～15個，p型AlGaN阻擋層和p型GaN層的總厚度為300～500nm。進一步的，所述InGaN/GaN量子阱納米柱為圓柱、橢圓柱或方柱，最大直徑為100～400nm，高度為2.2～2.8μm。進一步的，所述超薄氧化物為SiO2、Al2O3或者HfO2，超薄氧化物層厚度為6～12nm，表面粗糙度<0.1nm。進一步的，所述金屬層的金屬從Ag、Au或Al中選擇，厚度為23～28nm，表面粗糙度<0.1nm。進一步的，所述SiO2-Si襯底由硅片和SiO2層組成，所述SiO2層厚度為200～400nm。本專利技術還提供了上述GaN基金屬-超薄氧化物-半導體的復合結構納米激光器的制備方法，其步驟包括：(1)在InGaN/GaN量子阱外延片上生長一層絕緣層，將PMMA膠和紫外固化膠依次旋涂在絕緣層表面；(2)采用紫外軟納米壓印技術，使用軟模板在紫外固化膠層上形成大面積的有序納米柱陣列；(3)采用反應離子束刻蝕技術，通入CHF3和O2的混合氣體刻蝕紫外固化膠層的殘余部分，然后以紫外固化膠為掩膜，利用RIE技術，通入O2對PMMA層進行刻蝕，將納米柱陣列結構轉移至PMMA層，露出絕緣層；(4)采用電子束蒸發臺在InGaN/GaN量子阱外延片表面蒸鍍金屬膜，將鍍有金屬膜的外延片置于丙酮溶液浸泡，外加超聲剝離，PMMA層剝離得到刻印在p型GaN層表面的大面積有序金屬納米柱陣列；(5)采用電感耦合等離子體刻蝕技術，通入Cl2和Ar的混合氣體，各向異性刻蝕p型GaN層、p型AlGaN阻擋層、InGaN/GaN量子阱有源層、n型GaN層，形成貫穿p型GaN層、p型AlGaN阻擋層、InGaN/GaN量子阱有源層，深至n型GaN層的納米柱陣列，將樣品放置在無機酸或無機堿溶液中水浴去除刻蝕損傷，然后去除殘余的絕緣層；(6)在硅片之上，采用等離子體增強化學汽相沉積法沉積SiO2層，形成SiO2-Si襯底；(7)采用電子束蒸發金屬，在SiO2層表面沉積金屬層，沉積速率<3nm/min；(8)采用等離子體增強化學汽相沉積法或原子層沉積法在金屬層表面生長超薄氧化物層，生長速率<1nm/min；(9)將步驟(5)獲得的納米柱陣列置于有機溶液中，利用超聲震蕩進行機械分離和分散獲得InGaN/GaN量子阱納米柱懸濁液，然后將懸濁液滴加在步驟(8)所制備的基片上，最后將基片上的溶劑通過烘烤蒸干，使納米柱分散的分布在基片之上。進一步的，所述絕緣層為SiO2層或者SiC層。進一步的，所述有機溶液選擇高揮發性的有機溶劑，最常見的選擇為乙醇或者乙二醇。本專利技術利用了紫外軟納米壓印、從上至下刻蝕加工、納米柱陣列轉移多項微納加工技術的工藝，獲得陣列有序且具有均勻直徑長度的氮化鎵納米柱陣列，最終實現能夠在室溫下工作的氮化鎵基藍綠光激光器。制得的納米柱可以為圓柱，橢圓柱，方柱等多種形狀，在MUTOS制備過程中改變橢圓柱長短軸或方柱長短邊與超薄氧化層界面的平行或垂直關系，可實現調控單模或多模激光。該激光器結構具有以下優點：(1)具有很小的光模體積，能夠突破光的衍射極限，實現亞微米尺寸激光器；(2)具有極低的激射閾值，MUTOS激光結構能夠在0.15kW/cm2的光泵下產生激射；(3)能夠對激光的模式進行調控，實現單模和多模激光發射。本專利技術的激光器結構在超高分辨智能顯示，復雜生物成像，硅基集成電路與光電子器件光電互聯方面都有潛在應用價值。附圖說明圖1為實施例1中步驟(1)得到的InGaN/GaN量子阱外延片結構示意圖。圖2為實施例1中步驟(5)得到的InGaN/GaN量子阱納米圓柱陣列示意圖。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種GaN基金屬?超薄氧化物?半導體的復合結構納米激光器，由基片和InGaN/GaN量子阱納米柱組成，基片結構自下至上依次包括：一SiO

【技術特征摘要】
1.一種GaN基金屬-超薄氧化物-半導體的復合結構納米激光器，由基片和InGaN/GaN量子阱納米柱組成，基片結構自下至上依次包括：一SiO2-Si襯底；一蒸鍍在SiO2-Si襯底上的金屬層；一生長在金屬層上的超薄氧化物層；所述InGaN/GaN量子阱納米柱放置于超薄氧化物層表面，其結構依次包括：一藍寶石襯底層；一生長在襯底層上的n型GaN層；一生長在n型GaN層上的InxGa1-xN/GaN量子阱有源層；一生長在InxGa1-xN/GaN量子阱有源層上的p型AlGaN阻擋層和p型GaN層。2.根據權利要求1所述的GaN基金屬-超薄氧化物-半導體的復合結構納米激光器，其特征在于：所述x范圍：0.12≤x≤0.35，量子阱有源層發光波長在430nm至530nm，量子阱的周期數10～15個，p型AlGaN阻擋層和p型GaN層的總厚度為300～500nm。3.根據權利要求1或2所述的GaN基金屬-超薄氧化物-半導體的復合結構納米激光器，其特征在于：所述InGaN/GaN量子阱納米柱為圓柱、橢圓柱或方柱，最大直徑為100～400nm，高度為2.2～2.8μm。4.根據權利要求3所述的GaN基金屬-超薄氧化物-半導體的復合結構納米激光器，其特征在于：所述超薄氧化物為SiO2、Al2O3或者HfO2，超薄氧化物層厚度為6～12nm，表面粗糙度<0.1nm。5.根據權利要求4所述的GaN基金屬-超薄氧化物-半導體的復合結構納米激光器，其特征在于：所述金屬層的金屬從Ag、Au或Al中選擇，厚度為23～28nm，表面粗糙度<0.1nm。6.根據權利要求5所述的GaN基金屬-超薄氧化物-半導體的復合結構納米激光器，其特征在于：所述SiO2-Si襯底由硅片和SiO2層組成，所述SiO2層厚度為200～400nm。7.一種GaN基金屬-超薄氧化物-半導體的復合結構納米激光器的制備方法，其步驟包括：(1)在InGaN/GaN量子阱外延片上...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉斌，陶濤，智婷，張榮，謝自力，陳鵬，陳敦軍，韓平，施毅，鄭有炓，
申請(專利權)人：南京大學，
類型：發明
國別省市：江蘇,32