一种超薄GaN量子阱深紫外激光器制备方法及深紫外激光器与流程

一种超薄gan量子阱深紫外激光器制备方法及深紫外激光器
技术领域
1.本发明属于深紫外激光器技术领域，具体涉及一种超薄gan量子阱深紫外激光器制备方法及深紫外激光器。


背景技术：

2.深紫外激光器具有光子能量高、聚焦能力强、光谱分辨率高等优点，在激光武器、保密通信、生物试剂检测、高密度光学存储、皮肤病学、材料精细加工等军用和民用领域具有广阔的应用前景。其中，半导体深紫外激光器具有体积小、寿命长、易集成、发光波长可调、节能环保等优势，可作为大型有毒气体激光器和低效率固体激光器的替代品，是未来紫外激光器发展的主要趋势，具有巨大的社会和经济价值。
3.目前，半导体深紫外激光器最常用的材料体系是iii族氮化物中的aigan合金。作为一种直接带隙宽禁带半导体材料，aigan合金的禁带宽度可通过改变ai元素的掺入量从3.4ev(gan)到6.2ev(ain)间连续可调，实现365nm-200nm光谱范围内的发光。通常，aigan基半导体深紫外激光器可由mocvd技术外延生长多层不同组分和掺杂的aigan薄膜堆叠构成，包括ain模板、量子阱、波导层、载流子限制层等结构。其中，作为增益区的aigan量子阱可在波导层的限制下实现受激光放大，是深紫外激光器的核心结构。通过提高量子阱的ai组分(ai组分＞0.4)，可以实现其波长从200nm-280nm间的深紫外光发射。
4.然而，aigan量子阱中普遍存在强极化场下的量子限制斯塔克效应，电子和空穴的波函数在极化电场的作用下发生空间分离，难以实现高效率的辐射发光，只有在大幅提升注入载流子的浓度下才能对极化电场产生屏蔽作用，因此会增大激光器的激射阈值。此外，随着发光波长的蓝移，高ai组分的aigan材料的能带结构逐渐从gan向ain转变，其发光偏振模式也从gan的横电模式(te)转变为ain的横磁模式(tm)。通过求解maxwell方程组可以得到，解理面腔镜反射具有很强的偏振选择性，tm模式(ez≠0，ey＝0，ex≠0)下的光的反射率普遍低于te模式(ez＝0，ey≠0，ex＝0)下的光的反射率，即tm模的反射损耗普遍高于te模的反射损耗，这使得tm偏振光难以有效地应用于边发射的深紫外激光器中。


技术实现要素：

5.鉴于上述问题，本发明提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种超薄gan量子阱深紫外激光器制备方法及深紫外激光器。
6.为解决上述技术问题，本发明提供了一种超薄gan量子阱深紫外激光器制备方法，所述方法包括步骤：
7.准备mocvd反应室及蓝宝石衬底；
8.在所述蓝宝石衬底上沉积第一厚度的ain缓冲层；
9.在所述ain缓冲层上生长第二厚度的ain模板；
10.在所述ain模板上形成预设周期的量子阱结构；
11.在所述量子阱结构上生长第三厚度的ain帽层；
12.从所述蓝宝石衬底的背面抛光减薄至预设厚度；
13.在所述蓝宝石衬底上形成隐形凹槽；
14.沿所述隐形凹槽方向在所述蓝宝石衬底上形成光泵蒲激光条。
15.优选地，所述在所述蓝宝石衬底上沉积第一厚度的ain缓冲层包括步骤：
16.设置所述mocvd反应室的温度为750℃；
17.设置所述mocvd反应室的压力为55torr；
18.向所述mocvd反应室内持续通入5.2分钟的氢气、三甲基铝和nh3；
19.在所述蓝宝石衬底上沉积15nm的ain缓冲层。
20.优选地，所述在所述ain缓冲层上生长第二厚度的ain模板包括步骤：
21.设置所述mocvd反应室的温度为1230℃；
22.设置所述mocvd反应室的压力为50torr；
23.向所述mocvd反应室内持续通入70分钟的氢气、三甲基铝和nh3；
24.在所述ain缓冲层上生长3μm厚的ain模板。
25.优选地，所述在所述ain模板上形成预设周期的量子阱结构包括步骤：
26.在所述ain模板上生长第四厚度的ain量子垒；
27.在所述ain量子垒上生长第五厚度的gan量子阱，并返回所述在所述ain模板上生长第四厚度的ain量子垒步骤直至形成预设周期的量子阱结构。
28.优选地，所述在所述ain模板上生长第四厚度的ain量子垒包括步骤：
29.设置所述mocvd反应室的温度为1040℃；
30.设置所述mocvd反应室的压力为50torr；
31.向所述mocvd反应室内持续通入18秒的氢气、三甲基铝和nh3；
32.在所述ain模板上生长1.5nm厚的ain量子垒。
33.优选地，所述在所述ain量子垒上生长第五厚度的gan量子阱包括步骤：
34.设置所述mocvd反应室的温度为1040℃；
35.设置所述mocvd反应室的压力为50torr；
36.向所述mocvd反应室内持续通入5.4秒的氢气、三甲基镓和nh3；
37.在所述ain量子垒上生长1nm厚的gan量子阱。
38.优选地，所述在所述量子阱结构上生长第三厚度的ain帽层包括步骤：
39.设置所述mocvd反应室的温度为1040℃；
40.设置所述mocvd反应室的压力为50torr；
41.向所述mocvd反应室内持续通入1.5分钟的氢气、三甲基铝和nh3；
42.在所述量子阱结构上生长10nm厚的ain帽层。
43.优选地，所述在所述蓝宝石衬底上形成隐形凹槽包括步骤：
44.沿平行于所述蓝宝石衬底的切边面方向对其进行激光划刻形成所述隐形凹槽。
45.优选地，所述沿所述隐形凹槽方向在所述蓝宝石衬底上形成光泵蒲激光条包括步骤：
46.准备裂片机；
47.使用所述裂片机沿所述隐形凹槽方向在所述蓝宝石衬底上施力自然解理形成腔长1mm的所述光泵浦激光条；
48.将解理形成的光滑侧面作为所述深紫外激光器的fabry-p
é
rot腔面。
49.本技术还提供了一种超薄gan量子阱深紫外激光器，由上述中任一所述的超薄gan量子阱深紫外激光器制备方法制备得到。
50.本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：本技术提供的一种超薄gan量子阱深紫外激光器制备方法及深紫外激光器，将厚度只有数个原子单层的多周期超薄gan/ain量子阱取代传统的aigan量子阱作为深紫外激光器的增益区，从而将gan的带隙从3.4ev拉宽至约5ev左右，相应的发光波长可到达242249nm之间的深紫外波段，其空间重叠率得以大幅提升，有效地屏蔽了极化电场的作用，使得辐射跃迁复合的概率增大，发光效率也相应提高；其价带顶端天然的重空穴能带保证了横电(te)偏振模式的出光，有效避免了aigan量子阱中横磁(tm)偏振产生的腔面反射损耗。
附图说明
51.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
52.图1是本发明实施例提供的一种超薄gan量子阱深紫外激光器的结构示意图；
53.图2是本发明实施例提供的一种超薄gan量子阱深紫外激光器的测试示意图；
54.图3是本发明实施例提供的一种超薄gan量子阱深紫外激光器的测试示意图。
具体实施方式
55.下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
56.在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
57.除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
58.在本技术实施例中，本发明提供了一种超薄gan量子阱深紫外激光器制备方法，所述方法包括步骤：
59.s1：准备mocvd反应室及蓝宝石衬底；
60.在本技术实施例中，mocvd反应室的规格可以根据需要相应配置和调整，蓝宝石衬底的规格可以根据需要相应配置和调整，本技术对其不做限制。
61.s2：在所述蓝宝石衬底上沉积第一厚度的ain缓冲层；
62.在本技术实施例中，所述在所述蓝宝石衬底上沉积第一厚度的ain缓冲层包括步骤：
63.设置所述mocvd反应室的温度为750℃；
64.设置所述mocvd反应室的压力为55torr；
65.向所述mocvd反应室内持续通入5.2分钟的氢气、三甲基铝和nh3；
66.在所述蓝宝石衬底上沉积15nm的ain缓冲层。
67.在本技术实施例中，当在蓝宝石衬底上沉积第一厚度的ain缓冲层时，需要将mocvd反应室升温至750℃，压力设置为55torr，同时持续通入5.2分钟的氢气、三甲基铝(1.49u-mole/min)和nh3，最后可以在蓝宝石上沉积15nm的ain缓冲层。
68.s3：在所述ain缓冲层上生长第二厚度的ain模板；
69.在本技术实施例中，所述在所述蓝宝石衬底上沉积第一厚度的ain缓冲层包括步骤：
70.设置所述mocvd反应室的温度为1230℃；
71.设置所述mocvd反应室的压力为50torr；
72.向所述mocvd反应室内持续通入70分钟的氢气、三甲基铝和nh3；
73.在所述ain缓冲层上生长3μm厚的ain模板。
74.在本技术实施例中，当在ain缓冲层上生长第二厚度的ain模板时，需要经过8分钟将mocvd反应室温度升高至1230℃，压力降低至50torr，同时持续通入70分钟的氢气、三甲基铝(92.34u-mole/min)和nh3，最后可以在ain缓冲层上生长3μm厚的ain模板。
75.s4：在所述ain模板上形成预设周期的量子阱结构；
76.在本技术实施例中，所述在所述ain模板上形成预设周期的量子阱结构包括步骤：
77.在所述ain模板上生长第四厚度的ain量子垒；
78.在所述ain量子垒上生长第五厚度的gan量子阱，并返回所述在所述ain模板上生长第四厚度的ain量子垒步骤直至形成预设周期的量子阱结构。
79.在本技术实施例中，当在ain模板上形成预设周期的量子阱结构时，首先在ain模板上生长第四厚度的ain量子垒，接着在ain量子垒上生长第五厚度的gan量子阱，然后重复进行这两个步骤达40个循环，最终可以形成40周期的量子阱结构。
80.在本技术实施例中，所述在所述ain模板上生长第四厚度的ain量子垒包括步骤：
81.设置所述mocvd反应室的温度为1040℃；
82.设置所述mocvd反应室的压力为50torr；
83.向所述mocvd反应室内持续通入18秒的氢气、三甲基铝和nh3；
84.在所述ain模板上生长1.5nm厚的ain量子垒。
85.在本技术实施例中，当在ain模板上生长第四厚度的ain量子垒时，需要经过6分钟将mocvd反应室温度降低至1040℃，压力保持为50torr，同时持续通入18秒的氢气、三甲基铝(11.12u-mole/min)和nh3，最终可以生长1.5nm厚的ain量子垒。
86.在本技术实施例中，所述在所述ain量子垒上生长第五厚度的gan量子阱包括步骤：
87.设置所述mocvd反应室的温度为1040℃；
88.设置所述mocvd反应室的压力为50torr；
89.向所述mocvd反应室内持续通入5.4秒的氢气、三甲基镓和nh3；
90.在所述ain量子垒上生长1nm厚的gan量子阱。
91.在本技术实施例中，当在ain量子垒上生长第五厚度的gan量子阱时，需要将mocvd反应室温度保持为1040℃，压力保持为50torr，同时持续通入5.4秒的氢气、三甲基镓
(30.53u-mole/min)和nh3，最终可以生长1nm厚的gan量子阱。
92.s5：在所述量子阱结构上生长第三厚度的ain帽层；
93.在本技术实施例中，所述在所述量子阱结构上生长第三厚度的ain帽层包括步骤：
94.设置所述mocvd反应室的温度为1040℃；
95.设置所述mocvd反应室的压力为50torr；
96.向所述mocvd反应室内持续通入1.5分钟的氢气、三甲基铝和nh3；
97.在所述量子阱结构上生长10nm厚的ain帽层。
98.在本技术实施例中，当在量子阱结构上生长第三厚度的ain帽层时，需要将mocvd反应室的温度保持至1040℃，压力保持为50torr，同时持续通入1.5分钟的氢气、三甲基铝(11.12u-mole/min)和nh3，最终可以生长10nm厚的ain帽层。
99.s6：从所述蓝宝石衬底的背面抛光减薄至预设厚度；
100.在本技术实施例中，待生长完成后，从晶圆的蓝宝石衬底背面抛光减薄至170μm。
101.s7：在所述蓝宝石衬底上形成隐形凹槽；
102.在本技术实施例中，所述在所述蓝宝石衬底上形成隐形凹槽包括步骤：
103.沿平行于所述蓝宝石衬底的切边面方向对其进行激光划刻形成所述隐形凹槽。
104.在本技术实施例中，沿平行于蓝宝石衬底的切边面方向对蓝宝石衬底进行激光划刻，可以在蓝宝石衬底上形成隐形凹槽。
105.s8：沿所述隐形凹槽方向在所述蓝宝石衬底上形成光泵浦激光条。
106.在本技术实施例中，所述沿所述隐形凹槽方向在所述蓝宝石衬底上形成光泵浦激光条包括步骤：
107.准备裂片机；
108.使用所述裂片机沿所述隐形凹槽方向在所述蓝宝石衬底上施力自然解理形成腔长1mm的所述光泵浦激光条；
109.将解理形成的光滑侧面作为所述深紫外激光器的fabry-p
é
rot腔面。
110.在本技术实施例中，用裂片机沿隐形凹槽方向对蓝宝石衬底施力，可以在蓝宝石衬底上上自然解理形成腔长为1mm的光泵浦激光条，解理形成的光滑侧面为深紫外激光器的fabry-p
é
rot腔面。
111.如图1所示为经过本技术提供的一种超薄gan量子阱深紫外激光器制备方法得到的超薄gan量子阱深紫外激光器。
112.如图2所示，室温下用193nm的arf准分子激光器作用本技术提供的超薄gan量子阱深紫外激光器的泵浦激光条的表面，用光纤从侧面解理形成的fabry-p
é
rot腔面收集信号，可以得到249nm的深紫外光激射，阈值功率为190kw/cm2。
113.如图3所示，用格兰泰勒棱镜对本技术提供的超薄gan量子阱深紫外激光器的泵浦激光条进行阈值以下和阈值以上的偏振光测试，可以得到自发辐射和受激辐射都是横电偏振模式(te)占主导。
114.本技术提供的一种超薄gan量子阱深紫外激光器制备方法及深紫外激光器，将厚度只有数个原子单层的多周期超薄gan/ain量子阱取代传统的aigan量子阱作为深紫外激光器的增益区，根据量子理论，超薄gan量子阱中可产生极强的量子限制效应将gan的准连续能带变成多个分立能级，特别是其基态能级发生上移，从而将gan的带隙从3.4ev拉宽至
约5ev左右，相应的发光波长可到达242—249nm之间的深紫外波段。由于量子限制效应的约束，电子和空穴的波函数被强行限制在几个原子单层厚度的gan量子阱内，其空间重叠率得以大幅提升，有效地屏蔽了极化电场的作用，使得辐射跃迁复合的概率增大，发光效率也相应提高。此外，由于gan量子阱保持着原有的能带结构，其价带顶端天然的重空穴能带保证了横电(te)偏振模式的出光，有效避允了aigan量子阱中横磁(tm)偏振产生的腔面反射损耗。
115.需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
116.总之，以上所述仅为本发明技术方案的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。