本发明属于半导体光电子技术领域，更具体的说是涉及一种蓝光隧道结纳米环光放大器外延结构及放大器的制备方法。
背景技术：
半导体纳米环等低维结构是近年来半导体物理和半导体光电子技术领域最重要研究内容之一，蓝光纳米环材料及器件是国际上前沿的研究课题之一。量子化效应更加显著，诸如量子尺寸效应、量子干涉效应、量子隧穿效应和库仑阻塞效应等，这些效应直接影响电子结构、输运和光学等各种物理性质，在新一代的量子器件中有十分诱人的应用前景。理论和实验研究表明，纳米环在光、电和磁学等方面有明显的不同。纳米环中心有一个圆孔，能对电子形成环形的限制势阱，因而具有显著不同与量子点的光、电和磁学性质。半导体纳米环的电子结构和磁性随电子数目而变化，当纳米环含有一系列特定数目的电子时，具有自发的铁磁态。
迄今为止，纳米环光放大器的方法非常有限，通常使用电感耦合等离子体刻蚀技术(icp)制备纳米环器件结构。然而利用icp技术制备的纳米环，在icp过程中容易引入刻蚀缺陷。同时由于受光刻设备精度的影响，通常需要高精度的光刻机来制备纳米级半导体器件结构，因此利用目前现有光刻设备来制作纳米尺度的光放大器难度非常大。
因此，如何提供一种蓝光隧道结纳米环光放大器外延结构及放大器的制备方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供了一种蓝光隧道结纳米环光放大器外延结构及放大器的制备方法，能够改善现有纳米环光放大器的刻蚀缺陷，从而能够保证获得高质量的蓝光隧道结纳米环光放大器，方法易于控制，工艺稳定。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种蓝光隧道结纳米环光放大器外延结构，包括：衬底层、缓冲层、底部gan同质结分布布拉格反射镜层、下势垒层、有源层、隧道结层、电流注入层、上势垒层、顶部gan同质结分布布拉格反射镜层和欧姆接触层；
其中，所述衬底层上依次生长所述缓冲层、底部gan同质结分布布拉格反射镜层、下势垒层、有源层、隧道结层、电流注入层、上势垒层、顶部gan同质结分布布拉格反射镜层和欧姆接触层。
优选的，缓冲层为厚度是1100nm～1300nm的gan材料。
优选的，底部gan同质结分布布拉格反射镜层为外延生长不同掺杂浓度的n型n-gan/n -gan分布布拉格反射镜同质结构材料，总共18～22对，每对中n型n-gan/n -gan分布布拉格反射镜同质结构材料的厚度分别为40±2nm和55±2nm，n-gan掺杂浓度为n＝2×1018/cm3～4×1018/cm3，n -gan掺杂浓度为n＝2×1019/cm3～4×1019/cm3。
优选的，有源层，为多量子阱，其发光波长为420nm～430nm，每个量子阱的组分、厚度以及外延生长速率均相同。
优选的，隧道结层为高掺杂的n -gan/p -gan，其中n -gan和p -gan的掺杂浓度均为7×1019/cm3～9×1019/cm3，n -gan的厚度为15±1nm，p -gan的厚度为10±1nm。
优选的，电流注入层为厚度是25nm～30nm的n -gan材料，掺杂浓度为n＝4×1019/cm3～6×1019/cm3。
优选的，顶部gan同质结分布布拉格反射镜层为外延生长不同掺杂浓度的n型n-gan/n -gan分布布拉格反射镜同质结材料，总共14～16对，每对中n型n-gan/n -gan分布布拉格反射镜同质结材料的厚度分别为40±2nm和55±2nm，n-gan掺杂浓度为n＝2×1018/cm3～4×1018/cm3，n -gan掺杂浓度为n＝4×1019/cm3～6×1019/cm3。
优选的，欧姆接触层为厚度是200nm～400nm的n -gan材料，掺杂浓度为n＝7×1019/cm3～9×1019/cm3。
一种蓝光隧道结纳米环光放大器的制备方法，将上述蓝光隧道结纳米环光放大器外延结构，首先进行光刻和icp刻蚀工艺，形成初级蓝光隧道结纳米环光放大器结构，其中，icp刻蚀气体为sf6/bcl3混合气体，sf6与bcl3气体体积比为2:3，刻蚀速率为10nm/min～12nm/min；再进行电化学刻蚀反应继续刻蚀，形成蓝光隧道结纳米环光放大器，在电化学刻蚀反应中，刻蚀溶液为硝酸，采用脉冲直流恒压电源，具体刻蚀反应参数为：直流电压为1.5v～2.0v、矩形波电压脉冲宽度为20s～30s和间隔时间为10s～15s，纳米环的刻蚀速率0.1nm/s-10nm/s，刻蚀约3～5小时反应结束。
优选的，该蓝光隧道结纳米环光放大器包含蓝光纳米环外环、蓝光纳米环、蓝光纳米环内环和蓝光锥形放大器。
本发明的有益效果在于：
本发明提出的一种蓝光隧道结纳米环光放大器外延结构，利用底部gan同质结分布布拉格反射镜层和顶部gan同质结分布布拉格反射镜层，容易获得更大的折射率差，有利于减小dbr层的总对数来实现该层的反射率达到99％以上，较高的纵向反射率有利于提高纳米环有源层获得更强的纵向光场限制；同时该结构属于同质结外延生长，降低了外延生长dbr层材料的难度；该结构隧道结均采用较高的掺杂浓度，增加电子的隧穿效率，增大隧道结层掺杂浓度或者减小隧道结层厚度，则可降低器件的阈值电流密度。
本发明提出的一种蓝光隧道结纳米环光放大器的制备方法，先采用icp刻蚀出纳米环基本结构，再利用电化学刻蚀技术继续刻蚀，刻蚀速率可控制为0.1nm/s～2nm/s，能够实现纳米环侧向尺寸的精准控制，获得更好的光场和电场方向的侧向限制，该方法能够有效减少icp刻蚀引入的缺陷，最终实现一种蓝光隧道结纳米环光放大器。本发明的方法不需要高精度的纳米级光刻机，即可制备出纳米级半导体器件结构。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明蓝光隧道结纳米环光放大器外延结构示意图。
图2附图为本发明经icp刻蚀后形成的蓝光隧道结纳米环光放大器的俯视图。
图3附图为本发明经电化学刻蚀技术刻蚀后形成的蓝光隧道结纳米环光放大器的俯视图。
1-蓝宝石衬底；2-缓冲层；3-底部gan同质结分布布拉格反射镜层；4-下势垒层；5-有源层；6-隧道结层；7-电流注入层；8-上势垒层；9-顶部gan同质结分布布拉格反射镜层；10-欧姆接触层；11-初级蓝光纳米环；12-初级蓝光锥形放大器；21-蓝光纳米环外环；22-蓝光纳米环；23-蓝光纳米环内环；24-蓝光锥形放大器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅附图1，本发明提供了一种蓝光隧道结纳米环光放大器外延结构，包括：衬底层1、缓冲层2、底部gan同质结分布布拉格反射镜层3、下势垒层4、有源层5、隧道结层6、电流注入层7、上势垒层8、顶部gan同质结分布布拉格反射镜层9和欧姆接触层10；其中，衬底层1上依次生长缓冲层2、底部gan同质结分布布拉格反射镜层3、下势垒层4、有源层5、隧道结层6、电流注入层7、上势垒层8、顶部gan同质结分布布拉格反射镜层9和欧姆接触层10。
本实施例中，衬底层采用蓝宝石衬底，用于在其上外延生长蓝光隧道结纳米环光放大器各层材料。
本实施例中，缓冲层为厚度是1200nm的gan材料，制作在衬底层上，用于阻止衬底层中缺陷的转移。
本实施例中，底部gan同质结分布布拉格反射镜层为外延生长不同掺杂浓度的n型n-gan/n -gan分布布拉格反射镜同质结构材料，总共18～22对，优选为20对；每对中n型n-gan/n -gan分布布拉格反射镜同质结构材料的厚度分别为40±2nm和55±2nm，优选为40nm和55nm；n-gan掺杂浓度为n＝2×1018/cm3～4×1018/cm3，优选为n＝3×1018/cm3；n -gan掺杂浓度为n＝2×1019/cm3～4×1019/cm3，优选为n＝3×1019/cm3。该层制作在缓冲层之上，n -gan的掺杂浓度较高，有利于电化学刻蚀工艺制备底部分布布拉格反射镜过程中获得更大的折射率差(折射率差值约为0.4左右)，底部gan同质结分布布拉格反射镜层的反射率可以达到99％以上。如果底部gan同质结分布布拉格反射镜层的n -gan与n-gan的掺杂浓度的比值大于10，所获得的dbr层的折射率差值为0.45左右，有利于减小dbr层的总对数。
本实施例中，下势垒层为厚度是150nm的gan材料。
本实施例中，有源层为多量子阱(5～10个量子阱)，制作在下势垒层上，该层为非故意掺杂，其发光波长为420nm～430nm，每个量子阱的组分、厚度以及外延生长速率均相同。
本实施例中，隧道结层为高掺杂的n -gan/p -gan，其中n -gan和p -gan的掺杂浓度均为7×1019/cm3～9×1019/cm3，优选为8×1019/cm3，该层均采用较高的掺杂浓度，增加电子的隧穿效率，增大隧道结层掺杂浓度或者减小隧道结层厚度，则可降低器件的阈值电流密度，n -gan的厚度为15±1nm，p -gan的厚度为10±1nm，如果增大隧道结层厚度，则会降低电子的隧穿效率。
本实施例中，电流注入层为厚度是25nm～30nm的n -gan材料，，优选为30nm；掺杂浓度为n＝4×1019/cm3～6×1019/cm3，优选为n＝5×1019/cm3。电流注入层的掺杂浓度会影响电流的注入效率，增大该层的掺杂浓度会增加电流的注入效率。
本实施例中，上势垒层为厚度是150nm的gan材料，该层为非故意掺杂。
本实施例中，顶部gan同质结分布布拉格反射镜层为外延生长不同掺杂浓度的n型n-gan/n -gan分布布拉格反射镜同质结材料，总共14～16对，优选为15对；每对中n型n-gan/n -gan分布布拉格反射镜同质结材料的厚度分别为40±2nm和55±2nm，优选为为40nm和55nm；n-gan掺杂浓度为n＝2×1018/cm3～4×1018/cm3，优选为n＝3×1018/cm3；n -gan掺杂浓度为n＝4×1019/cm3～6×1019/cm3，优选为n＝5×1019/cm3。增大n -gan的掺杂浓度，则有利于加快电化学刻蚀速率，快速制备出顶部gan同质结分布布拉格反射镜层，并获得更大的折射率差(折射率差值约为0.5左右)，有利于减小dbr层的总对数来实现该层的反射率达到99％以上。
本实施例中，欧姆接触层为厚度是200nm～400nm的n -gan材料，优选为300nm；掺杂浓度为n＝7×1019/cm3～9×1019/cm3，优选为n＝8×1019/cm3。该层有利于降低器件的接触电阻，如增加该层的掺杂浓度，会降低欧姆接触的电阻。
本发明还提供了一种蓝光隧道结纳米环光放大器的制备方法，将权利要求1-8的蓝光隧道结纳米环光放大器外延结构，首先进行光刻和icp刻蚀工艺，形成初级蓝光隧道结纳米环光放大器结构，初级蓝光隧道结纳米环光放大器结构包括初级蓝光纳米环11和初级蓝光锥形放大器12；其中，icp刻蚀气体为sf6/bcl3混合气体，sf6与bcl3气体体积比为2:3，刻蚀速率为10nm/min～12nm/min，优选为10nm/min，刻蚀速率可控的。刻蚀掩膜材料为sio2或si3n4，和sio2掩膜材料相比，使用si3n4掩膜材料获得刻蚀侧壁更垂直光滑；再进行电化学刻蚀反应继续刻蚀，形成蓝光隧道结纳米环光放大器，在电化学刻蚀反应中，刻蚀溶液为硝酸(硝酸质量分数约为68％)，采用脉冲直流恒压电源，具体刻蚀反应参数为：直流电压为1.5v～2.0v，优选为1.5v；矩形波电压脉冲宽度为20s～30s，优选为30s；矩形波电压脉冲间隔时间为10s～15s，优选为10s；纳米环的刻蚀速率0.1nm/s-10nm/s，刻蚀约3～5小时反应结束，优选为4.5小时。通过调节纳米环的刻蚀速率，能够实现纳米环侧向尺寸的精准控制。
本实施例中，该蓝光隧道结纳米环光放大器包含蓝光纳米环外环21、蓝光纳米环22、蓝光纳米环内环23和蓝光锥形放大器24。
本发明提出的一种蓝光隧道结纳米环光放大器外延结构，利用底部gan同质结分布布拉格反射镜层(底部dbr层)和顶部gan同质结分布布拉格反射镜层(顶部dbr层)来提高纳米环有源层中光场的限制；容易获得更大的折射率差(折射率差值约为0.5左右)，有利于减小dbr层的总对数来实现该层的反射率达到99％以上，较高的纵向反射率有利于提高纳米环有源层获得更强的纵向光场限制；同时该结构属于同质结外延生长，降低了外延生长dbr层材料的难度；该结构隧道结均采用较高的掺杂浓度，增加电子的隧穿效率，增大隧道结层掺杂浓度或者减小隧道结层厚度，则可降低器件的阈值电流密度。
本发明提出的一种蓝光隧道结纳米环光放大器的制备方法，先采用icp刻蚀出纳米环基本结构，再利用电化学刻蚀技术继续刻蚀，刻蚀速率可控制为0.1nm/s～2nm/s，能够实现纳米环侧向尺寸的精准控制，获得更好的光场和电场方向的侧向限制，该方法能够有效减少icp刻蚀引入的缺陷，最终实现一种蓝光隧道结纳米环光放大器。本发明的方法不需要高精度的纳米级光刻机，即可制备出纳米级半导体器件结构。
另外，本发明的制备方法也适用于制备半导体纳米器件，如纳米微腔激光器、单光子发射与探测器件、纳米光电子器件等。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业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发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明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公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
1.一种蓝光隧道结纳米环光放大器外延结构，其特征在于，包括：衬底层、缓冲层、底部gan同质结分布布拉格反射镜层、下势垒层、有源层、隧道结层、电流注入层、上势垒层、顶部gan同质结分布布拉格反射镜层和欧姆接触层；
其中，所述衬底层上依次生长所述缓冲层、底部gan同质结分布布拉格反射镜层、下势垒层、有源层、隧道结层、电流注入层、上势垒层、顶部gan同质结分布布拉格反射镜层和欧姆接触层。
2.根据权利要求1所述的一种蓝光隧道结纳米环光放大器外延结构，其特征在于，缓冲层为厚度是1100nm～1300nm的gan材料。
3.根据权利要求1所述的一种蓝光隧道结纳米环光放大器外延结构，其特征在于，底部gan同质结分布布拉格反射镜层为外延生长不同掺杂浓度的n型n-gan/n -gan分布布拉格反射镜同质结构材料，总共18～22对，每对中n型n-gan/n -gan分布布拉格反射镜同质结构材料的厚度分别为40±2nm和55±2nm，n-gan掺杂浓度为n＝2×1018/cm3～4×1018/cm3，n -gan掺杂浓度为n＝2×1019/cm3～4×1019/cm3。
4.根据权利要求1所述的一种蓝光隧道结纳米环光放大器外延结构，其特征在于，有源层，为多量子阱，其发光波长为420nm～430nm，每个量子阱的组分、厚度以及外延生长速率均相同。
5.根据权利要求1所述的一种蓝光隧道结纳米环光放大器外延结构，其特征在于，隧道结层为高掺杂的n -gan/p -gan，其中n -gan和p -gan的掺杂浓度均为7×1019/cm3～9×1019/cm3，n -gan的厚度为15±1nm，p -gan的厚度为10±1nm。
6.根据权利要求1所述的一种蓝光隧道结纳米环光放大器外延结构，其特征在于，电流注入层为厚度是25nm～30nm的n -gan材料，掺杂浓度为n＝4×1019/cm3～6×1019/cm3。
7.根据权利要求1所述的一种蓝光隧道结纳米环光放大器外延结构，其特征在于，顶部gan同质结分布布拉格反射镜层为外延生长不同掺杂浓度的n型n-gan/n -gan分布布拉格反射镜同质结材料，总共14～16对，每对中n型n-gan/n -gan分布布拉格反射镜同质结材料的厚度分别为40±2nm和55±2nm，n-gan掺杂浓度为n＝2×1018/cm3～4×1018/cm3，n -gan掺杂浓度为n＝4×1019/cm3～6×1019/cm3。
8.根据权利要求1所述的一种蓝光隧道结纳米环光放大器外延结构，其特征在于，欧姆接触层为厚度是200nm～400nm的n -gan材料，掺杂浓度为n＝7×1019/cm3～9×1019/cm3。
9.一种蓝光隧道结纳米环光放大器的制备方法，其特征在于，将权利要求1-8的蓝光隧道结纳米环光放大器外延结构，首先进行光刻和icp刻蚀工艺，形成初级蓝光隧道结纳米环光放大器结构，其中，icp刻蚀气体为sf6/bcl3混合气体，sf6与bcl3气体体积比为2:3，刻蚀速率为10nm/min～12nm/min；再进行电化学刻蚀反应继续刻蚀，形成蓝光隧道结纳米环光放大器，在电化学刻蚀反应中，刻蚀溶液为硝酸，采用脉冲直流恒压电源，具体刻蚀反应参数为：直流电压为1.5v～2.0v、矩形波电压脉冲宽度为20s～30s和间隔时间为10s～15s，纳米环的刻蚀速率0.1nm/s-10nm/s，刻蚀约3～5小时反应结束。
10.根据权利要求9所述的一种蓝光隧道结纳米环光放大器的制备方法，其特征在于，该蓝光隧道结纳米环光放大器包含蓝光纳米环外环、蓝光纳米环、蓝光纳米环内环和蓝光锥形放大器。
技术总结