CN102263370B - p-ZnO和n-GaN组合的多层端发射激光器及制备方法 - Google Patents
p-ZnO和n-GaN组合的多层端发射激光器及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于半导体发光器件技术领域，涉及几种p-ZnO和n-GaN组合的多层端发射激光器及其制备方法。其芯片依次由衬底、n-GaN外延层、Ga2O3或n型AlGaN电流下限制层、p-ZnO基材料发光层、p型宽带隙ZnO基三元系材料电流上限制层、上电极构成，衬底是导电的GaAs晶体片、导电的InP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层相同，衬底下面制备有下电极，由芯片解理的前、后端面构成前反射镜和后反射镜，器件在前反射镜和后反射镜出光。本发明制备了ZnO基激光器的可控谐振腔，可以降低激光器的阈值电流，提高器件输出功率，使激光的方向变好，进一步拓展了器件的应用范围。
Description
本专利申请是中国专利“ZnO和GaN组合ZnO基端面发射激光器及其制备方法”的分案申请，原申请的申请日为：2010-10-09，原申请的申请号为：201010500171.2，原申请的公布号为：CN101976800A。
技术领域
本发明属于半导体发光器件及其制备技术领域，特别是涉及基于ZnO基材料的p-ZnO和n-GaN组合的多层端发射激光器及制备方法。
背景技术
GaN系材料在固态照明领域和信息领域已经在广泛的应用。ZnO和GaN的能带间隙和晶格常数十分接近，有相近光电特性。但是，与GaN相比，ZnO具有更高的熔点和激子束缚能(60meV)、外延生长温度低、成本低、容易刻蚀而使芯片的后道加工更容易，使其器件的制备更方便等等。因此，ZnO基发光管、激光器等研制成功有可能取代或部分取代GaN基光电器件，会有更大的应用前景，特别是ZnO紫、紫外光电器件更为人们所重视。
由于ZnO单晶薄膜的外延制备目前还不成熟，非常完整的一致连续的ZnO单晶薄膜很难获得，目前制备的ZnO单晶薄膜大多数是C轴取向生长的薄膜，由于晶粒边界和缺陷的存在，使得ZnO同质p-n结型发光器件的发光效率非常低，同时往往伴随着和缺陷相关的深能级发光，这一深能级发光波长在可见光波段，它往往比紫外带边发射更强。于是人们开始用薄膜外延制备技术比较成熟的GaN材料和ZnO材料组合制备发光器件(包括发光管和激光器)。H.Zhu等人在文献“Adv.Mater.21，1613(2009)”就报道了一种GaN材料和ZnO材料组合的激光器件。这种激光器结构如图1所示，由Al2O3衬底1，衬底1上外延生长的p型GaN外延层2，外延层2上制备的相互分立的MgO电流下限制层3和下电极5，在电流下限制层3上制备的n型ZnO发光层4，在ZnO发光层4上面制备的上电极6等部件构成。
为了克服p型GaN外延层载流子浓度偏低，电阻大，因而激光器串联电阻大，工作电压高，输出功率低的问题。我们在申请号为2010101244166.6的专利中提出了几种p型ZnO和n型GaN组合的ZnO基发光器件及其制备方法。
但是，由于这些发光器件都没有制备可控谐振腔，即使激射，一般也是由随机散射谐振腔或是ZnO纳米晶粒的微腔选模作用引起的，因而激光器输出功率非常低，激光的方向性也不好。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述ZnO基发光器件的这一困难，提供一种基于基于ZnO基材料的p-ZnO和n-GaN组合的多层端发射激光器及制备方法，以提高激光器输出功率，改善激光的方向性。
本发明的技术方案是：
本发明所设计的ZnO和GaN组合的ZnO基端面发射激光器(见附图2和附图说明)，其芯片依次由衬底1、衬底1上制备的p型GaN外延层2、GaN外延层2上制备的Zn1-xMgxO(x值可在0.05～1之间选择设定)电流下限制层3、电流下限制层3上制备的n型ZnO基材料发光层4、n型ZnO基材料发光层4上面制备的上电极6构成，其特征在于：衬底1是导电的GaAs晶体片、导电的InP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2的导电类型相同，同时在衬底1的下面制备有下电极5；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8和后反射镜9出光。
进一步为了克服p型GaN外延层载流子浓度偏低，电阻大的问题，本发明结合2010101244166.6专利提出一种p型ZnO和n型GaN组合的ZnO基端面发射激光器(仍见附图2和附图说明)，其芯片依次由衬底1、衬底1上制备的n型GaN外延层2、GaN外延层2上制备的Ga2O3或n型AlGaN电流下限制层3、电流下限制层3上制备的p型ZnO基材料发光层4、ZnO基材料发光层4上面制备的上电极6构成，其特征在于：衬底1是导电的GaAs晶体片、导电的InP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2的导电类型相同，同时在衬底1的下面制备有下电极5；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8和后反射镜9出光。
进一步地为了简化工艺，本发明又结合2010101244166.6的专利提出一种没有电流下限制层的p型ZnO和n型GaN组合的ZnO基端面发射激光器(见附图3和附图说明)，其芯片依次由衬底1、衬底1上外延生长的n型GaN外延层2、GaN外延层2上制备的p型ZnO基材料发光层4、在ZnO基材料发光层4上面制备的上电极6构成，其特征在于：衬底1是导电的GaAs晶体片、导电的InP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2的导电类型相同，同时在衬底1的下面制备有下电极5；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8和后反射镜9出光。
进一步的为了把光和载流子更好的限制在ZnO基材料发光层4中，本发明提出一种具有电流上限制层的ZnO和GaN组合的ZnO基端面发射激光器(见附图4和附图说明)，其芯片依次由衬底1、衬底1上制备的p型GaN外延层2、GaN外延层2上制备的Zn1-xMgxO(x值可在0.05～1之间选择设定)电流下限制层3、电流下限制层3上制备的n型ZnO基材料发光层4、ZnO基材料发光层4上面制备的上电极6构成，其特征在于：衬底1是导电的p型GaAs晶体片、导电的p型InP晶体片、导电的p型SiC晶体片或导电的p型GaN晶体片，同时在衬底1的下面制备有下电极5，在n型ZnO基材料发光层4和上电极6之间制备有n型宽带隙ZnO基三元系材料电流上限制层7；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8和后反射镜9出光。
同样也可以将申请号为2010101244166.6的专利中有电流上限制层的p型ZnO和n型GaN组合的ZnO基发光器件结构改进成激光器，即提出一种具有电流上限制层的p型ZnO和n型GaN组合的ZnO基端面发射激光器(仍见附图4和附图说明)，其芯片依次由衬底1、衬底1上外延生长的n型GaN外延层2、GaN外延层2上制备的Ga2O3或n型AlGaN电流下限制层3、电流下限制层3上制备的p型ZnO基材料发光层4、在ZnO基材料发光层4上面制备的p型宽带隙ZnO基三元系材料电流上限制层7、电流上限制层7上面制备的上电极6构成，其特征在于：衬底1是导电的GaAs晶体片、导电的InP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2的导电类型相同，同时在衬底1的下面制备有下电极5；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8和后反射镜9出光。
GaN和AlGaN外延层用目前工艺较成熟的常规MOCVD(金属有机物化学气相沉积)工艺方法制备。ZnO基材料的生长制备方法是用分子束外延(MBE)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、脉冲激光沉积(PLD)、溅射(Sputtering)、电子束蒸发、喷涂热解和溶胶凝胶(Sol-gel)等方法制备；ZnO基材料发光层的材料包括ZnO、ZnMgO、ZnBeO、ZnCdO、ZnNiO等。衬底材料是GaN单晶衬底或用与GaN材料晶格匹配较好的SiC单晶衬底，也可以是GaAs晶体片衬底和InP晶体片衬底，这里所说的宽带隙ZnO基三元系材料是ZnMgO、ZnBeO、ZnCdO、ZnNiO等禁带宽度大于ZnO基材料发光层4禁带宽度的薄膜材料；利用GaAs晶体片衬底和InP晶体片衬底在(110)晶面容易解理的特性，以及GaN单晶衬底和SiC单晶衬底在(1，
，0，0)(1，1，，0)两个晶面容易解理的特性，将芯片减薄后解理，解理后的端面成很好的镜面，构成激光器的前反射镜8和后反射镜9，上、下电极材料用Au、Ni-Au、Ti-Au、Zn-Au和Pt-Au等合金材料。
进一步地，为了将注入激光器的电流限制在一个面积较小的条形区域，本发明提出四种具有条形电流限制窗口11的激光器结构和制备方法。
一种是二氧化硅外条形电流限制窗口结构ZnO和GaN组合ZnO基端面发射激光器(见附图5和附图说明)，其芯片依次由衬底1、衬底1上制备的p型GaN外延层2、GaN外延层2上制备的Zn1-xMgxO(x值可在0.05～1之间选择设定)电流下限制层3、电流下限制层3上制备的n型ZnO基材料发光层4、ZnO基材料发光层4上面制备的一层n型宽带隙ZnO基三元系材料电流上限制层7、电流上限制层7上制备的上电极6构成，其特征在于：衬底1是导电的GaAs晶体片、导电的InP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2导电类型相同，同时在衬底1的下面制备有下电极5，在电流上限制层7和上电极6之间制备有一层二氧化硅电流隔离层10，在二氧化硅电流隔离层10上光刻腐蚀出条形电流限制窗口11，即在二氧化硅电流隔离层10和条形电流限制窗口11上制备上电极6，上电极6通过条形电流限制窗口11接触到电流上限制层7，从而进行电流注入；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8和后反射镜9出光，条形电流限制窗口11的条形方向和芯片解理的前、后端面相垂直。
同样，这种结构也适用于p型ZnO和n型GaN组合的ZnO基发光器件结构的改进，即提出一种二氧化硅外条形电流限制窗口结构p型ZnO和n型GaN组合ZnO基端面发射激光器(仍见附图5和附图说明)，其芯片依次由衬底1、在衬底1上外延生长的n型GaN外延层2、在GaN外延层2上制备的Ga2O3或n型AlGaN电流下限制层3、电流下限制层3上制备的p型ZnO基材料发光层4、在ZnO基材料发光层4上面制备的p型宽带隙ZnO基三元系材料电流上限制层7、电流上限制层7上制备的电极6构成，其特征在于：衬底1是导电的GaAs晶体片、导电的InP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2导电类型相同，同时在衬底1的下面制备有下电极5，在电流上限制层7和上电极6之间制备有一层二氧化硅电流隔离层10，在二氧化硅电流隔离层10上光刻腐蚀出条形电流限制窗口11，即在二氧化硅电流隔离层10和条形电流限制窗口11上制备上电极6，上电极6通过条形电流限制窗口11接触到电流上限制层7，从而进行电流注入；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8和后反射镜9出光，条形电流限制窗口11的条形方向和芯片解理的前、后端面相垂直。
第二种是二氧化硅内条形电流限制窗口结构ZnO和GaN组合ZnO基端面发射激光器(见附图6和附图说明)，其芯片依次由衬底1、衬底1上制备的p型GaN外延层2、GaN外延层2上制备的Zn1-xMgxO(x值可在0.05～1之间选择设定)电流下限制层3、电流下限制层3上制备的n型ZnO基材料发光层4、ZnO基材料发光层4上面制备的n型宽带隙ZnO基三元系材料电流上限制层7、电流上限制层7上制备的上电极6构成，其特征在于：衬底1是导电的GaAs晶体片、导电的InP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2导电类型相同，同时在衬底1的下面制备有下电极5，在GaN外延层2和电流下限制层3之间制备有二氧化硅电流隔离层10，在二氧化硅电流隔离层10上光刻腐蚀出条形电流限制窗口11，即在二氧化硅电流隔离层10和条形电流限制窗口11上制备电流下限制层3；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8和后反射镜9出光，条形电流限制窗口11的条形方向和芯片解理的前、后端面相垂直。
这种结构也适用于电流下限制层3是Ga2O3材料的p型ZnO和n型GaN组合的ZnO基发光器件结构的改进，即一种Ga2O3下限制层二氧化硅内条形电流限制窗口结构p型ZnO和n型GaN组合ZnO基端面发射激光器(仍见附图6和附图说明)，其芯片依次由衬底1、衬底1上制备的n型GaN外延层2、GaN外延层2上制备的Ga2O3电流下限制层3、电流下限制层3上制备的p型ZnO基材料发光层4、ZnO基材料发光层4上面制备的p型宽带隙ZnO基三元系材料电流上限制层7、电流上限制层7上制备的上电极6构成，其特征在于：衬底1是导电的GaAs晶体片、导电的InP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2导电类型相同，同时在衬底1的下面制备有下电极5，在GaN外延层2和电流下限制层3之间制备有二氧化硅电流隔离层10，在二氧化硅电流隔离层10上光刻腐蚀出条形电流限制窗口11，即在二氧化硅电流隔离层10和条形电流限制窗口11上制备电流下限制层3；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8和后反射镜9出光，条形电流限制窗口11的条形方向和芯片解理的前、后端面垂直。
对于电流下限制层3是n型AlGaN层的激光器结构，由于n型AlGaN层电流下限制层3是和n型GaN外延层2是在GaN材料系MOCVD中一次外延完成生长的，所以二氧化硅电流隔离层10要制备在n型AlGaN层电流下限制层3上面，即一种AlGaN下限制层二氧化硅内条形电流限制窗口结构p型ZnO和n型GaN组合ZnO基端面发射激光器(见附图7和附图说明)，其芯片依次由衬底1、衬底1上制备的n型GaN外延层2、GaN外延层2上制备的n型AlGaN电流下限制层3、电流下限制层3上制备的p型ZnO基材料发光层4、ZnO基材料发光层4上面制备的p型宽带隙ZnO基三元系材料电流上限制层7、电流上限制层7上制备的上电极6构成，其特征在于：衬底1是导电的GaAs晶体片、导电的InP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2导电类型相同，同时在衬底1的下面制备有下电极5，在n型AlGaN电流下限制层3和p型ZnO基材料发光层4之间制备有二氧化硅电流隔离层10，在二氧化硅电流隔离层10上光刻腐蚀出条形电流限制窗口11，即在二氧化硅电流隔离层10和条形电流限制窗口11上制备p型ZnO基材料发光层4；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8和后反射镜9出光，条形电流限制窗口11的条形方向和芯片解理的前、后端面垂直。
第三种是离子注入轰击条形电流限制窗口结构ZnO和GaN组合ZnO基端面发射激光器(见附图8和附图说明)，其芯片依次由衬底1、衬底1上制备的p型GaN外延层2、GaN外延层2上制备的Zn1-xMgxO(x值可在0.05～1之间选择设定)电流下限制层3、电流下限制层3上制备的n型ZnO基材料发光层4、ZnO基材料发光层4上面制备的n型宽带隙ZnO基三元系材料电流上限制层7、电流上限制层7上制备的上电极6构成，其特征在于：衬底1是导电的GaAs晶体片、导电的InP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2导电类型相同，同时在衬底1的下面制备有下电极5，在ZnO基材料发光层4中用离子注入轰击的方法制备出一层高阻电流隔离层12，并形成条形电流限制窗口11，具体制备方法可以采用钨丝掩模质子轰击的制备方法；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8和后反射镜9出光，条形电流限制窗口11的条形方向和芯片解理的前、后端面垂直。
同样，这种结构也适用p型ZnO和n型GaN组合的ZnO基发光器件结构的改进，即提出一种离子注入轰击条形电流限制窗口结构p型ZnO和n型GaN组合ZnO基端面发射激光器(仍见附图8和附图说明)，其芯片依次由衬底1、衬底1上制备的n型GaN外延层2、GaN外延层2上制备的Ga2O3或n型AlGaN电流下限制层3、电流下限制层3上制备的p型ZnO基材料发光层4、ZnO基材料发光层4上制备的p型宽带隙ZnO基三元系材料电流上限制层7、电流上限制层7上制备的上电极6构成，其特征在于：衬底1是导电的GaAs晶体片、导电的InP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2导电类型相同，同时在衬底1的下面制备有下电极5，在ZnO基材料发光层4中用离子注入轰击方法制备出一层高阻电流隔离层12，并形成条形电流限制窗口11，具体制备方法可以采用钨丝掩模质子轰击的制备方法；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8和后反射镜9出光，条形电流限制窗口11的条形方向和芯片解理的前、后端面垂直。
第四种是MgO隔离内条形电流限制窗口结构ZnO和GaN组合ZnO基端面发射激光器(见附图9和附图说明)，其芯片依次由衬底1、衬底1上制备的p型GaN外延层2、GaN外延层2上制备的Zn1-xMgxO(x值可在0.05～1之间选择设定)电流下限制层3、电流下限制层3上制备的n型ZnO基材料发光层4、ZnO基材料发光层4上面制备的n型宽带隙ZnO基三元系材料电流上限制层7、电流上限制层7上制备的上电极6构成，其特征在于：衬底1是导电的GaAs晶体片、导电的InP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2导电类型相同，同时在衬底1的下面制备有下电极5，在GaN外延层2和电流下限制层3之间制备有厚度为100～2000纳米的MgO电流隔离层13，在MgO电流隔离层13上光刻腐蚀出条形电流限制窗口11，即在MgO电流隔离层13和条形电流限制窗口11上制备电流下限制层3；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8和后反射镜9出光，条形电流限制窗口11的条形方向和芯片解理的前、后端面垂直。
这种结构也适用于电流下限制层3是Ga2O3材料的p型ZnO和n型GaN组合的ZnO基发光器件结构的改进，即一种Ga2O3下限制层MgO隔离内条形电流限制窗口结构p型ZnO和n型GaN组合ZnO基端面发射激光器(仍见附图9和附图说明)，其芯片依次由衬底1、衬底1上制备的n型GaN外延层2、GaN外延层2上制备的Ga2O3电流下限制层3、电流下限制层3上制备的p型ZnO基材料发光层4、ZnO基材料发光层4上面制备的p型宽带隙ZnO基三元系材料电流上限制层7、电流上限制层7上制备的上电极6构成，其特征在于：衬底1是导电的GaAs晶体片、导电的InP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2导电类型相同，同时在衬底1的下面制备有下电极5，在GaN外延层2和电流下限制层3之间制备有厚度为100～2000纳米的MgO电流隔离层13，在MgO电流隔离层13上光刻腐蚀出条形电流限制窗口11，即在MgO电流隔离层13和条形电流限制窗口11上制备电流下限制层3；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8和后反射镜9出光，条形电流限制窗口11的条形方向和芯片解理的前、后端面垂直。
对于电流下限制层3是n型AlGaN层的激光器结构，由于n型AlGaN层电流下限制层3是和n型GaN外延层2是在GaN材料系MOCVD中一次外延完成生长的，所以MgO电流隔离层13要制备在n型AlGaN层电流下限制层3上面，即一种AlGaN下限制层MgO隔离内条形电流限制窗口结构p型ZnO和n型GaN组合ZnO基端面发射激光器(见附图10和附图说明)，其芯片依次由衬底1、衬底1上制备的n型GaN外延层2、GaN外延层2上制备的n型AlGaN电流下限制层3、电流下限制层3上制备的p型ZnO基材料发光层4、ZnO基材料发光层4上面制备的p型宽带隙ZnO基三元系材料电流上限制层7、电流上限制层7上制备的上电极6构成，其特征在于：衬底1是导电的GaAs晶体片、导电的InP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2导电类型相同，同时在衬底1的下面制备有下电极5，在n型AlGaN电流下限制层3和p型ZnO基材料发光层4之间制备有一层厚度为100～2000纳米的MgO电流隔离层13，在MgO电流隔离层13上光刻腐蚀出条形电流限制窗口11，即在MgO电流隔离层13和条形电流限制窗口11上面制备ZnO基材料发光层4；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8和后反射镜9出光，条形电流限制窗口11的条形方向和芯片解理的前、后端面垂直。
本发明所述的ZnO和GaN组合ZnO基端面发射激光器的制备方法，其特征在于：GaN外延层2、作为ZnO基材料发光层4的ZnO基薄膜、作为电流上限制层7的ZnO基三元薄膜均使用MOCVD方法进行制备，电流上限制层7的禁带宽度大于ZnO基发光层4的禁带宽度。
本发明的效果和益处是：
本发明制备了ZnO和GaN组合ZnO基激光器的可控谐振腔，可以降低激光器的阈值电流，提高激光器输出功率，使激光的方向变好，进一步拓展了激光器的应用范围。
附图说明
图1：GaN材料和ZnO材料组合的激光器结构示意图；
图2：ZnO和GaN组合的ZnO基端面发射激光器结构示意图；
图3：没有电流下限制层的p型ZnO和n型GaN组合的ZnO基端面发射激光器结构示意图；
图4：具有上限制层的ZnO和GaN组合的ZnO基端面发射激光器结构示意图；
图5：二氧化硅外条形电流限制窗口结构ZnO和GaN组合ZnO基端面发射激光器结构示意图；
图6：二氧化硅内条形电流限制窗口结构ZnO和GaN组合ZnO基端面发射激光器结构示意图；
图7：AlGaN下限制层二氧化硅内条形电流限制窗口结构p型ZnO和n型GaN组合ZnO基端面发射激光器结构示意图；
图8：离子注入轰击条形电流限制窗口结构ZnO和GaN组合ZnO基端面发射激光器结构示意图；
图9：MgO隔离内条形电流限制窗口结构ZnO和GaN组合ZnO基端面发射激光器结构示意图；
图10：AlGaN下限制层MgO隔离内条形电流限制窗口结构p型ZnO和n型GaN组合ZnO基端面发射激光器结构示意图；
图中各部分的名称为：衬底1、GaN外延层2、电流下限制层3、ZnO基材料发光层4、下电极5、上电极6、电流上限制层7、前反射镜8、后反射镜9、二氧化硅电流隔离层10、条形电流限制窗口11、高阻电流隔离层12、MgO电流隔离层13。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例和实施工艺。
实施例1：
没有电流下限制层的p型ZnO和n型GaN组合的ZnO基端面发射激光器。这种没有电流下限制层的p型ZnO和n型GaN组合的ZnO基端面发射激光器见附图3。其制备过程为，以SiC晶体片衬底为例，采用n型SiC晶体片为衬底，用目前成熟的常规MOCVD工艺在SiC晶体片衬底上生长1～10微米包括缓冲层的n型(如掺Si)GaN外延层2，载流子浓度为1018～1020/cm3，然后采用MOCVD方法，特别是用02100436.6号和ZL200410011164.0号专利所述的ZnO薄膜专用生长MOCVD设备在n型GaN外延层2上直接制备p型ZnO基材料发光层4，p型ZnO基材料发光层4的厚度为10纳米～5微米，ZnO基材料的p型制备技术和p型掺杂方法，可采用我们申请并已获批准的ZL 200510119039.6号、ZL 200510046906.8号、ZL200810010104.5号和ZL 200810010103.0号专利方法；然后，用热蒸发台或电子束蒸发台蒸镀金属在ZnO基材料发光层4上面制备的上电极6；再将衬底减薄至60～150微米，再在衬底下面蒸镀金属下电极5，然后在惰性气体保护下合金退火；芯片制备好后，沿(1，
，0，0)或(1，1，
，0)面将芯片解理成宽度为100微米～2毫米的巴条，再将巴条锯切成宽100微米～500微米的管芯，这样就制备成了长方型(矩形)的激光器管芯；芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8和后反射镜9出光，原来的巴条宽度就是激光器谐振腔的腔长；上、下电极材料可用Au、Ni-Au、Ti-Au、Zn-Au或Pt-Au等合金材料中的一种或两种，其厚度为100～600纳米。这种结构激光器的衬底还可以采用导电的GaAs晶体片、导电的InP晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2的导电类型相同，采用GaAs或InP晶体为衬底时解理面应当为(110)晶面。
实施例2：
ZnO和GaN组合的ZnO基端面发射激光器。这种ZnO和GaN组合的ZnO基端面发射激光器见附图2，其芯片依次由衬底1、衬底1上制备的p型GaN外延层2，外延层2上制备的Zn1-xMgxO(x值可在0.05～1之间选择设定)电流下限制层3、电流下限制层3上制备的n型ZnO基材料发光层4、ZnO基材料发光层4上面制备的上电极6构成，其特征在于：衬底1是导电的GaAs晶体片、导电的InP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2的导电类型相同，同时在衬底1的下面制备有下电极5；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8和后反射镜9出光。
其制备过程为，仍以SiC晶体片衬底为例，采用p型SiC晶体片为衬底，用目前成熟的常规MOCVD工艺在SiC晶体片衬底上生长1～10微米的p型(如掺Mg)GaN外延层2，载流子浓度为1017～1019/cm3，然后采用MOCVD方法，特别是用02100436.6号和ZL200410011164.0号专利所述的ZnO薄膜专用生长MOCVD设备在n型GaN外延层2上制备Zn1-xMgxO(x值可在0.05～1之间选择设定)电流下限制层3，电流下限制层3的厚度在10～200nm之间，厚度可根据Mg含量x值的不同需适当调整，x值大，厚度应适当减小，x值小，厚度应适当增大，接着制备n型ZnO基材料发光层4，n型ZnO基材料发光层4的厚度为10纳米～5微米，其后的蒸镀上、下电极，合金退火、减薄、解理等工艺同实施例1。这种结构激光器衬底还可以采用导电的GaAs晶体片、导电的InP晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2的导电类型相同，采用GaAs或InP晶体为衬底时解理面应当为(110)晶面。
实施例3：
p型ZnO和n型GaN组合的ZnO基端面发射激光器。这种p型ZnO和n型GaN组合的ZnO基端面发射激光器仍见附图2。其芯片依次由衬底1、衬底1上制备的n型GaN外延层2、外延层2上制备的Ga2O3或n型AlGaN电流下限制层3、电流下限制层3上制备的p型ZnO基材料发光层4、ZnO基材料发光层4上面制备的上电极6构成，其特征在于：衬底1是导电的GaAs晶体片、导电的InP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2的导电类型相同，同时在衬底1的下面制备有下电极5；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8和后反射镜9出光。
对于电流下限制层3是n型AlGaN的激光器其制备过程为，仍以SiC晶体片衬底为例，采用n型SiC晶体片为衬底，用目前成熟的常规MOCVD工艺在SiC晶体片衬底上生长1～10微米包括缓冲层的n型(如掺Si)GaN外延层2，载流子浓度为1018～1020/cm3，n型GaN外延层2上接着生长n型AlxGa1-xN电流下限制层3，x值为0.01～0.5，其载流子浓度为1018～1020/cm3，然后再采用MOCVD方法，特别是用02100436.6号和ZL200410011164.0号专利所述的ZnO薄膜专用生长MOCVD设备在n型AlxGa1-xN电流下限制层3上制备p型ZnO基材料发光层4，p型ZnO基材料发光层4的厚度为10纳米～5微米，ZnO基材料的p型制备技术和p型掺杂方法，可采用我们申请并已获批准的ZL 200510119039.6号、ZL 200510046906.8号、ZL 200810010104.5号和ZL 200810010103.0号专利方法；其后的蒸镀上、下电极，合金退火、减薄、解理等工艺同实施例1。这种结构激光器也可以采用导电的GaAs晶体片、导电的InP晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2的导电类型相同，采用GaAs或InP晶体为衬底时解理面应当为(110)晶面。
对于电流下限制层3是Ga2O3薄膜材料的激光器其制备过程主要是Ga2O3材料薄膜电流下限制层3的制备工艺过程不同，其余工艺制备过程均同上。
Ga2O3材料薄膜电流下限制层3的制备工艺有两种方法：
一种是用MOCVD方法制备，Ga源用三甲基镓(TMGa)和三乙基镓(TEGa)均可，用氩气或氮气携带进入MOCVD系统反应室，同时将氧源通入MOCVD系统反应室，生长时衬底的加热温度为100～900℃，Ga2O3材料薄膜厚度为5纳米～3微米。
另一种是掺杂夹层方法制备，即采用我们申请已获批准的200810050429.6号专利方法，在n型GaN外延层2上面溅射上一层GaAs薄膜，然后生长ZnO基材料发光层4，再退火，使GaAs薄膜中的As扩散到ZnO中进行掺杂，使ZnO基材料发光层4变成p型，GaAs薄膜中的Ga被氧化成Ga2O3留在n型GaN外延层2上面，形成Ga2O3材料薄膜电流下限制层3。
实施例4：
具有电流上限制层的ZnO和GaN组合的ZnO基端面发射激光器和具有电流上限制层的p型ZnO和n型GaN组合的ZnO基端面发射激光器，这两种激光器结构均见附图4。具有电流上限制层的ZnO和GaN组合的ZnO基端面发射激光器的制备工艺过程和实施例2的区别是多制备一层电流上限制层7，其余制备工艺工程完全一样；具有电流上限制层的p型ZnO和n型GaN组合的ZnO基端面发射激光器的制备工艺过程和实施例3的区别是多制备一层电流上限制层7，其余制备工艺过程完全一样。电流上限制层7可以是MgZnO、ZnBeO、ZnCdO、ZnNiO等禁带宽度大于ZnO基材料发光层4禁带宽度的薄膜材料，其导电类型和发光层4相同，其制备方法是采用MOCVD方法，在02100436.6号和ZL200410011164.0号专利所述的ZnO薄膜专用生长MOCVD设备中，在完成ZnO发光层4生长后，接着生长。
实施例5：
二氧化硅外条形电流限制窗口结构ZnO和GaN组合ZnO基端面发射激光器和二氧化硅外条形电流限制窗口结构p型ZnO和n型GaN组合ZnO基端面发射激光器。这两种激光器结构均见附图5，其特征在于：衬底1是导电的GaAs晶体片、导电的InP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2导电类型相同，同时在衬底1的下面制备有下电极5，在电流上限制层7上面制备一层二氧化硅电流隔离层10，光刻腐蚀出条形电流限制窗口11，再在二氧化硅电流隔离层10上面制备上电极6，上电极6通过条形电流限制窗口11接触到电流上限制层7，进行电流注入；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8和后反射镜9出光，条形电流限制窗口11的条形方向和芯片解理的前、后端面垂直。
和实施例4相对应的器件制备工艺相比较，其制备工艺的区别是在电流上限制层7上面，用用电子束蒸发台或溅射台在电流上限制层7上制备二氧化硅电流隔离层10，厚度为20～900纳米，光刻刻蚀或用光刻胶剥离工艺刻蚀出宽度为2～100微米，间距为的200～1000微米的条形电流限制窗口11，条形电流限制窗口11的条形方向和芯片解理的前、后端面垂直。其余制备工艺过程和实施例4相对应的器件制备工艺基本一样，不同之处是再将巴条锯切成管芯时，管芯的宽度要和条形电流限制窗口11的间距一致，为200～1000微米。
实施例6：
离子注入轰击条形电流限制窗口结构ZnO和GaN组合ZnO基端面发射激光器和离子注入轰击条形电流限制窗口结构p型ZnO和n型GaN组合ZnO基端面发射激光器。这两种激光器结构均见附图8，其特征在于：衬底1是导电的GaAs晶体片、导电的InP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2导电类型相同，同时在衬底1的下面制备有下电极5，在ZnO基材料发光层4中用离子注入轰击方法制备出一层高阻电流隔离层12，以形成条形电流限制窗口11；具体制备方法可以采用钨丝掩模质子轰击的制备方法；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8和后反射镜9出光，条形电流限制窗口11的条形方向和芯片解理的前、后端面垂直。
和实施例4相对应的器件制备工艺相比较，其制备工艺的区别是在ZnO基材料发光层4中用离子注入轰击方法制备出一层高阻电流隔离层12，并形成条形电流限制窗口11；具体的制备方法是在各外延层和上电极6制备好后，用钨丝掩模进行离子注入(钨丝掩模是用直径5～50微米的钨丝，排成间距200～1000微米做成的钨丝网)，注入的离子可以是氢离子(H+)，也可以是氦离子(He++)，还可以是其他离子，要控制离子注入的能量和剂量使高阻电流隔离层12形成在ZnO基材料发光层4内的中间，如图8所示，最好使高阻电流隔离层12上面的外延层在退火后还可以导电，这样有利于上电极6和电流上限制层7形成良好的欧姆接触，有利于减少激光器串联电阻；用钨丝做掩模时应将钨丝的方向和芯片解理方向垂直，这样形成的条形电流限制窗口11的宽度约为5～50微米，间距200～1000微米，形成的条形电流限制窗口11的条形方向就能和芯片解理的前、后端面垂直。其余制备工艺过程和实施例4相对应的器件制备工艺基本一样，不同之处是再将巴条锯切成管芯时，管芯的宽度要和钨丝网中钨丝的间距一致，为200～1000微米。
Claims (9)
1.一种p-ZnO和n-GaN组合的多层端面发射激光器，其芯片依次由衬底（1）、在衬底（1）上外延生长的n型GaN外延层（2）、在GaN外延层（2）上制备的Ga2O3电流下限制层（3）或n型AlGaN电流下限制层（3）、在电流下限制层（3）上制备的p型ZnO基材料发光层（4）、在ZnO基材料发光层（4）上面制备的p型宽带隙ZnO基三元系材料电流上限制层（7）、在电流上限制层（7）上制备的电极（6）构成，电流上限制层（7）的禁带宽度大于ZnO基发光层（4）的禁带宽度，其特征在于：衬底（1）是导电的GaAs晶体片、导电的InP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层（2）的导电类型相同，同时在衬底（1）的下面制备有下电极（5）；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜（8）和后反射镜（9），激光器在前反射镜（8）和后反射镜（9）出光。
2.如权利要求1所述的一种p-ZnO和n-GaN组合的多层端面发射激光器，其特征在于：在电流上限制层（7）和上电极（6）之间制备有一层二氧化硅电流隔离层（10），在二氧化硅电流隔离层（10）上光刻腐蚀出条形电流限制窗口（11），条形电流限制窗口（11）的条形方向和芯片解理的前、后端面垂直，上电极（6）通过条形电流限制窗口（11）接触到电流上限制层（7），从而进行电流注入。
3.如权利要求1所述的一种p-ZnO和n-GaN组合的多层端面发射激光器，其特征在于：在GaN外延层（2）和Ga2O3电流下限制层（3）之间制备有二氧化硅电流隔离层（10），在二氧化硅电流隔离层（10）上光刻腐蚀出条形电流限制窗口（11），条形电流限制窗口（11）的条形方向和芯片解理的前、后端面垂直。
4.如权利要求1所述的一种p-ZnO和n-GaN组合的多层端面发射激光器，其特征在于：在n型AlGaN电流下限制层（3）和p型ZnO基材料发光层（4）之间制备有二氧化硅电流隔离层（10），在二氧化硅电流隔离层（10）上光刻腐蚀出条形电流限制窗口（11），条形电流限制窗口（11）的条形方向和芯片解理的前、后端面垂直。
5.如权利要求1所述的一种p-ZnO和n-GaN组合的多层端面发射激光器，其特征在于：在ZnO基材料发光层（4）中用离子注入轰击方法制备出一层高阻电流隔离层（12），并形成条形电流限制窗口（11），条形电流限制窗口（11）的条形方向和芯片解理的前、后端面垂直。
6.如权利要求1所述的一种p-ZnO和n-GaN组合的多层端面发射激光器，其特征在于：在GaN外延层（2）和Ga2O3电流下限制层（3）之间制备有厚度为100～2000纳米的MgO电流隔离层（13），在MgO电流隔离层（13）上光刻腐蚀出条形电流限制窗口（11），条形电流限制窗口（11）的条形方向和芯片解理的前、后端面垂直。
7.如权利要求1所述的一种p-ZnO和n-GaN组合的多层端面发射激光器，其特征在于：在n型AlGaN电流下限制层（3）和p型ZnO基材料发光层（4）之间制备有一层厚度为100～2000纳米的MgO电流隔离层（13），在MgO电流隔离层（13）上光刻腐蚀出条形电流限制窗口（11）条形电流限制窗口（11）的条形方向和芯片解理的前、后端面垂直。
8.如权利要求1～7任一项所述的一种p-ZnO和n-GaN组合的多层端面发射激光器，其特征在于：ZnO基材料发光层（4）的材料为ZnO、ZnMgO、ZnBeO、ZnCdO或ZnNiO；电流上限制层（7）的材料为ZnMgO、ZnBeO、ZnCdO或ZnNiO。
9.权利要求1～7任一项所述的一种p-ZnO和n-GaN组合的多层端面发射激光器的制备方法，其特征在于：GaN外延层（2）、ZnO基材料发光层（4）、电流上限制层（7）均使用MOCVD方法进行制备。
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