CN106785909A - 用于全色显示照明的垂直腔面发射激光器阵列 - Google Patents

用于全色显示照明的垂直腔面发射激光器阵列 Download PDF

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Abstract

用于全色显示照明的垂直腔面发射激光器阵列，涉及半导体激光器。从下至上设有散热铜衬底、键合层、电流扩展与P型电极、电流限制层、P型GaN层、量子点有源区、N型GaN层和N型电极；所述N型GaN层、量子点有源区和P型GaN层依次生长在散热铜衬底上，电流限制层沉积在P型GaN层上，在电流限制层中开设P型电流注入孔，电流扩展与P型电极生长在注入孔中，在电流扩展与P型电极中沉积有P型电极和底部分布布拉格反射镜，键合层键合于底部分布布拉格反射镜与散热铜衬底之间，在N型GaN层上沉积N型电极和顶部分布布拉格反射镜，底部分布布拉格反射镜与顶部分布布拉格反射镜之间构成谐振腔。

Description

用于全色显示照明的垂直腔面发射激光器阵列
技术领域
本发明涉及半导体激光器，尤其是涉及用于全色显示照明的垂直腔面发射激光器阵列。
背景技术
半导体激光器由于其小体积、低功耗、低成本等优点，相比于固态激光器和气体激光器，受到了更大的关注与研究。基于不同半导体材料的禁带宽度，半导体激光器可覆盖从紫外到红外的宽光谱范围。当前，不同波长的半导体激光器已被成功研制并商业化，例如，2～5μm激光器用于生物医疗应用，1.3～1.55μm激光器用于光通信应用，850～1000nm激光器用于光互联技术，405～450nm激光器用于光刻、照明等应用。但是，在绿光波段，特别是500～600nm，半导体激光器的研究面临着较大的困难，进展一直比较缓慢，称之为"greengap”，也就是“绿色鸿沟”难题。而且，此波长范围的绿光对于广色域激光显示应用来说是极其重要的。
当前，绿光半导体激光器所使用的材料主要为以氮化镓(GaN)、氮化铟(InN)和氮化铝(AlN)为代表的氮化物半导体材料，有源区主要为InGaN量子阱。2009年，Nichia公司首次做出了波长大于500nm的绿光激光器，随后，Osram、Sumitomo等公司更是将激射波长推进至532nm，然而，激射波长的延伸随之带来阈值电流增大等问题依然存在，“绿色鸿沟”并没有得到有效解决。虽然二维InGaN量子阱材料已广泛应用于蓝光半导体激光器并且商业化，但是在绿光波段内，InGaN量子阱的发光效率会有显著的降低。这是因为发光波长越长，所需要的In组分就越高，然而较高的In组分会带来更大的晶格失配，这会带来高密度的缺陷以及较大的应力，应力则会造成量子限制斯塔克效应，使电子与空穴的辐射复合效率大幅度降低。上述原因都将使绿光波长的InGaN量子阱发光效率降低。这是当前绿光激光器面临的重要问题。
相比于量子阱结构，量子点这种零维结构有效地限制了电子和空穴，而且量子点有源区内部应力较小，量子限制斯塔克效应较为微弱，有利于获得更高的辐射发光效率和更低的阈值电流。密歇根大学研究组(M.Zhang,et al,A InGaN/GaN quantum dot green(λ＝524nm)laser,Appl.Phys.Lett.98,221104(2011))已报道了基于量子点结构的绿光边发射激光器，显示出量子点结构带来的优势。然而，边发射激光器由于其腔长很长，多达百μm量级，若要调整激射波长，需要改变材料的增益波长，如改变量子点In组分等，大大增加了制备成本与工艺复杂度。相比于边发射激光器，垂直腔面发射激光器的腔长很短，纵模间距较大，因而可通过调整腔长改变模式分布来实现对激射波长的有效控制，这对于实现广色域激光显示的应用是十分重要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低阈值、长激射波长的绿光垂直腔面发射激光器，解决“绿色鸿沟”问题，并实现多波长激射的绿光垂直腔面发射激光器阵列和广色域显示照明的用于全色显示照明的垂直腔面发射激光器阵列。
本发明从下至上设有散热铜衬底、键合层、电流扩展与P型电极、电流限制层、P型GaN层、量子点有源区、N型GaN层和N型电极；所述N型GaN层、量子点有源区和P型GaN层依次生长在散热铜衬底上，电流限制层沉积在P型GaN层上，在电流限制层中开设P型电流注入孔，电流扩展与P型电极生长在注入孔中，在电流扩展与P型电极中沉积有P型电极和底部分布布拉格反射镜，键合层键合于底部分布布拉格反射镜与散热铜衬底之间，在N型GaN层上沉积N型电极和顶部分布布拉格反射镜，底部分布布拉格反射镜与顶部分布布拉格反射镜之间构成谐振腔。
所述键合层可通过金属键合或电镀的方式形成，如Sn，Ni等，分布布拉格反射镜可通过物理气相沉积的方法形成，如TiO2/SiO2等，电流扩展层可采用ITO，电流限制层可采用SiO2、Si3N4等绝缘层，增益区采用InGaN量子点，电极材料可采用Cr/Au等材料。
两个分布布拉格反射镜构成谐振腔。使用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)在蓝宝石衬底上依次生长非掺杂GaN、N型GaN、量子点层、P型GaN。接着，沉积SiO2电流限制层，并开P型电流注入孔。然后，生长ITO电流扩展层并且图形化，再沉积P型电极与第一个分布布拉格反射镜。接下来通过键合方法键合至散热优良的铜衬底，并通过激光剥离方法去除原有的蓝宝石衬底。继续通过诱导耦合等离子体(ICP)刻蚀的方法去除非掺杂GaN与部分N型GaN，并结合化学机械抛光的方法调节N型GaN的厚度，最后沉积N型电极与第二个分布布拉格反射镜。通过控制ICP刻蚀时间，可制得具有不同谐振腔长度的垂直腔面发射激光器。
本发明通过设计不同的光刻版，结合ICP刻蚀技术，调整各激光器器件的谐振腔长以获得不同的激射波长，从而实现宽光谱范围内的垂直腔面发射激光器阵列，十分有利于广色域显示照明的应用。
本发明的优点是：采用量子点有源区实现低阈值、长波长的绿光垂直腔面发射激光器，有效解决当前的“绿色鸿沟”问题；使用铜衬底改善器件散热性能。同时，基于垂直腔面发射激光器腔长较短(～1μm)且易调控，可简化工艺步骤，实现具有不同激射波长的绿光垂直腔面发射激光器阵列。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：本发明通过引入量子点有源区结构，实现低阈值、长波长的绿光垂直腔面发射激光器，并通过对谐振腔长度的简易调控获得不同的激射波长，从而实现多波长绿光垂直腔面发射激光器阵列，十分有利于广色域显示照明应用。
附图说明
图1为具有量子点有源区的绿光垂直腔面发射激光器结构示意图；
图2为具有较长绿光激射波长的垂直腔面发射激光器激射波长；
图3为具有较长绿光激射波长的垂直腔面发射激光器特性；
图4为通过调整谐振腔长度制备而得的具有不同激射波长的绿光垂直腔面发射激光器特性；
图5为具有不同激射波长的垂直腔面发射激光器阵列示意图；
图6为基于多波长绿光垂直腔面发射激光器阵列形成的广色域示意图。
具体实施方式
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，对本发明进一步详细说明。
参见图1，本发明实施例从下至上设有散热铜衬底101、键合层102、电流扩展与P型电极104、电流限制层105、P型GaN层106、量子点有源区107、N型GaN层108和N型电极109；所述N型GaN层108、量子点有源区107和P型GaN层106依次生长在散热铜衬底101上，电流限制层105沉积在P型GaN层106上，在电流限制层105中开设P型电流注入孔，电流扩展与P型电极104生长在注入孔中，在电流扩展与P型电极104中沉积有P型电极和底部分布布拉格反射镜103，键合层102键合于底部分布布拉格反射镜103与散热铜衬底101之间，在N型GaN层108上沉积N型电极109和顶部分布布拉格反射镜110，底部分布布拉格反射镜103与顶部分布布拉格反射镜110之间构成谐振腔。
其中，键合层102可通过金属键合或电镀的方式形成，如Sn，Ni等，分布布拉格反射镜可通过物理气相沉积的方法形成，如TiO2/SiO2等，电流扩展层可采用ITO，电流限制层可采用SiO2、Si3N4等绝缘层，增益区采用InGaN量子点，电极材料可采用Cr/Au等材料。
本发明具体实施例中制备了采用InGaN量子点有源区的绿光垂直腔面发射激光器，衬底为散热铜衬底，采用低温Sn金属键合层，ITO电流扩展层，12.5对TiO2/SiO2构成的底部分布布拉格反射镜，11.5对TiO2/SiO2构成的顶部分布布拉格反射镜以及Cr/Au电极。由底部分布布拉格反射镜和顶部分布布拉格反射镜构成器件的谐振腔，可通过ICP刻蚀与化学机械抛光的方法调控谐振腔长度，以获得不同激射波长的绿光垂直腔面发射激光器。
图2和图3为本发明具体实施例中绿光垂直腔面发射激光器特性，其具有低阈值电流密度0.78kA/cm2，激射波长可达560.4nm，远超过已报导的绿光激光器的激射波长。
图4为本发明具体实施例中通过调控谐振腔长度而制备而得具有不同绿光激射波长的垂直腔面发射激光器特性，覆盖波长范围为491.8～565.7nm，有效地解决了当前面临的“绿色鸿沟”问题。
图5为基于图4中具有不同绿光激射波长的垂直腔面发射激光器组成的阵列示意图，通过设计不同的光刻板，结合ICP刻蚀技术，调整各激光器的谐振腔长度以获得不同的激射波长，从而实现宽光谱范围内的垂直腔面发射激光器阵列。
图6为基于本发明具体实施例中的多波长绿光垂直腔面发射激光器阵列形成的广色域示意图。相比于传统的RGB三色激光器，覆盖“绿色鸿沟”的多波长垂直腔面发射激光器显示出的广色域将十分有利于更优异的显示照明应用。其中蓝色(波长450nm)和红光(波长630nm)激光器可采用已有的半导体激光器。
由上述可知，在本发明的实施例中，通过引入InGaN量子点有源区制备绿光垂直腔面发射激光器，实现了低阈值、长波长的优异器件特性。同时，通过调控谐振腔长度的方法制备具有不同激射波长的垂直腔面发射激光器阵列，将更有利于广色域显示照明的应用。需要特别指出的是，这些不同波长的绿光激光器可以通过微电子工艺实现单片集成，具有体积小、重量轻等优点。

Claims (6)

1.用于全色显示照明的垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于其从下至上设有散热铜衬底、键合层、电流扩展与P型电极、电流限制层、P型GaN层、量子点有源区、N型GaN层和N型电极；所述N型GaN层、量子点有源区和P型GaN层依次生长在散热铜衬底上，电流限制层沉积在P型GaN层上，在电流限制层中开设P型电流注入孔，电流扩展与P型电极生长在注入孔中，在电流扩展与P型电极中沉积有P型电极和底部分布布拉格反射镜，键合层键合于底部分布布拉格反射镜与散热铜衬底之间，在N型GaN层上沉积N型电极和顶部分布布拉格反射镜，底部分布布拉格反射镜与顶部分布布拉格反射镜之间构成谐振腔。
2.如权利要求1所述用于全色显示照明的垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于所述键合层通过金属键合或电镀的方式形成。
3.如权利要求1所述用于全色显示照明的垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于所述分布布拉格反射镜通过物理气相沉积的方法形成。
4.如权利要求1所述用于全色显示照明的垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于电流扩展采用ITO。
5.如权利要求1所述用于全色显示照明的垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于所述电流限制层采用SiO2、Si3N4绝缘层。
6.如权利要求1所述用于全色显示照明的垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于所述电极材料采用Cr/Au材料。
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