CN107404066B - 全介质膜dbr结构氮化镓面发射激光器的制备方法 - Google Patents

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Abstract

全介质膜DBR结构氮化镓面发射激光器的制备方法，涉及激光器。在蓝宝石衬底上外延具有p‑down结构的激光器外延层；在外延片上制作图形化的介质膜DBR，然后磁控溅射n型电极；电镀铜作为替代支撑衬底并激光剥离去除蓝宝石衬底；生长SiO2电流限制层及ITO电流扩展层；溅射p型电极、制作图形化的介质膜上DBR并分离器件完成器件的制备。实现了具有铜衬底、SiO2电流限制层位于器件上表面的全介质膜GaN基面发射激光器。SiO2电流限制层位于有源区上侧避免了位于有源区下侧与衬底之间所造成的有源区热量拥堵，散热差的问题，可以改善器件的散热性能并提高光功率。

Description

全介质膜DBR结构氮化镓面发射激光器的制备方法
技术领域
本发明涉及激光器，尤其是涉及一种具有电镀铜衬底、电流限制层位于有源区上侧的全介质膜DBR结构氮化镓面发射激光器的制备方法。
背景技术
氮化镓基材料是具有连续可调带隙的宽禁带第三代半导体材料，通过调整组分，氮化镓基材料的发光波长可以覆盖从紫外到红外波段[1]。另外，氮化镓基材料也具有稳定的机械、化学性能和高击穿电压，是制作制作各类发光器件以及功率电子器件的理想材料。
GaN基垂直腔面发射激光器在固态照明、高密度光存储、高分辨率打印以及生物传感等方面有着广泛的应用前景，是近几年来的研究热点之一。与传统边发射激光器相比，面发射激光器有着体积小、阈值低、圆形对称光斑、容易实现单模激射等优点[2]。
全介质膜DBR结构是制作氮化镓基面发射激光器所采用的一种典型结构，即上下DBR都为介质膜DBR[3]。这种结构一般通过沉底转移技术实现，即制作完图形化的下介质膜DBR之后将样品倒置，之后转移到新的衬底并去除原有衬底，最后制作上介质膜DBR，实现全介质膜DBR结构。若外延片使用传统n型GaN在下，p型GaN在上的结构，则电流限制层则是在有源区下侧，掩埋在p型GaN与衬底之间；若外延片使用p-down型，即p型GaN在下，n型GaN在上，则器件经过衬底转移后电流限制层位于有源区上侧在p型GaN与p电极之间。图1和2分别展示了电流限制层位于有源区上侧以及下侧两种结构示意图。当电流限制层位于有源区下侧时，由于电流限制层热导率比较低，有源区产生的热量不能有效地传导到衬底造成热量拥堵，影响器件性能。当电流限制层位于有源区上侧时，热传导不再受电流限制层阻碍，散热效率提高，使用电镀铜衬底会进一步改善器件散热性能。
参考文献：
[1].S.Mokkapati,C.Jagadish,III-V compound SC for optoelectronicdevices.Materials Today；12:22-32(2009).
[2].R.Shimada and H.Wide bandgap semiconductor-based surface-emitting lasers:recent progress in GaN-based vertical cavity surface-emittinglasers and GaN-/ZnO-based polariton lasers.Proc.IEEE 98(7),1220-1233(2010).
[3].Y.Higuchi,K.Omae,H.Matsumura,and T.Mukai,“Room-temperature CWlasing of a GaN-based verticalcavity surface-emitting laser by currentinjection,”Appl.Phys.Express 1(12),121102(2008).
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有电镀铜衬底、电流限制层位于有源区上侧，电流限制层位于有源区上侧改善了器件散热性能的全介质膜DBR结构氮化镓面发射激光器的制备方法。
本发明包括以下步骤：
1)在蓝宝石衬底上外延具有p-down结构的激光器外延层；
2)在外延片上制作图形化的介质膜DBR，然后磁控溅射n型电极；
3)电镀铜作为替代支撑衬底并激光剥离去除蓝宝石衬底；
4)生长SiO2电流限制层及ITO电流扩展层；
5)溅射p型电极、制作图形化的介质膜上DBR并分离器件完成器件的制备。
在步骤1)中，所述p-down结构的激光器外延层为沿生长方向依次外延p型GaN、p型AlGaN电子阻挡层、量子阱有源区以及n型GaN。
在步骤2)中，所述n型电极可采用Cr/Au电极；所述n型电极可同时作为步骤3)中电镀用电极。
在步骤3)中，所述电镀铜作为替代支撑衬底可采用电镀方法制作。
在步骤4)中，所述SiO2电流限制层可位于有源区上侧，介于p型GaN与p型电极之间。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提出一种新的氮化镓基面发射激光器的制备方案。使用具有p-down结构的激光器外延片以及衬底转移技术可以实现具有电镀铜衬底、电流限制层位于有源区上侧氮化镓面发射激光器。相比于电流限制层位于有源区下侧的面发射激光器，有源区中产生的热量不会受到电流限制层的阻碍从而可以有效地传导至热导率较高的铜衬底。这将有效的提高器件的散热能力，改善器件的性能。
附图说明
图1为电流限制层位于有源区下侧的面发射激光器的剖面示意图；
图2为电流限制层位于有源区上侧的面发射激光器的剖面示意图；
图3为p-down类型外延结构示意图；
图4为在n型GaN表面制作图形化的介质膜DBR以及n电极之后样品示意图；
图5为电镀铜衬底之后样品示意图；
图6为激光剥离去除蓝宝石衬底之后样品示意图；
图7为在激光剥离后p型GaN表面制作ITO、n电极、电流限制层、上DBR完成制作之后器件示意图。
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，以下结合附图，对本发明的工艺流程进一步详细说明。但本领域技术人员都知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例。
1)如图3所示，使用MOCVD方法在蓝宝石衬底21上生长p-down型结构外延层：依次生长2um未掺杂的u-GaN外延层22、1um掺Mg的p型GaN外延层23、InGaN/GaN多量子阱有源层(3nm/5nm×5)24、100nm掺Si的n型GaN外延层25。
2)如图4所示，在外延片的n型GaN表面使用光刻、溅射的方法制作SiO2/TiO2介质膜DBR 31，之后使用剥离的方法使之图形化。然后用磁控溅射的方法生长一整层的Cr/Au电极32，将DBR与n型GaN表面覆盖。
3)如图5所示，使用电镀的方法在Cr/Au电极表面电镀200um的铜作为替代衬底41。
4)如图6所示，使用激光剥离的方法去除蓝宝石衬底，将样品转移至铜衬底上。
5)如图7所示，在样品的p型GaN表面磁控溅射生长一层30nm的ITO层61并进行退火作为欧姆接触层与电流扩展层，之后使用光刻、ICP刻蚀的方法将其图形化。之后光刻、磁控溅射生长一层200nm厚的SiO2电流限制层62，并用剥离的方法图形化，使电流限制层上开出的小孔与ITO重合。光刻，磁控溅射生长Cr/Au电极63，并用剥离的方法图形化，使电极金属层上开出的小孔电流限制层得小孔重合并与ITO接触，形成腔内接触结构。光刻，制作上介质膜DBR 64并图形化，最后分离器件完成器件制作。
本发明使用使用具有p-down结构的激光器外延片以及衬底转移技术可以实现具有电镀铜衬底、电流限制层位于有源区上侧氮化镓面发射激光器。相比于电流限制层位于有源区下侧的面发射激光器，有效的提高器件的散热能力，改善器件的性能，有着广泛的应用前景。

Claims (5)

1.全介质膜DBR结构氮化镓面发射激光器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)在蓝宝石衬底上外延具有p-down结构的激光器外延层；
2)在外延片上制作图形化的介质膜DBR，然后磁控溅射n型电极；
3)电镀铜作为替代支撑衬底并激光剥离去除蓝宝石衬底；
4)生长SiO2电流限制层及ITO电流扩展层；
5)溅射p型电极、制作图形化的介质膜上DBR并分离器件完成器件的制备；
其中，使用MOCVD方法在蓝宝石衬底上生长p-down结构的激光器外延层，具体操作为，依次生长未掺杂的u-GaN外延层、掺Mg的p型GaN外延层、InGaN/GaN多量子阱有源层、掺Si的n型GaN外延层。
2.如权利要求1所述全介质膜DBR结构氮化镓面发射激光器的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述n型电极采用Cr/Au电极。
3.如权利要求1所述全介质膜DBR结构氮化镓面发射激光器的制备方法，其特征在于所述n型电极同时作为步骤3)中电镀用电极。
4.如权利要求1所述全介质膜DBR结构氮化镓面发射激光器的制备方法，其特征在于在步骤3)中，所述电镀铜作为替代支撑衬底采用电镀方法制作。
5.如权利要求1所述全介质膜DBR结构氮化镓面发射激光器的制备方法，其特征在于在步骤4)中，所述SiO2电流限制层位于有源区上侧，介于p型GaN与p型电极之间。
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Resonant-cavity blue light-emitting diodes fabrication by two-step substrate transfer technique;X.L.Hu. et al.;《Electronics Letters》;20110818;第47卷(第17期);第1页左栏，附图1

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