CN108233176A - 一种电注入GaN垂直腔面发射激光器结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体光电子技术领域，涉及一种电注入GaN垂直腔面发射激光器(VCSEL)结构及其制备方法，包括底部分布布拉格反射镜(DBR)和顶部DBR以及电流注入孔径的制作方法，从而实现GaN基VCSEL电注入激光光源。本发明提出一种带有VCSEL电流注入层外延结构，即在隧道结上方外延生长一层电流注入层，然后利用电化学刻蚀工艺制备出电流注入孔径。本发明无需二次外延生长顶部DBR结构，只需一次外延生长即可完成GaN垂直腔面发射激光器完整外延结构，从而能够保证获得高质量的外延材料。本发明提出的VCSEL电流注入结构能有效地限制侧向电流的扩散，提高电流注入多量子阱有源区的均匀性，降低器件的阈值电流密度，从而有利于实现VCSEL电注入激光光源。

Description

一种电注入GaN垂直腔面发射激光器结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种电注入GaN垂直腔面发射激光器结构及其制备方法，属于半导体光电子技术领域。

背景技术

垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，简称VCSEL)，其谐振腔是利用在有源区（Active region）的上下两边形成两个具有高反射率的分布布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflector, 简称DBR) 构成，激光沿着材料外延生长方向垂直出射。与边发射激光器 (Edge Emitting Laser，简称EEL)相比，VCSEL具有圆形光斑，易与光纤进行耦合，不必解理即可完成工艺制作和检测，易于实现大规模阵列及光电集成等优势。氮化镓（GaN）基VCSEL可应用于高密度光存储（波长越短存储密度越高）、高分辨率激光印刷、激光显示和照明、生物光子学以及原子光学等应用领域。

近二十年来，研究开发GaN基VCSEL已经成为光电子研究领域中的国际前沿和热点，国内外都投入了大量的人力和物力进行基础和应用开发研究。然而，与GaN基EEL或者GaAs基VCSEL相比，GaN基VCSEL的研究开发进展则相对缓慢，其主要原因是外延生长高质量的氮化物异质结(AlN/GaN、AlGaN/GaN或AlInN/GaN) DBR非常困难。为了降低外延生长氮化物异质结DBR的难度，研究人员采用外延生长氮化物异质结DBR（Epitaxial DBR）和介质膜DBR (Dielectric DBR)组成的混合式VCSEL结构，在衬底上外延生长底部氮化物异质结DBR与发光层，再镀膜沉积顶部介质膜DBR。由于介质膜DBR不受晶格匹配的限制，可以自由选用折射率差值大的两种介质材料，因此更易于获得高反射率和高反射带宽。1999年《Science》杂志报道了日本东京大学的研究小组利用外延生长的AlGaN/GaN氮化物底部DBR和ZrO2/SiO2介质膜顶部DBR组成的混合式VCSEL，率先实现了室温脉冲激射。2010年台湾交通大学的研究小组外延生长了AlN/GaN DBR和Ta2O5/SiO2介质膜DBR结构的混合式VCSEL，实现了室温连续电注入激射，阈值电流密度为12.4KA/cm2；2015年实现了VCSEL的阈值电流密度为10.6KA/cm2，输出功率达到0.9mW。2012年瑞士洛桑凝聚态物理研究所研制了GaN衬底上外延生长晶格匹配的AlInN/GaN底部DBR和TiO2/SiO2介质膜顶部DBR结构的混合式VCSEL，实现了室温脉冲电注入VCSEL激射。与此同时，一些研究者提出了双介质膜DBR结构的(Dielectric DBR) VCSEL，即通过薄膜转移的方式去除原始衬底，从而实现由底部和顶部两部分介质膜DBR构成的VCSEL。2012年日本松下公司实现了ZrO2/SiO2双介质膜DBR结构VCSEL室温连续电注入激射。2014年厦门大学研究小组实现了ZrO2／SiO2双介质膜DBR结构VCSEL室温连续电注入激射，其阈值电流密度降低至1.2 KA/cm2。2015年美国加州大学圣巴巴拉分校的研究小组实现了Ta2O5/SiO2双介质膜DBR结构VCSEL在室温下脉冲激射，在采用厚度小于50nm的ITO膜内腔电极时，器件阈值电流密度达到了8KA/cm2；当进一步采用隧道结代替吸收系数较大的ITO膜内腔电极时，器件的阈值电流密度下降至3.5KA/cm2。2016年日本索尼公司报道了Ta2O5/SiO2和SiN / SiO2双介质膜DBR结构VCSEL，器件的阈值电流密度为22KA/cm2，室温连续输出功率达到了1.1mW。

为了解决外延生长高质量氮化物异质结DBR的难题，近几年利用电化学刻蚀技术，把较高掺杂浓度的n型GaN（n+-GaN）样品作为阳极，浸泡在酸性或碱性电解质中，在一定电偏压的作用下，n+-GaN发生电化学刻蚀反应形成纳米多孔GaN结构。2015年耶鲁大学的研究结果表明，外延生长不同掺杂浓度的n型GaN（n-GaN/n+-GaN）DBR同质结构样品，n+-GaN在电化学刻蚀工艺过程中形成不同孔径的纳米多孔GaN结构的变化规律。由于该GaN/NP-GaN结构DBR具有折射率差值较大（Δn≥0.5）的优势，因此使用较少对数的DBR就能够获得高反射率（R＞99%），并且高反射带宽在红光-蓝绿光范围内可调，表明了GaN/NP-GaN构成的DBR具有高反射率和良好可控性，从而为制作外延生长高质量GaN基VCSEL谐振腔奠定了坚实基础。

本发明提出一种电注入GaN垂直腔面发射激光器结构及其制备方法，实现GaN基VCSEL电注入光源。本发明提出一种带有VCSEL电流注入孔径外延结构，即在隧道结上方外延生长一层电流注入层，然后利用电化学刻蚀工艺制备出电流注入孔径。本发明只需一次外延生长电注入GaN垂直腔面发射激光器包括底部DBR、多量子阱有源层、电流注入层以及顶部DBR完整外延结构即可，无需二次外延生长顶部DBR结构。这种VCSEL电流注入结构能有效地限制侧向电流的扩散，提高电流注入多量子阱有源区的均匀性，降低器件的阈值电流密度，从而有利于实现VCSEL电注入激光光源。

发明内容

本发明的目的在于提出一种电注入GaN垂直腔面发射激光器外延结构，通过电化学刻蚀方法制备电流注入孔径层来实现。

为了实现上述目的，本发明提出了一种电注入GaN垂直腔面发射激光器外延结构，在衬底层上由下至上依次包括：蓝宝石衬底，该衬底用于在其上外延生长垂直腔面发射激光器各层材料；缓冲层，为厚度是1000nm的GaN材料，该缓冲层制作在衬底上，用于阻止衬底中缺陷的转移；底部DBR层，为外延生长不同掺杂浓度的n型GaN（n-GaN/n+-GaN）DBR同质结构材料；下势垒层，为厚度是100nm的GaN材料，制作在底部DBR层上；有源区，为多量子阱，该层制作在下势垒层上；隧道结，该层制作在多量子阱层上；电流注入层，该层制作在隧道结上；上势垒层，为厚度是100nm的GaN材料，制作在有源区上；顶部DBR层，为外延生长不同掺杂浓度的n型GaN（n-GaN/n+-GaN）DBR同质结构材料，该DBR层制作在上势垒层上；欧姆接触层，为厚度是300nm的n+-GaN材料，该层制作在顶部DBR层上。

在n+-GaN发生电化学刻蚀反应形成纳米多孔GaN结构过程中，保持刻蚀电压恒定不变，刻蚀电流呈指数下降，刻蚀速率快速降低。这种纳米多孔GaN结构长时间浸泡在反应溶液中，将导致纳米孔壁变得非常脆弱，纳米孔局部常会出现碎裂的现象。为了提高纳米多孔GaN样品的刻蚀速率，减少样品在反应溶液中的浸泡时间，本发明提出一种脉冲直流电压电化学刻蚀法制备GaN DBR。即采用脉冲直流恒压电源，调节起始刻蚀电压、矩形波电压脉冲宽度和间隔时间，从而有效控制样品纳米孔的刻蚀速率。和恒定刻蚀电压相比，采用脉冲直流电压制备GaN DBR方法，可将纳米孔的刻蚀速率提高3-5倍左右。该方法在提高纳米多孔GaN样品刻蚀速率的同时，保证了样品的纳米孔的完整性。

本发明提出一种电注入GaN垂直腔面发射激光器DBR和电流注入孔径的制作方法。具体步骤如下：首先GaN垂直腔面发射激光器外延片第一次光刻、ICP刻蚀示意图如图2所示。然后进行GaN垂直腔面发射激光器外延片顶部DBR刻蚀钝化工艺示意图如图3所示。通常，刻蚀电压越大，刻蚀速度越快，多孔GaN尺寸越大。在进行顶部DBR刻蚀钝化工艺过程中，如何选择刻蚀电压是非常重要的因素之一，由较低刻蚀电压（通常根据刻蚀溶液选择合适的刻蚀电压，刻蚀速率约为1nm/s -3nm/s）控制样品开始刻蚀时的反应速率，刻蚀一段时间达到所设计的刻蚀深度后，升高电压至原来刻蚀电压的1.5倍以上，刻蚀速度急剧下降，如刻蚀反应终止一样，不能继续进行有效刻蚀，即使再降低刻蚀电压至原来的数值，刻蚀反应同样不能继续进行，这个过程我们称之为DBR刻蚀钝化工艺。其次进行GaN垂直腔面发射激光器外延片第二次光刻、ICP刻蚀，GaN垂直腔面发射激光器外延片电流注入孔径制作示意图如图4所示，利用DBR刻蚀钝化工艺，选择合适的刻蚀电压电化学刻蚀至有效电流注入孔径时，升高刻蚀电压进行电流注入孔径刻蚀钝化处理工艺，从而保持电流注入孔径尺寸不变。最后进行GaN垂直腔面发射激光器外延片第三次光刻、ICP刻蚀，GaN垂直腔面发射激光器外延片顶部和底部DBR制作示意图如图5所示，选择合适的刻蚀电压电化学刻蚀至顶部和底部DBR全部刻蚀完成示意图如图6所示。

附图说明

图1是一种电注入GaN垂直腔面发射激光器外延结构示意图，1为衬底，2为缓冲层，3为底部DBR层，4为下势垒层，5为有源区，6为隧道结，7为电流注入层，8为上势垒层，9为顶部DBR层，10为欧姆接触层。

图 2是GaN垂直腔面发射激光器外延片第一次光刻、ICP刻蚀示意图，1为衬底，2为缓冲层，3为底部DBR层，4为下势垒层，5为有源区，6为隧道结，7为电流注入层，8为上势垒层，9为顶部DBR层，10为欧姆接触层，20为第一次光刻、ICP刻蚀沟道。

图 3是GaN垂直腔面发射激光器外延片顶部DBR刻蚀钝化示意图，1为衬底，2为缓冲层，3为底部DBR层，4为下势垒层，5为有源区，6为隧道结，7为电流注入层，8为上势垒层，9为顶部DBR层，10为欧姆接触层，20为第一次光刻、ICP刻蚀沟道，21为DBR刻蚀钝化区。

图4为GaN垂直腔面发射激光器外延片电流注入孔径制作示意图，1为衬底，2为缓冲层，3为底部DBR层，4为下势垒层，5为有源区，6为隧道结，7为电流注入层，8为上势垒层，9为顶部DBR层，10为欧姆接触层，21为DBR刻蚀钝化区，22为第二次光刻、ICP刻蚀沟道，23为电流注入孔径区。

图5为GaN垂直腔面发射激光器外延片顶部和底部DBR制作示意图，1为衬底，2 为缓冲层，3为底部DBR层，4为下势垒层，5为有源区，6为隧道结，7为电流注入层，8 为上势垒层，9为顶部DBR层，10为欧姆接触层，21为DBR刻蚀钝化区，22为第二次光刻、 ICP刻蚀沟道，23为电流注入孔径区，24为第三次光刻、ICP刻蚀沟道。

图6为GaN垂直腔面发射激光器外延片顶部和底部DBR全部刻蚀完成示意图。

请参阅图1，图1是本发明的一种具体实施方式：本发明提出了一种电注入GaN垂直腔面发射激光器外延结构，在衬底层上由下至上依次包括：蓝宝石衬底1，该衬底用于在其上外延生长垂直腔面发射激光器各层材料；缓冲层2，为厚度是1000nm的GaN材料，该缓冲层制作在衬底上，用于阻止衬底中缺陷的转移；底部DBR层3，为外延生长不同掺杂浓度的n型GaN（n-GaN/n+-GaN）DBR同质结构材料，底部DBR总共20对，厚度分别为40nm和55nm，n-GaN掺杂浓度为n=1×1018/cm3，n+-GaN掺杂浓度为n=1×1019/cm3 ；下势垒层4，为厚度是100nm的GaN材料，制作在底部DBR层上；有源区5，为多量子阱，其发光波长为420nm-430nm，该层制作在下势垒层上；隧道结6，为重掺杂n++-GaN/p++-GaN，n++-GaN和p++-GaN的掺杂浓度均5×1019/cm3，厚度分别为15nm和10nm，该层制作在多量子阱层上；电流注入层7，为厚度是50nm的n+-GaN材料，掺杂浓度为n=1×1019/cm3，该层制作在隧道结上；上势垒层8，为厚度是100nm的GaN材料，制作在有源区上；顶部DBR层9，为外延生长不同掺杂浓度的n型GaN（n-GaN/n+-GaN）DBR同质结构材料，顶部DBR总共15对，厚度分别为40nm和55nm，n-GaN掺杂浓度为n=1×1018/cm3，n+-GaN掺杂浓度为n=1×1019/cm3，该DBR层制作在上势垒层上；欧姆接触层10，为厚度是300nm的n+-GaN材料，掺杂浓度为n=5×1019/cm3，该层制作在顶部DBR层上。

请参阅图2 - 图5，图2 - 图5是本发明的一种具体实施方式：本发明提出一种电注入GaN垂直腔面发射激光器DBR和电流注入孔径的制作方法。具体步骤如下：首先GaN垂直腔面发射激光器外延片第一次光刻、ICP刻蚀。如图2所示，1为衬底，2为缓冲层，3为底部DBR层，4为下势垒层，5为有源区，6为隧道结，7为电流注入层，8为上势垒层，9为顶部DBR层，10为欧姆接触层，20为第一次光刻、ICP刻蚀沟道；然后进行GaN垂直腔面发射激光器外延片顶部DBR刻蚀钝化工艺。如图3所示，20为第一次光刻、ICP刻蚀沟道，21为DBR刻蚀钝化区。刻蚀溶液为硝酸（硝酸质量分数约为68%，以下无特殊说明硝酸质量分数相同），采用脉冲直流恒压电源，调节刻蚀电压1.5V、矩形波电压脉冲宽度30s和间隔时间10s，样品纳米孔的刻蚀速率2nm/s。刻蚀1.5小时后，升高电压至2.5V，5分钟后反应结束。其次进行GaN垂直腔面发射激光器外延片第二次光刻、ICP刻蚀，GaN垂直腔面发射激光器外延片电流注入孔径制作。如图4所示，21为DBR刻蚀钝化区，22为第二次光刻、ICP刻蚀沟道，23为电流注入孔径区。刻蚀溶液为硝酸，刻蚀电压为1.5V，刻蚀速率约为2nm/s，刻蚀约5小时左右，电流注入孔径尺寸约为10微米，升高电压至2.5V，5分钟后反应结束。最后进行GaN垂直腔面发射激光器外延片第三次光刻、ICP刻蚀，GaN垂直腔面发射激光器外延片顶部和底部DBR制作示意图如图5所示，21为DBR刻蚀钝化区，22为第二次光刻、ICP刻蚀沟道，23为电流注入孔径区，24为第三次光刻、ICP刻蚀沟道。刻蚀溶液为硝酸，刻蚀电压为1.5V，刻蚀速率约为2nm/s，刻蚀4小时后反应结束，GaN垂直腔面发射激光器外延片顶部和底部DBR全部刻蚀完成。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种电注入GaN垂直腔面发射激光器（VCSEL）结构，其特征在于，包括底部分布布拉格反射镜（DBR）、多量子阱有源层、隧道结、电流注入层以及顶部DBR。

2.根据权利要求1所述的一种电注入GaN垂直腔面发射激光器（VCSEL）结构，其特征在于引入一种电流注入层，通过优化电流注入层结构来限制侧向电流的扩散，提高电流注入多量子阱有源区的均匀性，降低器件的阈值电流密度，从而有利于实现电注入VCSEL光源。

3.根据权利要求1所述的一种电注入GaN垂直腔面发射激光器（VCSEL）结构，其特征在于只需一次外延生长即可完成包括底部DBR、多量子阱有源层、隧道结、电流注入层以及顶部DBR在内的GaN垂直腔面发射激光器完整外延结构，无需二次外延生长顶部DBR结构，从而能够保证获得高质量的外延材料。

4.根据权利要求1所述的一种电注入GaN垂直腔面发射激光器（VCSEL）结构，在衬底层上由下至上依次包括：蓝宝石衬底1，该衬底用于在其上外延生长垂直腔面发射激光器各层材料；缓冲层2，为GaN材料，该缓冲层制作在衬底上，用于阻止衬底中缺陷的转移；底部DBR层3，为外延生长不同掺杂浓度的n型GaN（n-GaN/n⁺-GaN）DBR同质结构材料；下势垒层4，为GaN材料，制作在底部DBR层上；有源区5，为多量子阱，该层制作在下势垒层上；隧道结6，该层制作在多量子阱层上，电流注入层7，该层制作在隧道结上，上势垒层8，为GaN材料，制作在有源区上；顶部DBR层9，为外延生长不同掺杂浓度的n型GaN（n-GaN/n⁺-GaN）DBR同质结构材料，该DBR层制作在上势垒层上；欧姆接触层10，为n⁺-GaN材料，该层制作在顶部DBR层上。

5.根据权利要求1所述的电注入GaN垂直腔面发射激光器（VCSEL）结构制备方法，其特征在于具体步骤为：首先GaN垂直腔面发射激光器外延片第一次光刻、ICP刻蚀，然后利用一种脉冲直流电压电化学刻蚀法，进行GaN垂直腔面发射激光器外延片顶部DBR刻蚀钝化工艺；其次进行GaN垂直腔面发射激光器外延片第二次光刻、ICP刻蚀，制作出GaN垂直腔面发射激光器外延片电流注入孔径；最后进行GaN垂直腔面发射激光器外延片第三次光刻、ICP刻蚀，制作出GaN垂直腔面发射激光器外延片顶部DBR和底部DBR完整结构。

6.根据权利要求5中所述的GaN垂直腔面发射激光器外延片顶部DBR刻蚀钝化工艺，其特征在于由较低刻蚀电压（通常根据刻蚀溶液选择合适的刻蚀电压，刻蚀速率约为1nm/s -3nm/s），控制样品开始刻蚀时的反应速率，刻蚀一段时间达到所设计的刻蚀深度后，升高电压至原来刻蚀电压的1.5倍以上时，刻蚀速度急剧下降，如刻蚀反应终止一样，不能继续进行有效刻蚀，即使再降低刻蚀电压至原来的数值，刻蚀反应同样不能继续进行，这个过程为DBR刻蚀钝化工艺。

7.根据权利要求5中所述的GaN垂直腔面发射激光器电流注入孔径制作工艺，其特征在于利用DBR刻蚀钝化工艺，选择合适的刻蚀电压电化学刻蚀至有效电流注入孔径时，升高刻蚀电压进行电流注入孔径刻蚀钝化处理后，制作出电流注入孔径。

8.根据权利要求5中所述的一种脉冲直流电压电化学刻蚀法，其特征在于采用脉冲直流恒压电源，调节起始刻蚀电压、矩形波电压脉冲宽度和间隔时间，控制样品纳米孔的刻蚀速率，和恒定刻蚀电压电化学刻蚀法相比，采用脉冲直流电压电化学刻蚀法，可将GaN纳米孔的刻蚀速率提高3-5倍左右。