CN108233176B

CN108233176B - 一种电注入GaN垂直腔面发射激光器结构及其制备方法

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Publication number: CN108233176B
Application number: CN201810080742.8A
Authority: CN
Inventors: 李林; 曾丽娜; 李再金; 赵志斌; 李特; 乔忠良; 任永学; 曲轶; 彭鸿雁
Original assignee: Hainan Normal University
Current assignee: Hainan Normal University
Priority date: 2018-01-28
Filing date: 2018-01-28
Publication date: 2020-07-28
Anticipated expiration: 2038-01-28
Also published as: CN108233176A

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1.2KA/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

1.一种电注入GaN垂直腔面发射激光器结构，其特征在于，包括底部分布布拉格反射镜层、多量子阱有源区、隧道结、电流注入层以及顶部分布布拉格反射镜层；引入电流注入层，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垂直腔面发射激光器光源；

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；底部分布布拉格反射镜层(3)，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；下势垒层(4)，为GaN材料，制作在底部分布布拉格反射镜层上；有源区(5)，为多量子阱，制作在下势垒层上；隧道结(6)，制作在有源区(5)上，为重掺杂n⁺⁺-GaN/p⁺⁺-GaN，n⁺⁺-GaN和p⁺⁺-GaN的掺杂浓度均为5×10¹⁹/cm³，厚度分别为15nm和10nm；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GaN材料，制作在电流注入层(7)上；顶部分布布拉格反射镜层(9)，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，该层制作在上势垒层上；欧姆接触层(10)，为n⁺-GaN材料，该层制作在顶部分布布拉格反射镜层上。

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结构，其特征在于只需一次外延生长即完成包括底部分布布拉格反射镜层、多量子阱有源区、隧道结、电流注入层以及顶部分布布拉格反射镜层在内的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分布布拉格反射镜结构，从而能够保证获得高质量的外延材料。

3.根据权利要求1所述的电注入GaN垂直腔面发射激光器结构制备方法，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分布布拉格反射镜的刻蚀钝化工艺；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，然后利用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电流注入孔径的刻蚀钝化工艺；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，然后利用恒定电压电化学刻蚀法，制作出GaN垂直腔面发射激光器外延片顶部分布布拉格反射镜和底部分布布拉格反射镜完整结构。

4.根据权利要求3中所述的电注入GaN垂直腔面发射激光器结构制备方法，其特征在于脉冲直流电压电化学刻蚀法是根据刻蚀溶液选择合适的刻蚀电压，控制样品开始刻蚀时的反应速率，刻蚀速率为1nm/s-3nm/s，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，这个过程为刻蚀钝化工艺。

5.根据权利要求3中所述的电注入GaN垂直腔面发射激光器结构制备方法，其特征在于脉冲直流电压电化学刻蚀法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。