CN108718030B - 一种低电阻、低热阻的氮化物半导体微腔激光器结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种半导体微腔激光器结构及其制备方法，将在氮化物半导体的
Figure DDA0001639000930000011
氮面制备微腔激光器，(0001)镓面的p型欧姆接触采用整面接触的方式，大幅降低微腔激光器的串联电阻；微腔激光器的热量直接传导到高热导率的热沉中，在
Figure DDA0001639000930000012
氮面制备微腔激光器，采用湿法腐蚀的方法制作微腔激光器的侧壁，可以大幅提升微腔激光器的稳定性，采用AlInGaN、ITO、AZO、IGZO、多孔GaN、Ag、Al、ZnO、MgO、Si、SiO2、SiNx、TiO2、ZrO2、AlN、Al2O3、Ta2O5、HfO2、HfSiO4、AlON材料作为微腔激光器的光学限制层，提供强的光学限制。本发明提出的新型氮化物半导体微腔激光器结构具有电阻小、热阻低、易实现电注入和稳定性及可靠性好等优点，可大幅增强氮化物半导体微腔激光器的性能和寿命。

Description

一种低电阻、低热阻的氮化物半导体微腔激光器结构及其制 备方法
技术领域
本发明涉及一种低电阻、低热阻的氮化物半导体微腔激光器结构 及其制备方法，特别涉及一种电阻小、热阻低且易实现电注入激射的 III-V族氮化物半导体微腔激光器结构及其制备方法，属于半导体光 电技术领域。
背景技术
III-V族氮化物半导体被称为第三代半导体材料，具有禁带宽度 大、化学稳定性好、抗辐照性强等优点；其禁带宽度涵盖从深紫外、 整个可见光、到近红外范围，可用于制作发光二极管和激光器等。回 音壁模式(Whispering-gallery Mode)微腔激光器具有模式体积小、 品质因子高、阈值低等优点。基于III-V族氮化物半导体材料的微腔 激光器，可用于光纤通信、光学存储和化学生物探测等等，不仅如此， 生长在Si衬底上的III-V族氮化物半导体微腔激光器还可以用于光 电集成。基于此，III-V族氮化物半导体微腔激光器受到了学术界和 产业界的广泛关注。
常规氮化物半导体微腔激光器通常生长在蓝宝石衬底、自支撑 GaN衬底或Si衬底上，为了增强微腔激光器的光学限制，通常采用 空气作为上、下光学限制层，即采用“蘑菇”状结构。对于生长在蓝 宝石衬底或自支撑GaN衬底上的氮化物半导体微腔激光器，需在量子 阱有源区下方生长InGaN/InGaN的超晶格牺牲层结构，通过光辅助的 电化学腐蚀来刻蚀微腔激光器边沿下方的InGaN/InGaN超晶格，从而 形成空气下光学限制层。对于生长在Si衬底上的氮化物半导体微腔 激光器，需干法刻蚀到Si衬底，然后采用湿法腐蚀暴露出来的Si， 从而形成空气下光学限制层。
另外，为制作电注入激射的氮化物半导体微腔激光器，还需生长 p型氮化物半导体层。对于III-V族氮化物半导体，通常采用二茂镁 (CP2Mg)作为p型掺杂剂，由于Mg受主在氮化物中的电离能较高(GaN: 170meV,AlN:470meV)，通常不到10％的Mg受主发生电离，因此p 型氮化物半导体中的空穴浓度较低。同时由于p型层中的Mg受主掺 杂浓度较高，且空穴有效质量较大，p型层中空穴的迁移率较低，因 此p型层的电阻较大。对于常规电注入激射的氮化物半导体微腔激光 器，为了形成较强的光场限制，所需的p型AlGaN层较厚(>500nm)， 因此常规电注入激射的氮化物半导体微腔激光器的串联电阻很大，热 功率很大，导致激光器结温很高，严重影响了微腔激光器的阈值电流 密度、寿命等。这种问题在紫外微腔激光器中更严重，紫外微腔激光 器中p型AlGaN光学限制层中的Al组分更高，Mg受主的电离能更大， p型AlGaN光学限制层中空穴浓度更低，紫外微腔激光器的电阻更大， 热功率更大，微腔激光器的结温更高，对微腔激光器器件性能和可靠 性的影响更大。
传统的氮化物半导体微腔激光器均采用正装的方式封装，热量需 通过约3μm厚的激光器结构和约100μm厚的衬底传导到热沉中， 激光器热量的传导路径很长，且由于衬底热导率较低，导致激光器的 热阻很大。而激光器的热功率较大，因此器件的结温较高，严重影响 了器件的性能和寿命。
另外，相对于GaAs或InP基材料，(0001)镓面III-V族氮化物 半导体材料的化学稳定性好，耐酸碱，不易腐蚀，需通过干法刻蚀形 成III-V族氮化物微腔激光器的侧壁。干法刻蚀通常导致界面粗糙， 造成光散色等等。干法刻蚀还会引入表面态、损伤和缺陷，这些表面 态、损伤和缺陷不仅会成为非辐射复合中心，影响微腔激光器的效率； 还会成为漏电通道，影响器件的可靠性和稳定性。
目前常规制备III-V族氮化物半导体微腔激光器都是采用在 (0001)镓面干法刻蚀出微腔激光器的侧壁，采用正装的方式封装器 件，如专利CN 105337168A所示，利用光刻工艺和深硅刻蚀工艺制备 氮化物微腔结构。此外还可以通过在背面套刻，然后采用深硅刻蚀工 艺，将微腔底部的Si衬底全部刻蚀掉，从而形成氮化物悬空薄膜微 腔结构，如专利CN104009393A。
现有微腔激光器均只能实现光泵浦激射，无法实现电注入激射； 不仅如此，现有微腔激光器还存在电阻大、热阻高、制作工艺复杂、 稳定性差、机械支撑差等缺点，很难实际应用。
第一，现有氮化物微腔激光器均无法实现电注入激射。现有的氮 化物微腔激光器结构，不管是蓝宝石衬底、自支撑GaN衬底或Si衬 底上，均采用“蘑菇”状结构，空气作为上、下光学限制层，以增强 激光器的光场限制。然而为实现电注入激射，电流必须从微腔激光器 上面注入，因此需要制作上电极。由于氮化物微腔激光器上面的p型 层横向电阻远大于n型层的横向电阻，大部分注入的电流均聚集在器 件的p型电极下方，因此需在微腔激光器电流注入区的正上方沉积接 触电极，接触电极会代替空气成为微腔激光器的上光学限制层，产生 很强的光吸收。不仅如此，接触电极还会影响激光器内部的光场分布， 造成光场分布不对称，导致微腔激光器光学限制因子减小，光学损耗 变大，微腔激光器无法激射。
第二，现有的氮化物半导体微腔激光器的电阻很大。对于常规的 氮化物半导体微环激光器，需在激光器(0001)镓面的p型层上形成环 形电流注入区，注入区的面积较小，激光器的电阻很大。而激光器中 p型层较厚，因此器件中的串联电阻很大，造成很大电功率转化为焦 耳热，引起结温升高，影响器件的性能和寿命。另外，对于现有的 Si衬底氮化物微腔激光器，由于采用“蘑菇”状结构，n电极必须做 在Si衬底上，电流注入需通过Si衬底，然而Si衬底和GaN材料中 间有非掺杂、电阻很高的AlN/AlGaN(AlN:6.2eV,GaN:3.4eV) 缓冲层，因此器件的电阻非常大，更加无法实现电注入激射。
第三，现有的氮化物半导体微腔激光器的热阻很高，器件工作时 有源区的结温很高，严重影响了微腔激光器的器件性能和寿命。对于 “蘑菇”状结构的氮化物微腔激光器，边沿的InGaN/InGaN超晶格牺 牲层或Si衬底已经被去除，而微腔激光器工作时，器件边沿区域为 光场的主要传播区，将产生大量的热量，这些热量无法直接向下传导 到热沉中，导致器件的热阻很大。对于氮化物悬空薄膜微腔结构，如 专利CN 104009393A所示，由于微腔激光器底部悬空，激光器产生的 大量热量无法及时传导，导致器件热阻很大，工作时结温很高，不仅 影响激光器的内量子效率和阈值电流，还将严重影响器件的可靠性。 此外，传统的氮化物半导体微腔激光器均采用正装的方式封装，热量 需通过约3μm厚的激光器结构和约100μm厚的衬底传导到热沉 中，激光器热量的传导路径很长，且由于衬底热导率较低，导致激光 器的热阻很大。而激光器的热功率较大，因此器件的结温较高，严重 影响了器件的性能和寿命。
第四，现有的氮化物半导体微腔激光器的稳定性均很差，很难实 际应用。对于”蘑菇”状结构的氮化物微腔激光器，边沿的InGaN/InGaN 超晶格牺牲层或Si衬底已经被去除，器件只通过微腔激光器底部中 间的小柱子支撑，由于柱子尺寸很小，因此器件的机械支撑强度和稳 定性很差。对于氮化物悬空薄膜微腔结构，由于微腔激光器底部悬空， 这种器件的机械支撑强度和稳定性更差。此外，由于(0001)镓面氮化 物半导体化学稳定性好，不易腐蚀，通常采用干法刻蚀来制作微腔激 光器的侧壁，干法刻蚀不仅会导致侧壁粗糙，引起光散射等等。干法 刻蚀还会引入表面态、损伤和缺陷，这些表面态、损伤和缺陷不仅会 成为非辐射复合中心，影响微腔激光器的效率；还会成为漏电通道， 影响器件的可靠性和稳定性。
第五，现有的氮化物半导体微腔激光器的制备工艺复杂，很难保 证器件的一致性和重复性。对于“蘑菇”状结构的氮化物微腔激光器， 需采用光电化学腐蚀去除InGaN/InGaN超晶格牺牲层，或湿法腐蚀去 除Si衬底，由于微腔激光器的尺寸很小，且为圆形或多边形，随着 腐蚀时间的增加，需要腐蚀的区域将逐渐减小，腐蚀速率将会变化， 因此很难实现对片内微腔激光器支撑柱大小和尺寸的精确控制，很难 保证器件的一致性和重复性。
除此之外，现有的生长在蓝宝石衬底、自支撑GaN衬底或Si衬 底上的氮化物半导体微腔激光器，还各自存在一些其它的缺点。
对于现有的生长在蓝宝石衬底或自支撑GaN衬底上的氮化物半 导体微腔激光器，为了实现“蘑菇”状结构，需在量子阱有源区下方 生长InGaN/InGaN超晶格牺牲层结构。生长超晶格牺牲层结构，会导 致量子阱有源区的晶体质量变差，影响器件的内量子效率，从而影响 微腔激光器的器件性能和可靠性。
对于现有的生长在Si衬底上的氮化物半导体微腔激光器，一般 采用“蘑菇”状结构，如专利CN 105337168A所示。这种“蘑菇”状 结构的氮化物微腔激光器光腔内部有低质量高位错缺陷密度的 AlN/AlGaN缓冲层，这些低质量高缺陷密度的缓冲层会产生很强的光吸收或非辐射复合，增加激光器的光损耗。
发明内容
针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种新型的电阻低、 热阻小且易实现电注入激射的氮化物半导体微腔激光器结构及其制 备方法，以克服现有技术的不足，本发明是通过以下技术方案实现的：
为实现上述发明目的，本发明包含三个技术方案，其中技术方案 一为：
在衬底上生长氮化物半导体微腔激光器结构，具体包括n型接 触层、n型光学限制层、下波导层、有源区、上波导层、电子阻挡层、p型光学限制层和p型接触层，如图1所示。
清洗外延片，在p型接触层上整面沉积p型欧姆接触金属，并 进行欧姆接触退火，以形成较好的欧姆接触，如图2所示。
将外延片倒装键合在支撑片上，激光器的p面欧姆接触电极朝 下，与支撑片上的材料键合在一起。
采用减薄、研磨、激光剥离、干法刻蚀或湿法腐蚀等方法中的 任意一种或两种以上的组合去除衬底和部分n型接触层，留下较薄的 n型接触层，以制作n型欧姆接触。
在
Figure BDA0001639000910000071
氮面n型欧姆接触层上沉积n型欧姆接触金属，形成欧 姆接触，如图3所示。
在n型欧姆接触电极上旋涂光刻胶，进行光刻，随后采用干法刻 蚀或湿法腐蚀技术刻蚀到p型接触层或p型欧姆接触金属，形成微腔 激光器的侧壁，如图4所示。
随后采用湿法腐蚀，去除微腔激光器侧壁的刻蚀损伤，同时得到 光滑陡直的微腔激光器侧壁。
通过光刻、金属沉积和剥离工艺，形成激光器的n型加厚电极。
在激光器台面的p型接触层或p型欧姆接触金属上沉积p型电 极，如图5所示；或减薄支撑片，在支撑片的另一面沉积p型电极， 以形成电学接触，如图6所示。
形成微腔激光器的管芯，如图7所示。
技术方案二为：
在衬底上生长氮化物半导体微腔激光器结构，具体包括n型接触 层、n型光学限制层、下波导层、有源区、上波导层、电子阻挡层、 p型光学限制层和p型接触层，如图8所示。
清洗外延片，在p型接触层上整面沉积p型欧姆接触金属，并进 行欧姆接触退火，以形成较好的欧姆接触，如图9所示。
将外延片倒装键合在支撑片上，激光器的p面欧姆接触电极朝 下，与支撑片上的材料键合在一起。
采用减薄、研磨、激光剥离、干法刻蚀或湿法腐蚀等方法中的任 意一种或两种以上的组合去除衬底和部分n型接触层，留下较薄的n 型接触层，以制作n型欧姆接触。
在
Figure BDA0001639000910000081
氮面n型欧姆接触层上沉积n型欧姆接触金属，形成欧 姆接触，如图10所示。
在
Figure BDA0001639000910000082
氮面n型欧姆接触电极上旋涂光刻胶，进行光刻，随后 采用干法刻蚀或湿法腐蚀技术去除电流非注入区的欧姆接触电极和 部分外延层，如图11所示。
沉积绝缘介质膜，以阻止电流从这些刻蚀区域注入，并进行剥离， 如图12所示。
继续在
Figure BDA0001639000910000083
氮面n型欧姆接触电极和绝缘介质膜上旋涂光刻 胶，进行光刻，随后采用干法刻蚀或湿法腐蚀技术刻蚀到p型接触层 或p型欧姆接触电极，形成微腔激光器的侧壁，如图13所示。
随后采用湿法腐蚀，去除微腔激光器侧壁的刻蚀损伤，同时得到 光滑陡直的微腔激光器侧壁。
通过光刻、金属沉积和剥离工艺，形成激光器的n型加厚电极。
在激光器台面的p型接触层或p型欧姆接触电极上沉积p型电 极，如图14所示；或减薄支撑片，在支撑片的另一面沉积p型接触 金属，以形成电学接触，如图15所示。
形成微腔激光器的管芯。
技术方案三为：
在衬底上生长氮化物半导体微腔激光器结构，具体包括n型接触 层、n型光学限制层、下波导层、有源区、上波导层、电子阻挡层和 p型接触层，如图16所示。
清洗外延片，在p型层上整面沉积光学限制层和欧姆接触电极， 并进行欧姆接触退火，以形成较好的欧姆接触，如图17所示。
将外延片倒装键合在支撑片上，激光器的p面欧姆接触电极朝 下，与支撑片上的材料键合在一起。
采用减薄、研磨、激光剥离、干法刻蚀或湿法腐蚀等方法中的任 意一种或两种以上的组合去除衬底和部分n型接触层，留下较薄的n 型接触层，以制作n型欧姆接触。
在
Figure BDA0001639000910000091
氮面n型欧姆接触层上沉积n型欧姆接触金属，形成欧 姆接触，如图18所示。
在
Figure BDA0001639000910000092
氮面n型欧姆接触电极上旋涂光刻胶，进行光刻，随后 采用干法刻蚀或湿法腐蚀技术刻蚀到p型接触层或p型欧姆接触电 极，形成微腔激光器的侧壁，如图19所示。
随后采用湿法腐蚀，去除微腔激光器侧壁的刻蚀损伤，同时得到 光滑陡直的微腔激光器侧壁。
通过光刻、金属沉积和剥离工艺，形成激光器的n型加厚电极。
在激光器台面的p型接触层或p型欧姆接触电极上沉积p型电 极，如图20所示；或减薄支撑片，在支撑片的另一面沉积p型接触 金属，以形成电学接触，如图21所示。
形成微腔激光器的管芯。
所述衬底材料可以是GaN、AlN、蓝宝石、SiC、Si中的任意一种或两 种以上的组合。
所述微腔激光器可以为圆盘形、圆环形、螺旋形、四边形、六边形、 八边形、十二边形或者其它形状结构中的任意一种或两种以上的组 合，微腔激光器可以带波导输出或直接输出等。
微腔激光器的尺寸大于0，小于1mm。
所述微腔激光器中上、下光学限制层包括AlInGaN、ITO、AZO、IGZO、 多孔GaN、Ag、Al、ZnO、MgO、Si、SiO2、SiNx、TiO2、ZrO2、AlN、 Al2O3、Ta2O5、HfO2、HfSiO4、AlON等材料中的任意一种或两种以 上的组合。
微腔激光器上、下接触层，上、下限制层和上、下波导层的材料包括Alx1Iny1Ga1-x1-y1N，其中，x1和y1均大于或等于0，而小于或等于1，0 ≤(x1+y1)≤1；和/或，所述量子阱有源层的材料包括
Alx2Iny2Ga1-x2-y2N/Alx3Iny3Ga1-x3-y3N，x2、y2，x3和y3均大于或等于0， 而小于或等于1，且(x2+y2)和(x3+y3)均大于或等于0，而小于或 等于1。
所述支撑片为硅衬底、铜支撑片、钼铜支撑片、钼支撑片、陶瓷基板 等材料中的任意一种或两种以上的组合。
键合包括金属键合和非金属键合，其中金属键合为AuSn、NiSn、AuAu、 NiGe等导电导热层中的任意一种或两种以上的组合，非金属键合为 有机物键合、氧化物键合等中的任意一种或两种以上的组合。
微腔激光器的侧壁可通过湿法腐蚀或干法刻蚀形成，其中湿法腐蚀为 KOH、NaOH、TMAH等碱性溶液或H3PO4、HF、HNO3等酸性溶液中的任意 一种或两种以上的组合。
微腔激光器侧壁的刻蚀损伤可通过湿法腐蚀去除，其中湿法腐蚀为 KOH、NaOH、TMAH等碱性溶液或H3PO4、HF、HNO3等酸性溶液中的任意 一种或两种以上的组合。
微腔激光器中的绝缘膜可以是SiO2、SiNx、SiON、Al2O3、AlON、SiAlON、 TiO2、Ta2O5和ZrO2等材料中的任意一种或两种以上的组合。
微腔激光器的欧姆接触金属可以是Ni、Ti、Pd、Pt、Au、Al、TiN、 ITO和IGZO等材料中的任意一种或两种以上的组合。
本发明的有益效果：
(1)本发明提出在激光器的
Figure BDA0001639000910000111
氮面制作微腔激光器，而(0001) 镓面p型欧姆接触采用整面接触的方式，p面电流注入区面积大，激 光器的电阻小。与此同时，还可选用低阻的光场限制层从p侧来限制 光场，激光器中的p型限制层可以减薄，甚至省略，器件的串联电阻 可进一步减小，因此本发明提出的微腔激光器的电阻非常小，有利于 降低微腔激光器有源区的结温，提升器件性能和可靠性。
(2)本发明提出的氮化物半导体微腔激光器的热阻很小。由于采用 非空气限制层结构，如AlInGaN、ITO、AZO、IGZO、多孔GaN、Ag、 Al、ZnO、MgO、Si、SiO2、SiNx、TiO2、ZrO2、AlN、Al2O3、Ta2O5、HfO2、 HfSiO4、AlON等材料中的任意一种或两种以上的组合材料，微腔激 光器边沿区域产生的热量可以直接向下传导，器件的热阻将会大幅下 降。我们的计算结果表明当采用AlGaN光学限制层时，激光器的热阻 仅为现有”蘑菇”状微腔激光器结构的5％左右。此外，本发明提出 的微腔激光器的热源离热沉的距离小，热传导路径短；同时热沉的热 导率高，热源产生的热可通过整个p面传导到热沉当中。因此本发明 提出的微腔激光器的热阻小，散热好，这将会大幅提升激光器的性能 和可靠性。
(3)本发明提出的氮化物半导体微腔激光器的稳定性和可靠性更好。 本发明提出的氮化物半导体微腔激光器为柱状结构，无需形成”蘑菇” 状结构，器件机械强度好；无需进行光辅助的电化学腐蚀，制作工艺 简单可控，器件的一致性很好。由于从
Figure BDA0001639000910000121
氮面来制作微腔激光 器，
Figure BDA0001639000910000122
氮面氮化物半导体易腐蚀，可通过湿法腐蚀制作微腔激光 器的侧壁，因此没有干法刻蚀引入的缺陷、损伤和表面态的影响，因 此本发明提出激光器的稳定性和可靠性更好。
(4)本发明提出的氮化物半导体微腔激光器更易实现电注入激射。相 对于现有的Si衬底氮化物微腔激光器，本发明提出的氮化物半导体 微腔激光器容易实现电流注入。氮化物半导体微腔激光器的n电极可 以沉积在低阻的n型接触层上，电流可以通过低阻的n型接触层注入 到有源区，而无需通过高阻的AlN/AlGaN缓冲层，因此本发明提出的 氮化物半导体微腔激光器容易实现电流注入。且本发明提出的氮化物 半导体微腔激光器还具有电阻低、热阻小、稳定性和可靠性好等优点， 因此非常容易实现电注入激射。
附图说明
图1所示为实施方案一中氮化物半导体微腔激光器结构的截面示意 图。
图2所示为实施方案一中形成p型欧姆接触后微腔激光器的截面示意 图。
图3所示为实施方案一中去除衬底和部分n型接触层，形成n型欧姆 接触后的微腔激光器的截面示意图。
图4所示为实施方案一中刻蚀出p台面后微腔激光器的截面示意图。
图5所示为实施方案一中在台面处沉积p型加厚电极后微腔激光器的 截面示意图。
图6所示为实施方案一中在支撑片背面沉积p型欧姆接触后微腔激光 器的截面示意图。
图7所示为实施方案一中微腔激光器的俯视示意图。
图8所示为实施方案二中氮化物半导体微腔激光器结构的截面示意 图。
图9所示为实施方案二中形成p型欧姆接触后微腔激光器的截面示意 图。
图10所示为实施方案二中去除衬底和部分n型接触层，形成n型欧 姆接触后的微腔激光器的截面示意图。
图11所示为实施方案二中刻蚀出环形结构后微腔激光器的截面示意 图。
图12所示为实施方案二中沉积绝缘介质膜后微腔激光器的截面示意 图。
图13所示为实施方案二中刻蚀出p台面后微腔激光器的截面示意图。
图14所示为实施方案二中在台面处沉积p型加厚电极后微腔激光器 的截面示意图。
图15所示为实施方案二中在支撑片背面沉积p型欧姆接触后微腔激 光器的截面示意图。
图16所示为实施方案三中氮化物半导体微腔激光器结构的截面示意 图。
图17所示为实施方案三中制作p型光学限制层和p型欧姆接触后微 腔激光器的截面示意图。
图18所示为实施方案三中去除衬底和部分n型接触层，形成n型欧 姆接触后的微腔激光器的截面示意图。
图19所示为实施方案三中刻蚀出p台面后微腔激光器的截面示意图。
图20所示为实施方案三中在台面处沉积p型加厚电极后微腔激光器 的截面示意图。
图21所示为实施方案三中在支撑片背面沉积p型欧姆接触后微腔激 光器的截面示意图。
图中101为技术方案一衬底，102为技术方案一n型接触层，103为 技术方案一n型光学限制层，104为技术方案一下波导层，105为技 术方案一有源区，106为技术方案一上波导层，107为技术方案一电 子阻挡层，108为技术方案一p型光学限制层，109为技术方案一p型接触层，110为技术方案一p型欧姆接触电极，111为技术方案一 焊料，112为技术方案一支撑片，113为技术方案一n型欧姆接触电 极，114为技术方案一n型加厚电极，115为技术方案一p型加厚电 极。201为技术方案二衬底，202为技术方案二n型接触层，203为 技术方案二n型光学限制层，204为技术方案二下波导层，205为技 术方案二有源区，206为技术方案二上波导层，207为技术方案二电 子阻挡层，208为技术方案二p型光学限制层，209为技术方案二p 型接触层，210为技术方案二p型欧姆接触电极，211为技术方案二 焊料，212为技术方案二支撑片，213为技术方案二n型欧姆接触电 极，214为技术方案二光刻胶，215为技术方案二绝缘介质膜，216 为技术方案二n型加厚电极，217为技术方案二p型加厚电极。301为技术方案三衬底，302为技术方案三n型接触层，303为技术方案 三n型光学限制层，304为技术方案三下波导层，305为技术方案三 有源区，306为技术方案三上波导层，307为技术方案三电子阻挡层， 308为技术方案三p型接触层，309为技术方案三上光学限制层，310 为技术方案三p型欧姆接触电极，311为技术方案三焊料，312为技 术方案三支撑片，313为技术方案三n型欧姆接触电极，314为技术 方案三n型加厚电极，315为技术方案三p型加厚电极。
具体实施方式：
以下通过具体实施例来对本发明进行进一步说明，但是本发明并不局 限于以下实施例。
实施例1
采用实施方案一制作Si衬底GaN基蓝光微腔激光器。
S1：采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备在Si衬底上生 长GaN基蓝光微腔激光器结构，具体包括1500nm n-GaN接触层， 100对n-Al0.16Ga0.84N/GaN超晶格结构，其中每层厚度2.5nm，作为 n型光学限制层，100nm n-In0.03Ga0.97N下波导层，3对 In0.16Ga0.84N/GaN多量子阱，其中每层In0.16Ga0.84N量子阱2.5nm，每 层GaN垒15nm，80nm非故意掺杂的In0.03Ga0.97N上波导层，20nm 的p-Al0.2Ga0.8N电子阻挡层，100对p-Al0.16Ga0.84N/GaN超晶格结构， 其中每层厚度2.5nm，作为上光学限制层，30nm的p-GaN接触层， 如图1所示。
S2：采用丙酮、酒精、盐酸和去离子水等清洗外延片，在p-GaN 接触层上依次沉积5nm的Ni和50nm的Au，并利用快速退火炉在 压缩空气气氛中500℃退火3分钟，以形成较好的欧姆接触，如图2 所示。
S3：将外延片倒装键合在Si支撑片上，激光器的p面欧姆接触 电极Ni/Au朝下，利用键合技术将其与Si支撑片上的金属Ti/Au键 合在一起。
S4：采用减薄、研磨、抛光、湿法腐蚀等方法，去除Si衬底， 然后采用诱导耦合等离子体(ICP)刻蚀部分n-GaN接触层，使其剩余 约50nm，以制作n型欧姆接触。
S5：在
Figure BDA0001639000910000171
氮面n-GaN欧姆接触层上依次沉积50nmTi/50nm Pt/100nmAu，形成n型欧姆接触，如图3所示。
S6：在
Figure BDA0001639000910000172
氮面n型欧姆接触电极上旋涂光刻胶，进行光刻， 随后采用干法刻蚀或湿法腐蚀技术刻蚀到p型GaN接触电极，形成 微腔激光器的侧壁，如图4所示。
S7：采用80℃的KOH溶液进行湿法腐蚀，去除微腔激光器侧 壁的刻蚀损伤。
S8：在外延片上旋涂光刻胶，进行光刻，然后依次沉积50 nmTi/50nmPt/500nm Au，随后进行剥离，形成p型电极，如图5所 示。或减薄支撑片，在支撑片的另一面沉积接触金属5nm Ge/20nm Pt/100nmAu，以形成电学接触，如图6所示。
S9：形成微腔激光器的管芯，如图7所示。
实施例2
采用实施方案二制作GaN自支撑衬底近紫外微腔激光器。
S1：采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备在GaN自支撑 衬底上生长近紫外微腔激光器结构，具体包括2500nm n-AlGaN接触 层，100对n-Al0.2Ga0.8N/GaN超晶格结构，其中每层厚度3nm，作为 n型光学限制层，120nm n-GaN下波导层，3对In0.03Ga0.97N/AlGaN 多量子阱，其中每层In0.03Ga0.97N量子阱3nm，每层AlGaN垒10nm， 100nm非故意掺杂的GaN上波导层，20nm的p-Al0.25Ga0.75N电子阻 挡层，100对p-Al0.2Ga0.8N/GaN超晶格结构，其中每层厚度3nm，作 为上光学限制层，20nm的p-GaN接触层，如图8所示。
S2：采用丙酮、酒精、盐酸和去离子水等清洗外延片，在p-GaN 接触层上依次沉积10nm的Pd和100nm的Au，并利用快速退火炉 在压缩空气气氛中600℃退火5分钟，以形成较好的欧姆接触，如图 9所示。
S3：将外延片倒装键合在铜支撑片上，激光器的p面欧姆接触 电极Pd/Au朝下，利用键合技术将其与铜支撑片上的金属Au键合在 一起。
S4：采用减薄、研磨、抛光、湿法腐蚀等方法，去除GaN自支 撑衬底，然后采用诱导耦合等离子体(ICP)刻蚀部分n-GaN接触层， 使其剩余约100nm，以制作n型欧姆接触电极。
S5：在
Figure BDA0001639000910000181
氮面n-GaN欧姆接触层上依次沉积30nmTi/20nm Pt/100nmAu，形成n型欧姆接触，如图10所示。
S6：在
Figure BDA0001639000910000182
氮面n型欧姆接触电极上旋涂光刻胶，进行光刻， 随后采用离子束刻蚀去除半径2μm的圆区区域内的n型欧姆接触 电极和约450nm厚的n型层，如图11所示。
S6：沉积200nm的SiO2绝缘介质膜，以阻止电流从离子束刻 蚀的区域注入，并进行剥离，如图12所示。
S7：继续在
Figure BDA0001639000910000183
氮面n型欧姆接触电极上旋涂光刻胶，进行光 刻，随后采用湿法腐蚀技术刻蚀到p型欧姆接触金属，形成半径4μ m的微腔激光器的侧壁，如图13所示。
S8：在外延片上旋涂光刻胶，进行光刻，然后依次沉积30nm Ti/30nm Pt/500nmAu，随后进行剥离，形成p型欧姆接触电极和n 型加厚电极，如图14所示。或减薄支撑片，且在支撑片的另一面沉 积接触金属，以形成电学接触，如图15所示。
S9：采用85℃的TMAH溶液进行湿法腐蚀，去除微腔激光器侧 壁的刻蚀损伤。
S10：形成氮化物微腔激光器管芯。
实施例3
采用实施方案三制作蓝宝石衬底GaN基绿光微腔激光器。
S1：采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备在蓝宝石衬底 上生长GaN基绿光微腔激光器结构，具体包括500nm n-GaN接触层， 500nm重掺杂的n-GaN层，100nm n-In0.06Ga0.94N下波导层，3对 In0.3Ga0.7N/GaN多量子阱，其中每层In0.3Ga0.7N量子阱2nm，每层GaN垒8nm，80nm非故意掺杂的In0.06Ga0.94N上波导层，20nm的 p-Al0.2Ga0.8N电子阻挡层，20nm的p-GaN接触层，如图16所示。
S2：采用丙酮、酒精、盐酸和去离子水等清洗外延片，在p-GaN 接触层上依次沉积350nm的ITO，50nm的Cr和100nm的Au，并 利用快速退火炉在压缩空气气氛中550℃退火8分钟，以形成较好的 欧姆接触，如图17所示。
S3：将外延片倒装键合在AlN陶瓷支撑片上，激光器的p面欧 姆接触电极Cr/Au朝下，利用键合技术将其与AlN陶瓷支撑片上的 金属Ti/Au键合在一起。
S4：采用激光剥离等方法，去除蓝宝石衬底，然后采用诱导耦 合等离子体(ICP)刻蚀部分n-GaN接触层，使其剩余约20nm，以制 作n型欧姆接触。
S5：在
Figure BDA0001639000910000201
氮面n-GaN欧姆接触层上依次沉积30nmTi/100nm Au，形成n型欧姆接触，如图18所示。
S6：在
Figure BDA0001639000910000202
氮面n型欧姆接触电极上旋涂光刻胶，进行光刻， 随后采用干法刻蚀或湿法腐蚀技术刻蚀到剩余约50nm的ITO层， 形成微腔激光器的侧壁，如图19所示。
S7：采用40℃的KOH溶液进行湿法腐蚀，去除微腔激光器侧 壁的刻蚀损伤。
S8：在外延片上旋涂光刻胶，进行光刻，然后依次沉积50 nmTi/300nm Au，随后进行剥离，形成p型欧姆接触电极和n型加厚 电极，如图20所示。
S9：采用电化学腐蚀，腐蚀高掺杂的n型GaN，以形成多孔GaN 光学限制层结构。
S10：进行支撑片减薄、研磨和抛光，形成氮化物微腔激光器管 芯。
实施例4
采用实施方案三制作SiC衬底GaN基紫光微腔激光器。
S1：采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备在SiC衬底上 生长GaN基紫光微腔激光器结构，具体包括2000nm n-GaN接触层， 700nm重掺杂的n-GaN层，100nm n-GaN下波导层，3对 In0.1Ga0.9N/GaN多量子阱，其中每层In0.1Ga0.9N量子阱2.5nm，每层 GaN垒10nm，90nm非故意掺杂的GaN上波导层，20nm的p-Al0.2Ga0.8N电子阻挡层，20对p-Al0.2Ga0.8N/GaN超晶格结构，其中 每层厚度2.5nm，50nm的p-GaN接触层，如图16所示。
S2：采用丙酮、酒精、盐酸和去离子水等清洗外延片，在p-GaN 接触层上沉积5nmNi和200nm Ag，Ni/Ag既可以作为p型欧姆接 触电极，又可以作为上光学限制层，随后利用管式退火炉在压缩空气 中650℃退火10分钟，以形成较好的欧姆接触，如图17所示。
S3：将外延片倒装键合在钼支撑片上，激光器的p面欧姆接触 电极Ni/Ag朝下，利用键合技术将其与钼支撑片上的金属Ti/Au键合 在一起。
S4：采用减薄、研磨、抛光、湿法腐蚀等方法，去除SiC衬底， 然后采用诱导耦合等离子体(ICP)刻蚀部分n-GaN接触层，使其剩余 约30nm，以制作n型欧姆接触。
S5：在
Figure BDA0001639000910000211
氮面n-GaN欧姆接触层上依次沉积20nmTi/100nm Au，形成n型欧姆接触，如图18所示。
S6：在
Figure BDA0001639000910000212
氮面n型欧姆接触电极上旋涂光刻胶，进行光刻， 随后采用干法刻蚀或湿法腐蚀技术刻蚀到p型GaN接触层，以形成 微腔激光器的侧壁，如图19所示。
S7：采用50℃的NaOH溶液进行湿法腐蚀，去除微腔激光器侧 壁的刻蚀损伤。
S8：在外延片上旋涂光刻胶，进行光刻，然后依次沉积20 nmTi/100nm Pt/600nmAu，随后进行剥离，形成p型欧姆接触电极 和n型加厚电极，如图20所示，或减薄支撑片。

Claims (10)

1.一种低电阻、低热阻的氮化物半导体微腔激光器结构，其特征在于包含依次设置的n型接触层、n型光学限制层、下波导层、有源区、上波导层、电子阻挡层、p型光学限制层和p型接触层；其中所述n型接触层、p型接触层分别对应于激光器的（
Figure DEST_PATH_IMAGE001
）氮面、（
Figure DEST_PATH_IMAGE002
）镓面，所述n型接触层上形成有n型欧姆接触电极，所述p型接触层与p型欧姆接触电极整面接触，同时所述微腔激光器结构具有光滑陡直的侧壁，且所述微腔激光器结构的侧壁是通过从所述（
Figure 190106DEST_PATH_IMAGE001
）氮面对激光器进行干法刻蚀或湿法腐蚀直至刻蚀到p型接触层或p型欧姆接触电极，再采用湿法腐蚀去除刻蚀损伤后形成，以及，所述微腔激光器结构为柱状结构；
所述n型光学限制层、p型光学限制层的材质包括AlInGaN、ITO、AZO、IGZO、多孔GaN、Ag、Al、ZnO、MgO、Si、SiO2、氮化硅、TiO2、ZrO2、AlN、Al2O3、Ta2O5、HfO2、HfSiO4、AlON中的任意一种或两种以上的组合。
2.根据权利要求1所述的低电阻、低热阻的氮化物半导体微腔激光器结构，其特征在于：所述微腔激光器结构选自圆盘形、圆环形、螺旋形、四边形、六边形、八边形、十二边形中的任意一种或两种以上的组合，所述微腔激光器结构带波导输出或直接输出，且所述微腔激光器的尺寸大于0而小于1mm。
3.根据权利要求1所述的低电阻、低热阻的氮化物半导体微腔激光器结构，其特征在于：所述n型接触层、p型接触层、上波导层、下波导层的材质包括Alx1Iny1Ga1-x1-y1N，其中，x1和y1均大于或等于0且小于或等于1，0≤(x1+y1)≤1。
4.根据权利要求1所述的低电阻、低热阻的氮化物半导体微腔激光器结构，其特征在于：所述有源区为量子阱有源层，所述量子阱有源层的材料包括Alx2Iny2Ga1-x2-y2N/Alx3Iny3Ga1-x3-y3N，x2、y2，x3和y3均大于或等于0且小于或等于1，且(x2+y2)和(x3+y3) 均大于或等于0且小于或等于1 。
5.根据权利要求1所述的低电阻、低热阻的氮化物半导体微腔激光器结构，其特征在于还包括支撑片，所述支撑片与p型欧姆接触电极键合，所述支撑片为硅衬底、铜支撑片、钼铜支撑片、钼支撑片、陶瓷基板中的任意一种或两种以上的组合；所述键合包括金属键合或非金属键合，其中金属键合为AuSn、NiSn、AuAu、NiGe中的任意一种或两种以上的组合，非金属键合为有机物键合、氧化物键合中的任意一种或两种以上的组合。
6.根据权利要求1所述的低电阻、低热阻的氮化物半导体微腔激光器结构，其特征在于：所述湿法腐蚀采用碱性溶液或酸性溶液，所述碱性溶液为KOH、NaOH、TMAH溶液中的任意一种或两种以上的组合，所述酸性溶液为H3PO4、HF、HNO3溶液中的任意一种或两种以上的组合。
7.根据权利要求1所述的低电阻、低热阻的氮化物半导体微腔激光器结构，其特征在于：所述微腔激光器结构中采用的欧姆接触金属为Ni、Ti、Pd、Pt、Au、Al、TiN中的任意一种或两种以上的组合。
8.权利要求1-7任一项所述低电阻、低热阻的氮化物半导体微腔激光器结构的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
A: 清洗外延片，在p型接触层上整面沉积p型欧姆接触金属，并进行欧姆接触退火，以形成较好的欧姆接触；
B: 将激光器的p面欧姆接触电极朝下与支撑片上的材料键合在一起，使外延片倒装键合在支撑片上；
C: 采用减薄、研磨、激光剥离、干法刻蚀或湿法腐蚀方法中的任意一种或两种以上的组合去除衬底和部分n型接触层，留下较薄的n型接触层，以制作n型欧姆接触；
D：在（
Figure 576088DEST_PATH_IMAGE001
）氮面n型欧姆接触层上沉积n型欧姆接触金属，形成欧姆接触；
E: 在n型欧姆接触电极上旋涂光刻胶，进行光刻，随后采用干法刻蚀或湿法腐蚀技术刻蚀到p型接触层或p型欧姆接触金属，形成微腔激光器的侧壁；
F: 随后采用湿法腐蚀方式去除微腔激光器侧壁的刻蚀损伤，同时得到光滑陡直的微腔激光器侧壁；
G: 通过光刻、金属沉积和剥离工艺，形成激光器的n型加厚电极；
H: 在激光器台面的p型接触层或p型欧姆接触金属上沉积p型电极，或者，减薄支撑片，并在支撑片的另一面沉积p型电极，以形成电学接触，形成微腔激光器的管芯。
9.权利要求1-7任一项所述低电阻、低热阻的氮化物半导体微腔激光器结构的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
A: 清洗外延片，在p型接触层上整面沉积p型欧姆接触金属，并进行欧姆接触退火，以形成较好的欧姆接触；
B：将激光器的p面欧姆接触电极朝下与支撑片上的材料键合在一起，使外延片倒装键合在支撑片上；
C: 采用减薄、研磨、激光剥离、干法刻蚀或湿法腐蚀方法中的任意一种或两种以上的组合去除衬底和部分n型接触层，留下较薄的n型接触层，以制作n型欧姆接触；
D: 在（
Figure 824666DEST_PATH_IMAGE001
）氮面n型欧姆接触层上沉积n型欧姆接触金属，形成欧姆接触；
E: 在（
Figure 705029DEST_PATH_IMAGE001
）氮面n型欧姆接触电极上旋涂光刻胶，进行光刻，随后采用干法刻蚀或湿法腐蚀技术去除电流非注入区的欧姆接触电极和部分外延层；
F: 沉积绝缘介质膜，以阻止电流从所述电流非注入区注入，并进行剥离；
G: 继续在（
Figure 988243DEST_PATH_IMAGE001
）氮面n型欧姆接触电极和绝缘介质膜上旋涂光刻胶，进行光刻，随后采用干法刻蚀或湿法腐蚀技术刻蚀到p型接触层或p型欧姆接触电极，形成微腔激光器的侧壁；
H: 随后采用湿法腐蚀方式去除微腔激光器侧壁的刻蚀损伤，同时得到光滑陡直的微腔激光器侧壁；
I: 通过光刻、金属沉积和剥离工艺，形成激光器的n型加厚电极；
J:在激光器台面的p型接触层或p型欧姆接触电极上沉积p型电极，或者，减薄支撑片，并在支撑片的另一面沉积p型接触金属，以形成电学接触，形成微腔激光器的管芯。
10.权利要求1-7任一项所述的低电阻、低热阻的氮化物半导体微腔激光器结构的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
A: 清洗外延片，在p型层上整面沉积光学限制层和欧姆接触电极，并进行欧姆接触退火，以形成较好的欧姆接触；
B: 将激光器的p面欧姆接触电极朝下，与支撑片上的材料键合在一起，使外延片倒装键合在支撑片上；
C: 采用减薄、研磨、激光剥离、干法刻蚀或湿法腐蚀方法中的任意一种或两种以上的组合去除衬底和部分n型接触层，留下较薄的n型接触层，以制作n型欧姆接触；
D: 在（
Figure 482809DEST_PATH_IMAGE001
）氮面n型欧姆接触层上沉积n型欧姆接触金属，形成欧姆接触；
E: 在（
Figure 467951DEST_PATH_IMAGE001
）氮面n型欧姆接触电极上旋涂光刻胶，进行光刻，随后采用干法刻蚀或湿法腐蚀技术刻蚀到p型接触层或p型欧姆接触电极，形成微腔激光器的侧壁；
F: 随后采用湿法腐蚀方式去除微腔激光器侧壁的刻蚀损伤，同时得到光滑陡直的微腔激光器侧壁；
G: 通过光刻、金属沉积和剥离工艺，形成激光器的n型加厚电极；
H: 在激光器台面的p型接触层或p型欧姆接触电极上沉积p型电极，或者减薄支撑片，并在支撑片的另一面沉积p型接触金属，以形成电学接触，形成微腔激光器的管芯。
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