CN108923255A - 一种氮化物半导体垂直腔面发射激光器 - Google Patents

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Abstract

一种氮化物半导体垂直腔面发射激光器，涉及半导体激光器。采用垂直内腔接触结构，从下到上依次设有支撑基板、下分布布拉格反射镜、下电极、透明电流扩展层、电流限制层、外延层、上电极和上分布布拉格反射镜；所述电流限制层使用氧化铝材料，氧化铝材料的分子式为Al2O3。外延层为氮化镓、氮化铟、氮化铝等组成的混合物外延层。上电极和下电极采用Ni/Au、Cr/Au或Ti/Au。氧化铝Al2O3的制备方法为物理镀膜或化学镀膜。制作方法多样简单，改善了原有电流限制层在垂直结构上对热传导的阻碍效果，降低了热效应对激光器的不良影响，增强散热性，提高器件的稳定性并延长其寿命。

Description

一种氮化物半导体垂直腔面发射激光器
技术领域
本发明涉及半导体激光器，尤其是涉及一种氮化物半导体垂直腔面发射激光器。
背景技术
垂直腔面发射激光器与传统的边发射激光器相比不仅仅有着动态单模工作、阈值低、与光纤高效耦合、圆形对称光斑和制作成本低等优势，还因为可以实现高密度二维集成和高功率输出的特点使其有着广阔的应用前景，在近年来一直是国际研究的热点。
氮化物材料包含氮化镓(GaN)、氮化铟(InN)、氮化铝(AlN)等，其作为一种宽禁带的直接带隙半导体，复合效率高，有着十分优异的物理和化学特性，并且具有连续可调的禁带宽度，对应的发光波长覆盖了红外、可见光和深紫外波段，因此氮化物材料被广泛应用于制作高效率半导体发光器件。基于氮化物材料的垂直腔面发射激光器因为其结构简单、光束方向单一、腔长易于控制、体积小、效率高等特点，在高密度光存储、激光投影、激光显示、高速扫描和塑料光纤通信等方面具有极大的应用前景和市场需求。
但目前氮化物基垂直腔面发射激光器面临着输出功率有限的问题，以氮化镓基激光器为例，有报道和发表的垂直腔面发射激光器的最大功率仅为3mW。影响功率问题的因素众多，其中一个重要的因素是热效应的存在。热效应的存在使激光器难以在较大连续驱动电流和输出功率下工作，严重限制了激光器的输出功率，并且会使激光器稳定性降低，缩短器件的寿命。传统垂直腔面发射激光器普遍使用SiO2或SiNx等低热导率材料作为电流限制层，研究表明该电流限制层大幅度降低了激光器内部的热传导，加剧了热效应(Y.Mei,etal.,A comparative study of thermalcharacteristics of GaN-based VCSELswiththree different typical structures,2018 Semicond.Sci.Technol.33 015016)。
发明内容
本发明的目的在于主要解决的技术问题是克服上述垂直腔面发射激光器的不足，提供一种氮化物半导体垂直腔面发射激光器。
本发明采用垂直内腔接触结构，从下到上依次设有支撑基板、下分布布拉格反射镜、下电极、透明电流扩展层、电流限制层、外延层、上电极和上分布布拉格反射镜；
所述电流限制层使用氧化铝材料，氧化铝材料的分子式为Al2O3,可以有多种不同晶体结构。这种材料的散热系数为33W/K·m(梁基照，邱玉林.三氧化二铝/硅橡胶复合材料热导率的预测.橡胶工业，2009，56：476-478)，远大于SiO2的散热系数1.5W/K·m(Y.Mei,etal.,A comparative study of thermalcharacteristics of GaN-based VCSELswiththree different typical structures,2018Semicond.Sci.Technol.33 015016)。
所述外延层为氮化镓(GaN)、氮化铟(InN)、氮化铝(AlN)等组成的混合物外延层。
所述上电极和下电极可采用Ni/Au、Cr/Au或Ti/Au。
所述氧化铝Al2O3的制备方法为物理镀膜或化学镀膜，如磁控溅射(sputtering)、电子束蒸发(electron beam evaporation)、原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)等。
本发明使用物理镀膜或化学镀膜方法，如磁控溅射(sputtering)、电子束蒸发(electron beam evaporation)、原子层沉积(ALD)和化学气相沉积(CVD)等，生长高热导率的Al2O3绝缘材料，替代传统结构中低热导率的SiO2或SiNx作为激光器电流限制层，在保证绝缘性的前提下将绝缘层热导率提高一个数量级，减弱了原有绝缘层在激光器结构垂直方向上对器件热量传导的阻碍作用，弱化热效应对激光器的影响。
本发明的有益效果：本发明使用氮化物材料，通过使用相较传统材料有着更高热导率的新绝缘材料作为电流限制层，获得了一种垂直腔面发射半导体激光器。一方面，本发明具有结构简单、集成度高、光束方向集中等特点；另一方面，使用磁控溅射(sputtering)、电子束蒸发(electron beam evaporation)、原子层沉积(ALD)和化学气相沉积(CVD)等不同方法进行制作具有不同晶体结构的氧化铝材料，其相比传统SiO2或SiNx材料有着更高的热导率，并且制作方法多样简单，改善了原有电流限制层在垂直结构上对热传导的阻碍效果，降低了热效应对激光器的不良影响，增强散热性，提高器件的稳定性并延长其寿命。
附图说明
图1为本发明实施例的剖面结构示意图。
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，对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明实施例采用垂直内腔接触结构，从下到上依次包括支撑基板1、下分布布拉格反射镜2、下电极3、透明电流扩展层4、电流限制层5、外延层6、上电极7、上分布布拉格反射镜8。
所述电流限制层使用氧化铝材料。氧化铝材料分子式为Al2O3,可以有多种不同晶体结构。
所述外延层为氮化镓(GaN)，氮化铟(InN)，氮化铝(AlN)以及由它们组成的混合物外延层。
所述下电极3和上电极7采用Ni/Au、Cr/Au或Ti/Au。
所述氧化铝的制作方法为物理镀膜或化学镀膜，如磁控溅射(sputtering)、电子束蒸发(electron beam evaporation)、原子层沉积(ALD)和化学气相沉积(CVD)等。
以下给出具体实施例。
以氧化铝为电流限制层的垂直腔面发射激光器从下到上依次包括：Cu支撑基板、下电极(Cr/Au)、下分布布拉格反射镜、氧化铝电流限制层(使用磁控溅射方法制作的α-Al2O3)、ITO透明电流扩展层、GaN基外延层、上电极(Cr/Au)、上分布布拉格反射镜，所述的GaN基外延层包括P型GaN层和N型GaN层和有源区，有源区为InGaN/GaN量子点或量子阱结构。
本发明使用氮化镓材料，并使用不同生长方式如磁控溅射(sputtering)、电子束蒸发(electron beam evaporation)、原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)等生长不同晶体结构的热导率更高的氧化铝材料替代传统的低热导率SiO2或SiNx材料，减弱了电流限制层在垂直方向上对热传导的阻挡作用，弱化了热效应，减少其对激光器性能的不良影响。
本发明利用高热导率的Al2O3材料作为电流限制层，获得了较好散热性、受热效应影响较低的垂直腔面发射激光器。具有结构简单、光束方向单一、腔长易于控制、寿命长、稳定性好等特点，在大功率光显示和高速光通信等领域中有着广泛的应用前景。

Claims (5)

1.一种氮化物半导体垂直腔面发射激光器，其特征在于采用垂直内腔接触结构，从下到上依次设有支撑基板、下分布布拉格反射镜、下电极、透明电流扩展层、电流限制层、外延层、上电极和上分布布拉格反射镜。
2.如权利要求1所述一种氮化物半导体垂直腔面发射激光器，其特征在于所述电流限制层使用氧化铝材料，氧化铝材料的分子式为Al2O3，有多种不同晶体结构；其散热系数为33W/K·m。
3.如权利要求1所述一种氮化物半导体垂直腔面发射激光器，其特征在于所述外延层为氮化镓、氮化铟、氮化铝组成的混合物外延层。
4.如权利要求1所述一种氮化物半导体垂直腔面发射激光器，其特征在于所述上电极和下电极采用Ni/Au、Cr/Au或Ti/Au。
5.如权利要求2所述一种氮化物半导体垂直腔面发射激光器，其特征在于所述氧化铝Al2O3的制备方法为物理镀膜或化学镀膜；所述物理镀膜为磁控溅射、电子束蒸发；所述化学镀膜为原子层沉积、化学气相沉积。
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