CN109873297A - 一种GaN基垂直腔面发射激光器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种GaN基垂直腔面发射激光器及其制备方法，属于光电子领域，包括导电衬底，导电衬底上制作有金属层，金属层上窗口处制作有介质DBR层，介质DBR层上制作有透明导电层，透明导电层上依次制作有p型半导体层、多量子阱有源层和n型半导体层，n型半导体层上表面生长制备有多孔导电DBR层，多孔导电DBR层上表面制作有绝缘介质层，绝缘介质层覆盖多孔导电DBR层、n型半导体层、多量子阱有源层、p型半导体层以及透明导电层，绝缘介质层上表面制作有n电极。本发明通过金属键合技术将外延结构转移到导电性较好的衬底上，并采用电化学腐蚀形成多孔GaN导电DBR结构，增加器件可工作的电流密度，提高光电性能。

Description

一种GaN基垂直腔面发射激光器及其制备方法

技术领域

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

背景技术

三族氮化物宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、可覆盖从红外到紫外波段、击穿场强大、耐高温、耐酸碱等独特的物理特性，在光电子和电力电子领域得到广泛的应用，世界各国先后发布关于第三代宽禁带半导体材料和器件的政策和规划来抢占该领域的制高点。GaN基材料属于直接带隙半导体材料且具有连续可调的带隙，由于其稳定的特性，在照明、显示、医疗和通讯等领域具有广泛的应用前景。

垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)与传统的边发射激光器相比，具有体积小、功耗低、单纵模输出、阈值电流低、成本低、易实现大面积阵列及光电集成等优点，应用前景十分广阔，但研究进展相对缓慢，尚未达到实用化水平。对于现阶段GaN基VCSEL的研究，2008年日本日亚通过键合，激光剥离和抛光减薄工艺制备了双介质DBR结构的GaN紫光VCSEL。为了进一步提高器件性能，日亚在GaN体衬底上制备了420nm的紫光VCSEL，室温发射功率达到0.62mW，但阈值电流仍然随着操作时间增加。日本松下同样采用激光剥离、键合和抛光工艺制备了室温激射的紫蓝光VCSEL，并开发了集成阵列结构。

对于GaN材料外延生长工艺中存在的GaN晶格失配问题，由于很难获得质量较好的GaN单晶衬底，目前一般采用与GaN晶格失配和热失配的蓝宝石做衬底。但是由于蓝宝石的导电性、导热性较差，尤其是高电流密度注入时会严重影响器件性能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种GaN基垂直腔面发射激光器及其制备方法，通过金属键合和剥离技术将GaN基外延结构转移到导电性较好的衬底上，并采用选择性电化学腐蚀形成多孔GaN导电DBR结构，增加器件可工作的电流密度，提高光电性能。

本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种GaN基垂直腔面发射激光器，包括导电衬底，所述导电衬底上表面制作有金属层，金属层的上表面中间设置有窗口，所述金属层上表面中间部分窗口处制作有介质DBR层，所述介质DBR层上表面制作有透明导电层，所述透明导电层覆盖介质DBR层和金属层；所述透明导电层上表面依次制作有p型半导体层、多量子阱有源层和n型半导体层，所述n型半导体层上表面生长制备有多孔导电DBR层，所述多孔导电DBR层上表面制作有绝缘介质层，且绝缘介质层的中间形成电流窗口，所述绝缘介质层覆盖多孔导电DBR层、n型半导体层、多量子阱有源层、p型半导体层以及透明导电层，所述绝缘介质层上表面制作有n电极，所述n电极覆盖部分多孔导电DBR层和部分绝缘介质层。

优选的，所述多孔导电DBR层为高孔洞率多孔GaN层和低孔洞率多孔GaN层交替堆叠形成的多周期DBR结构，所述高孔洞率多孔GaN层和低孔洞率多孔GaN层分别由重掺杂GaN层和轻掺杂GaN层经过电化学腐蚀后形成，轻掺杂GaN层与重掺杂GaN层的掺杂剂为硅或锗，其掺杂浓度分别优选为1×10¹⁶～5×10¹⁸cm^-3以及5×10¹⁸～1×10²⁰cm^-3。

高孔洞率指孔洞率在30％以上，低孔洞率指孔洞率在20％以下(包括0，即无孔洞)，本发明的孔洞为空气孔洞(半导体掺杂后经电化学腐蚀形成孔洞，孔洞中充满空气)，空气孔洞的引入将使多孔GaN层间产生一定的折射率差。

优选的，所述多孔导电DBR层的周期数为5-50，反射率小于99.8％，多孔导电DBR层的孔径为1～300nm。

优选的，所述介质DBR层为交替堆叠的两种折射率不同的材料构成，两种材料为SiO₂、TiO₂、Ta₂O₅、AlN、SiN_x等其中任意两种，介质DBR层的反射率低于99.99％。

优选的，所述导电衬底为金属或导电半导体材料。

优选的，所述金属层为Au、In、Sn、Cu、Pb中的一种金属，或者至少两种金属的合金；

优选的，所述透明导电层为ITO、AZO或超薄金属，超薄金属的厚度优选为0.5-10nm。

优选的，所述n型半导体层为掺硅的AlGaN或GaN，掺杂浓度优选为2×10¹⁸～1×10²⁰cm^-3；

所述多量子阱有源层为InGaN/GaN或AlGaN/GaN；

所述P型半导体层为掺镁的AlGaN、InGaN、AlInN或GaN，掺杂浓度优选为2×10¹⁸～1×10²⁰cm^-3。

优选的，所述绝缘介质层为不导电介质，优选为SiO₂、HfO₂或Al₂O₃；

优选的，所述n电极为Ti、Al、Ni、Au、Cr金属之一或者任意组合。

另一方面，本发明还提供一种GaN基垂直腔面发射激光器的制备方法，包括以下步骤：

(1)在衬底上依次生长缓冲层、非故意掺杂GaN层、n型掺杂GaN层、交替堆叠的GaN重掺杂层和GaN轻掺杂层、n型半导体层、多量子阱有源层、p型半导体层、透明导电层、交替堆叠的介质DBR层；

(2)在介质DBR层上表面沉积金属层，形成非平面结构，在一导电衬底上表面也沉积金属层，将导电衬底上金属层与介质DBR层上表面的金属层键合在一起；本步骤将上述两种结构键合在一起，将具有非平面结构的GaN基薄膜转移到具有良好导电性的衬底上，改善器件的导电与散热情况，增加器件的工作电流密度。

(3)通过剥离技术将衬底与外延结构分离，再通过干法、湿法刻蚀或减薄技术(具体操作可参考现有技术进行，此处不再赘述)将缓冲层、非故意掺杂GaN层以及n型掺杂GaN层去除，露出交替堆叠的GaN重掺杂层和GaN轻掺杂层；

(4)采用选择性电化学腐蚀的方法对交替堆叠的重掺杂GaN层和轻掺杂GaN层进行腐蚀，分别形成高孔洞率多孔GaN层与低孔洞率多孔GaN层交替堆叠的多孔导电DBR层，本发明将重掺杂GaN层与轻掺杂GaN层腐蚀出孔洞即可，制备方法简单，降低成本，掺杂浓度越高，形成孔洞率越高；

本发明的多孔导电DBR层可以从根本上解决GaN DBR结构导电性能差的技术壁垒，通过选择性电化学腐蚀轻掺杂层和重掺杂层交替堆叠的周期性结构，可选择性的在重掺杂GaN层内形成高孔洞率多孔GaN，大大改变该层材料的有效折射率，而轻掺杂GaN层的有效折射率改变较小(或不改变)，从而形成很大的折射率差，而对结构的导电性影响不大，从而形成高孔洞率多孔GaN层和低孔洞率多孔GaN层交替堆叠的导电DBR。

(5)通过光刻、干法刻蚀、湿法刻蚀、清洗工艺形成VCSEL图形，此处的工艺均采用现有技术；

(6)在多孔导电DBR层上沉积绝缘介质层，该绝缘介质层的中心形成有电流窗口，且绝缘介质层覆盖多孔导电DBR层、n型半导体层、多量子阱有源层、p型半导体层以及透明导电层；

(7)在电流窗口处的部分多孔导电DBR层和部分绝缘介质层上表面通过光刻金属沉积制备n电极。

优选的，步骤(2)中键合过程的压强优选为0-10MPa，键合温度优选为20-450℃，键合时间优选为5-300min。

优选的，步骤(1)中衬底为蓝宝石或硅或碳化硅，缓冲层的材料包括AlN和GaN，所述n型掺杂GaN层的掺杂剂为硅或锗，掺杂浓度为1×10¹⁸～5×10¹⁹cm^-3。

优选的，步骤(4)中采用选择性电化学腐蚀溶液进行腐蚀，根据材料的不同选择合适的选择性电化学腐蚀溶液，选择性电化学腐蚀溶液为弱酸、弱碱或中性盐溶液，优选为氢氧化钠、盐酸、氯化钠或硝酸钠等。

本发明未详尽之处，均可采用现有技术进行。

本发明的有益效果为：

本发明的一种GaN基垂直腔面发射激光器及其制备方法，利用金属键合和激光剥离技术将GaN基外延结构转移到导电性较好的衬底，针对非平面结构的芯片，通过沉积金属层，与导电衬底上金属层键合，解决了一般的制备GaN基垂直腔面发射激光器散热性不足的问题，提高了成品率及器件性能。

本发明只需一次外延生长包括介质DBR、多量子阱有源层、以及顶部多孔GaN DBR完整外延结构即可，无需抛光、研磨等工艺，精确控制VCSEL谐振腔长度，提高器件性能；通过选择性电化学腐蚀技术刻蚀n型重/轻掺杂GaN形成多孔导电DBR层，不会增加额外的应力，并且通过优化多孔GaN/GaN结构的掺杂浓度和厚度使其具有很好的导电性和反射率。

本发明采用的的多孔导电DBR层只需掺杂浓度周期调制的GaN，采用选择性电化学腐蚀制备形成多孔GaN导电DBR结构，反射率很容易达到90％以上，且可重复性高，实现过程简单，利于实际应用，并且通过调制高孔洞率多孔GaN层和低孔洞率或非多孔GaN层的结构参数和制备工艺可达到良好的导电性，简化了器件制备工艺，提高器件可工作的电流密度，增加发光功率，有效提高GaN谐振腔光电子器件的性能。

附图说明

图1为本发明的GaN基垂直腔面发射激光器的结构示意图；

图2为本发明的制备过程流程图；

图3为蓝宝石衬底GaN基垂直腔面发射激光器薄膜非平面结构示意图；

图4为图3金属键合后的结构示意图；

图5为经过激光剥离、减薄工艺、器件图形刻蚀后对样品进行选择性电化学腐蚀后结构示意图；

图6为垂直腔面发射激光器上表面俯视示意图；

其中，11-蓝宝石衬底，12-缓冲层，13-非故意掺杂GaN层，14-n型掺杂GaN层，15-交替堆叠的GaN重掺杂层和GaN轻掺杂层，15’-多孔导电DBR层，16-n型半导体层，17-多量子阱有源层，18-p型半导体层，19-透明导电层，20-介质DBR层，21-金属层，22-导电衬底，23-绝缘介质层，24-n电极。

具体实施方式：

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。

实施例1：

一种GaN基垂直腔面发射激光器，如图1所示，包括导电衬底22，导电衬底22上表面制作有金属层21，金属层21的上表面中间设置有窗口，金属层21上表面中间部分窗口处制作有介质DBR层20，介质DBR层20上表面制作有透明导电层19，透明导电层19覆盖介质DBR层20和金属层21；透明导电层19上表面依次制作有p型半导体层18、多量子阱有源层17和n型半导体层16，n型半导体层16上表面生长制备有多孔导电DBR层15’，多孔导电DBR层15’上表面制作有绝缘介质层23，且绝缘介质23层的中间形成电流窗口，绝缘介质层23覆盖多孔导电DBR层15’、n型半导体层16、多量子阱有源层17、p型半导体层18以及透明导电层19，绝缘介质层23上表面制作有n电极24，n电极24覆盖部分多孔导电DBR层15’和部分绝缘介质层23。

实施例2：

一种GaN基垂直腔面发射激光器，结构如实施例1所示，所不同的是，多孔导电DBR层15’为高孔洞率多孔GaN层和低孔洞率多孔GaN层交替堆叠形成的多周期DBR结构，高孔洞率多孔GaN层和低孔洞率多孔GaN层分别由重掺杂GaN层和轻掺杂GaN层经过电化学腐蚀后形成，轻掺杂GaN层与重掺杂GaN层的掺杂剂为硅，其掺杂浓度分别为5×10¹⁷cm^-3以及5×10¹⁹cm^-3。

实施例3：

一种GaN基垂直腔面发射激光器，结构如实施例1所示，所不同的是，如图1所示，本实施例的多孔导电DBR层15’的周期数为6，反射率小于99.8％，多孔导电DBR层15’的孔径为1～300nm。

实施例4：

一种GaN基垂直腔面发射激光器，结构如实施例1所示，所不同的是，介质DBR层20为交替堆叠的两种折射率不同的材料构成，两种材料分别为SiO₂和TiO，介质DBR层20的反射率低于99.9％；

导电衬底22为金属。

实施例5：

一种GaN基垂直腔面发射激光器，结构如实施例1所示，所不同的是，金属层21为Au，透明导电层19为ITO；

n型半导体层16为掺硅的AlGaN，掺杂浓度优选为2×10¹⁹cm^-3；

多量子阱有源层17为InGaN/GaN；

P型半导体层18为掺镁的AlGaN，掺杂浓度为1×10²⁰cm^-3。

实施例6：

一种GaN基垂直腔面发射激光器，结构如实施例1所示，所不同的是，绝缘介质层23为SiO₂；

n电极24为Cr金属。

如图6所示，为本发明的垂直腔面发射激光器上表面俯视图，其中，横线覆盖部分为绝缘介质层，斜线覆盖部分为n电极，中间圆内空白部分为多孔导电DBR层上表面。

实施例7：

一种GaN基垂直腔面发射激光器的制备方法，如图2所示，包括以下步骤：

(1)如图3所示，在蓝宝石衬底11上依次生长缓冲层12、非故意掺杂GaN层13、n型掺杂GaN层14、交替堆叠的GaN重掺杂层和GaN轻掺杂层15、n型半导体层16、多量子阱有源层17、p型半导体层18、透明导电层19、交替堆叠的介质DBR层20；

(2)在介质DBR层20上表面沉积金属层21，形成非平面结构，在一导电衬底22上表面也沉积金属层，将导电衬底22上金属层与介质DBR层20上表面的金属层21键合在一起，如图4所示；本步骤将上述两种结构键合在一起，将具有非平面结构的GaN基薄膜转移到具有良好导电性的衬底上，改善器件的导电与散热情况，增加器件的工作电流密度。

(3)通过剥离技术将衬底与外延结构分离，再通过常规的干法、湿法刻蚀或减薄技术将缓冲层12、非故意掺杂GaN层13以及n型掺杂GaN层14去除，露出交替堆叠的GaN重掺杂层和GaN轻掺杂层15；

(4)采用选择性电化学腐蚀的方法对交替堆叠的重掺杂GaN层和轻掺杂GaN层进行腐蚀15，分别形成高孔洞率多孔GaN层与低孔洞率多孔GaN层交替堆叠的多孔导电DBR层15’，如图5所示，本发明将重掺杂GaN层与轻掺杂GaN层腐蚀出孔洞即可，制备方法简单，降低成本，掺杂浓度越高，形成孔洞率越高；

(5)通过现有技术的光刻、干法刻蚀、湿法刻蚀、清洗工艺形成VCSEL图形；

(6)在多孔导电DBR层15’上沉积绝缘介质层23，该绝缘介质层23的中心形成有电流窗口，且绝缘介质层覆盖多孔导电DBR层15’、n型半导体层16、多量子阱有源层17、p型半导体层18以及透明导电层19；

(7)在电流窗口处的部分多孔导电DBR层15’和部分绝缘介质层23上表面通过光刻金属沉积制备n电极24。

实施例8：

一种GaN基垂直腔面发射激光器的制备方法，如实施例1所示，所不同的是，步骤(2)中键合过程的压强为8MPa，键合温度为200-400℃，键合时间为60min。

实施例9：

一种GaN基垂直腔面发射激光器的制备方法，如实施例1所示，所不同的是，步骤(1)中缓冲层12的材料为AlN，n型掺杂GaN层14的掺杂剂为硅，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3；

步骤(4)中采用选择性电化学腐蚀溶液进行腐蚀，选择性电化学腐蚀溶液为硝酸钠。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种GaN基垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括导电衬底，所述导电衬底上表面制作有金属层，金属层的上表面中间设置有窗口，所述金属层上表面中间部分窗口处制作有介质DBR层，所述介质DBR层上表面制作有透明导电层，所述透明导电层覆盖介质DBR层和金属层；所述透明导电层上表面依次制作有p型半导体层、多量子阱有源层和n型半导体层，所述n型半导体层上表面生长制备有多孔导电DBR层，所述多孔导电DBR层上表面制作有绝缘介质层，且绝缘介质层的中间形成电流窗口，所述绝缘介质层覆盖多孔导电DBR层、n型半导体层、多量子阱有源层、p型半导体层以及透明导电层，所述绝缘介质层上表面制作有n电极，所述n电极覆盖部分多孔导电DBR层和部分绝缘介质层。

2.根据权利要求1所述的GaN基垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述多孔导电DBR层为高孔洞率多孔GaN层和低孔洞率多孔GaN层交替堆叠形成的多周期DBR结构，所述高孔洞率多孔GaN层和低孔洞率多孔GaN层分别由重掺杂GaN层和轻掺杂GaN层经过电化学腐蚀后形成。

3.根据权利要求1所述的GaN基垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述多孔导电DBR层的周期数为5-50，多孔导电DBR层的孔径为1～300nm。

4.根据权利要求1所述的GaN基垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述介质DBR层为交替堆叠的两种折射率不同的材料构成，两种材料为SiO₂、TiO₂、Ta₂O₅、AlN、SiN_x其中任意两种；

优选的，所述导电衬底为金属或导电半导体材料。

5.根据权利要求1所述的GaN基垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述金属层为Au、In、Sn、Cu、Pb中的一种金属，或者至少两种金属的合金；

优选的，所述透明导电层为ITO、AZO或超薄金属，超薄金属的厚度为0.5-10nm。

6.根据权利要求1所述的GaN基垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述n型半导体层为掺硅的AlGaN或GaN；

所述多量子阱有源层为InGaN/GaN或AlGaN/GaN；

所述P型半导体层为掺镁的AlGaN、InGaN、AlInN或GaN。

7.根据权利要求1所述的GaN基垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述绝缘介质层为不导电介质，优选为SiO₂、HfO₂或Al₂O₃；

优选的，所述n电极为Ti、Al、Ni、Au、Cr金属之一或者任意组合。

8.一种权利要求1所述的GaN基垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在衬底上依次生长缓冲层、非故意掺杂GaN层、n型掺杂GaN层、交替堆叠的GaN重掺杂层和GaN轻掺杂层、n型半导体层、多量子阱有源层、p型半导体层、透明导电层、交替堆叠的介质DBR层；

(2)在介质DBR层上表面沉积金属层，在一导电衬底上表面也沉积金属层，将导电衬底上金属层与介质DBR层上表面的金属层键合在一起；

(3)通过剥离技术将衬底与外延结构分离，再通过干法、湿法刻蚀或减薄技术将缓冲层、非故意掺杂GaN层以及n型掺杂GaN层去除，露出交替堆叠的GaN重掺杂层和GaN轻掺杂层；

(4)采用选择性电化学腐蚀的方法对交替堆叠的重掺杂GaN层和轻掺杂GaN层进行腐蚀，分别形成高孔洞率多孔GaN层与低孔洞率多孔GaN层交替堆叠的多孔导电DBR层；

(5)通过光刻、干法刻蚀、湿法刻蚀、清洗工艺形成VCSEL图形；

(6)在多孔导电DBR层上沉积绝缘介质层，该绝缘介质层的中心形成有电流窗口，且绝缘介质层覆盖多孔导电DBR层、n型半导体层、多量子阱有源层、p型半导体层以及透明导电层；

(7)在电流窗口处的部分多孔导电DBR层和部分绝缘介质层上表面通过光刻金属沉积制备n电极。

9.根据权利要求8所述的GaN基垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中键合过程的压强为0-10MPa，键合温度为20-450℃，键合时间为5-300min。

10.根据权利要求8所述的GaN基垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中衬底为蓝宝石或硅或碳化硅，缓冲层的材料包括AlN和GaN，所述n型掺杂GaN层的掺杂剂为硅或锗；

优选的，步骤(4)中选择性电化学腐蚀所使用的溶液为氢氧化钠、盐酸、氯化钠或硝酸钠。