CN111082316A

CN111082316A - 一种绿光垂直腔面发射半导体激光器

Info

Publication number: CN111082316A
Application number: CN202010051271.5A
Authority: CN
Inventors: 李林; 曾丽娜; 李再金; 乔忠良; 曲轶; 彭鸿雁
Original assignee: Hainan Normal University
Current assignee: Hainan Normal University
Priority date: 2020-01-17
Filing date: 2020-01-17
Publication date: 2020-04-28

Abstract

本发明属于半导体光电子技术领域，涉及一种半导体激光器。一种绿光垂直腔面发射半导体激光器结构由第一底部分布布拉格反射镜层，第一下势垒层，第一有源层，隧道结，电流注入层，第一上势垒层，第一顶部分布布拉格反射镜层，欧姆接触层，第二底部分布布拉格反射镜层，第二下势垒层，第二有源层，第二上势垒层，第二顶部分布布拉格反射镜层和窗口层组成。本发明提出一种绿光垂直腔面发射半导体激光器结构，由一次外延生长来实现有源层、高反射率分布布拉格反射镜层和窗口层在内的绿光垂直腔面发射半导体激光器完整外延结构，无需二次外延生长，从而能够保证获得高质量的外延材料。

Description

一种绿光垂直腔面发射半导体激光器

技术领域

本发明涉及一种绿光垂直腔面发射半导体激光器，属于半导体光电子技术领域。

背景技术

近二十年来，GaN 基半导体材料在外延生长和光电子器件制备方面均取得了重大科技突破，其中发光二极管（LED）和边发射激光器（EEL）已经实现产业化，但是具有更优越特性的垂直腔面发射激光器(VCSEL)仍处于实验室研究阶段。研发GaN基VCSEL已经成为国内外光电子领域研究的前沿和热点，国内外许多研发机构都投入了大量的人力和物力进行基础研究和应用开发。

VCSEL的独特优点包括阈值电流低、易实现单纵模工作、调制频率高、发散角度小、圆形光斑、易与光纤耦合、不必解理即可完成工艺制作和检测，易实现高密度二维阵列及光电集成等。蓝绿光VCSEL凭借以上优势，在高密度光存储、激光显示、激光打印、激光照明、激光电视、水下通信、海洋资源探测及激光生物医学等领域具有广阔的应用前景。

然而由于VCSEL谐振腔短（仅几微米长），导致其单程增益长度也极短，因此就要求制作的分布布拉格反射镜（DBR）材料质量必须良好，还要求DBR的反射率极高（通常要求达到99%以上）。目前所采用离子注入孔径和空气隙孔径电流注入孔径结构的VCSEL谐振腔均为双介质膜DBR结构。这两种电流注入孔径结构均采用ITO膜内腔电极，ITO膜内腔电极吸收引起的损耗以及ITO/GaN界面带来的损耗导致较高的阈值电流和较低的光输出。

本发明提出一种绿光垂直腔面发射半导体激光器及其制备方法。该方法采用蓝光到近紫外波长的面发射半导体激光器作为泵浦光源获得绿光面发射半导体激光。该方法的优点是激光器结构紧凑，外延生长蓝光到近紫外波长的面发射半导体激光器结构和绿光面发射半导体激光器结构，两种激光器结构直接由外延生长获得。这种绿光面发射半导体激光器的制备工艺简单，不仅能够获得高质量的高反射率腔镜，还能有效减小谐振腔的腔长。

本发明提出一种绿光垂直腔面发射半导体激光器外延结构，包括两个有源层、两对分布布拉格反射镜组成，实现一次外延生长即可完成两个及两个以上不同发光波长有源层和两对分布布拉格反射镜材料制备。同时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，从而有利于实现绿光垂直腔面发射半导体激光器光源。

发明内容

本发明的目的在于提出一种绿光垂直腔面发射半导体激光器结构，由热沉，蓝宝石衬底，缓冲层，第一底部DBR层，第一下势垒层，第一有源层，隧道结层，电流注入层，第一上势垒层，第一顶部DBR层，欧姆接触层，第二底部DBR层，第二下势垒层，第二有源层，第二上势垒层，第二顶部DBR层，窗口层组成。

为了实现上述目的，本发明提出了一种绿光垂直腔面发射半导体激光器结构，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；第一底部DBR层，为外延生长不同掺杂浓度的n型n-GaN/n+-GaN DBR同质结材料；第一下势垒层，为GaN材料，制作在同质结DBR层上；第一有源层，为多量子阱，该层制作在第一下势垒层上；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；第一上势垒层，为厚度是100nm的GaN材料，制作在电流注入层上；第一顶部DBR层，为外延生长不同掺杂浓度的n型 n-GaN/n+-GaN DBR同质结材料，该DBR层制作在第一上势垒层上；欧姆接触层，为厚度是300nm的n+-GaN材料，该层制作在第一顶部DBR层上；第二底部DBR层，为外延生长不同掺杂浓度的n型 n-GaN/n+-GaN DBR同质结材料，该层制作在欧姆接触层上；第二下势垒层，为GaN材料，制作在同质结DBR层上；第二有源层，为多量子阱，该层制作在第二下势垒层上；第二上势垒层，为厚度是100nm的GaN材料，该层制作在第二有源层上；第二顶部DBR层，为外延生长不同掺杂浓度的n型 n-GaN/n+-GaN DBR同质结材料，该DBR层制作在第二上势垒层上；窗口层，为GaN材料，为厚度是100nm的n+-GaN材料，该层制作在第二顶部DBR层上。

本发明提出一种绿光垂直腔面发射半导体激光器结构，由外延生长同质结DBR来实现高反射率的激光器谐振腔镜，无需谐振腔镜面镀膜工艺，从而能够保证获得高质量的腔镜材料，能解决腔镜复杂模系设计及高反射膜、增透膜制备的问题。

本发明提出的一种绿光垂直腔面发射半导体激光器制备工艺简单，结构紧凑，能够获得高质量的高反射率腔镜，还能有效减小谐振腔的腔长。

附图说明

图1是一种绿光垂直腔面发射激光器外延结构示意图，1为蓝宝石衬底，2为缓冲层，3为第一底部DBR层，4为第一下势垒层，5为第一有源层，6为隧道结，7为电流注入层，8为第一上势垒层，9为第一顶部DBR层，10为欧姆接触层，11为第二底部DBR层，12为第二下势垒层，13为第二有源层，14为第二上势垒层，15为第二顶部DBR层，16为窗口层。

图2 为一种绿光垂直腔面发射激光器外延片刻蚀工艺示意图，1为蓝宝石衬底，2为缓冲层，3为第一底部DBR层，4为第一下势垒层，5为第一有源层，6为隧道结，7为电流注入层，8为第一上势垒层，9为第一顶部DBR层，10为欧姆接触层，11为第二底部DBR层，12为第二下势垒层，13为第二有源层，14为第二上势垒层，15为第二顶部DBR层，16为窗口层。20为第一次光刻、ICP刻蚀沟道，21为第二次光刻、ICP刻蚀沟道。30为第一底部DBR刻蚀区，31为隧道结刻蚀区， 32为电流注入孔径区， 33为第一顶部DBR刻蚀区，34为第二底部DBR刻蚀区，35为第二顶部DBR刻蚀区。

具体实施方式

为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过一个具体实施方式，并结合其附图，对本方案进行阐述。

请参阅图1，图1是本发明的一种具体实施方式：本发明提出了一种绿光垂直腔面发射半导体激光器外延结构，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；第一底部DBR层（3），为外延生长不同掺杂浓度的n型n-GaN/n+-GaN DBR同质结材料，底部DBR总共20对，厚度分别为40nm和55nm，n-GaN掺杂浓度为n=1E18/cm³，n⁺-GaN掺杂浓度为n=1E19/cm³ ，该层制作在缓冲层上；第一下势垒层（4），为厚度是100nm的GaN材料，制作在第一底部DBR层上；第一有源层（5），为多量子阱层，其发光波长为420nm - 430nm，该层制作在第一下势垒层上；隧道结（6），为重掺杂n⁺-GaN/p⁺-GaN，n⁺-GaN和p+-GaN的掺杂浓度均5E19/cm³，厚度分别为15nm和10nm，该层制作在第一有源层上；电流注入层（7），为厚度是50nm的n+-GaN材料，掺杂浓度为n=5E19/cm³，该层制作在隧道结上；第一上势垒层（8），为厚度是100nm的GaN材料，制作在电流注入层上；第一顶部DBR层（9），为外延生长不同掺杂浓度的n型n-GaN/n⁺-GaN DBR同质结材料，顶部DBR总共15对，厚度分别为40nm和55nm，n-GaN掺杂浓度为n=1E18/cm³，n+-GaN掺杂浓度为n=1×E19/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=5E19/cm³，该层制作在第一顶部DBR层上，第二底部DBR层（11），为外延生长不同掺杂浓度的n型n-GaN/n+-GaN DBR同质结材料，底部DBR总共20对，厚度分别为50nm和70nm，n-GaN掺杂浓度为n=1E18/cm³，n⁺-GaN掺杂浓度为n=1E19/cm³ ，该层制作在欧姆接触层上；第二下势垒层（12），为厚度是100nm的GaN材料，制作在第二底部DBR层上；第二有源层（13），为多量子阱层，其发光波长为520nm - 530nm，该层制作在第二下势垒层上；第二上势垒层（14），为厚度是100nm的GaN材料，制作在第二有源层上；第二顶部DBR层（15），为外延生长不同掺杂浓度的n型n-GaN/n+-GaN DBR同质结材料，底部DBR总共15对，厚度分别为50nm和70nm，n-GaN掺杂浓度为n=1E18/cm³，n⁺-GaN掺杂浓度为n=1E19/cm³ ，该层制作在第二上势垒层上；窗口层（16），厚度是100nm的GaN材料，该层制作在第二顶部DBR层上。

请参阅图2，图2是本发明的一种绿光垂直腔面发射半导体激光器制备工艺具体实施方式：本发明提出一种绿光垂直腔面发射半导体激光器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。1为蓝宝石衬底，2为缓冲层，3为第一底部DBR层，4为第一下势垒层，5为第一有源层，6为隧道结，7为电流注入层，8为第一上势垒层，9为第一顶部DBR层，10为欧姆接触层，11为第二底部DBR层，12为第二下势垒层，13为第二有源层，14为第二上势垒层，15为第二顶部DBR层，16为窗口层。20为第一次光刻、ICP刻蚀沟道。21为第二次光刻、ICP刻蚀沟道。30为第一底部DBR刻蚀区，31为隧道结刻蚀区， 32为电流注入孔径区， 33为第一顶部DBR刻蚀区，34为第二底部DBR刻蚀区，35为第二顶部DBR刻蚀区。

刻蚀溶液为硝酸（硝酸质量分数约为68%），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，刻蚀4.5小时后，升高电压至2.5V，5分钟后反应结束。

经过第一次光刻，刻蚀工艺后，实现垂直腔面发射激光器外延片电流注入孔径制作。经过第二次光刻，刻蚀工艺后，完成绿光垂直腔面发射激光器制备工艺。

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

1.一种绿光垂直腔面发射半导体激光器结构，其特征在于，包括第一底部分布布拉格反射镜层、第一下势垒层、第一有源层、隧道结、电流注入层、第一上势垒层、第一顶部分布布拉格反射镜层、欧姆接触层、第二底部分布布拉格反射镜层、第二下势垒层、第二有源层、第二上势垒层、第二顶部分布布拉格反射镜层和窗口层；

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；第一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材料；第一下势垒层（4），该层制作在底部分布布拉格反射镜层上；第一有源层（5），为多量子阱，该层制作在第一下势垒层上；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；第一上势垒层（8），为厚度是100nm的GaN材料，制作在电流注入层上；第一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材料，该分布布拉格反射镜层制作在第一上势垒层上；欧姆接触层（10），为厚度是300nm的n+-GaN材料，该层制作在第一顶部分布布拉格反射镜层上；第二底部分布布拉格反射镜层（11），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材料，该层制作在欧姆接触层上；第二下势垒层（12），为GaN材料，制作在同质结分布布拉格反射镜层上；第二有源层（13），为多量子阱，该层制作在第二下势垒层上；第二上势垒层（14），为厚度是100nm的GaN材料，该层制作在第二有源层上；第二顶部分布布拉格反射镜层（15），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材料，该分布布拉格反射镜层制作在第二上势垒层上；窗口层（16），为GaN材料，为厚度是100nm的n+-GaN材料，该层制作在第二顶部分布布拉格反射镜层上。

2.根据权利要求1所述的一种绿光垂直腔面发射半导体激光器结构，其特征在于包括两个有源层、两对分布布拉格反射镜，只需要一次材料外延生长即可完成两个不同发光波长有源层和两对分布布拉格反射镜材料制备，从而有利于实现绿光垂直腔面发射半导体激光器光源。

3.根据权利要求1所述的一种绿光垂直腔面发射半导体激光器结构，其特征在于只需一次外延生长即可完成包括第一底部分布布拉格反射镜层，第一下势垒层，第一有源层，隧道结，电流注入层，第一上势垒层，第一顶部分布布拉格反射镜层，欧姆接触层，第二底部分布布拉格反射镜层，第二下势垒层，第二有源层，第二上势垒层，第二顶部分布布拉格反射镜层和窗口层在内的绿光垂直腔面发射半导体激光器完整外延结构，无需二次外延生长包括第二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。

4.根据权利要求1所述的一种绿光垂直腔面发射半导体激光器结构制备方法，其特征在于具体步骤为：首先绿光垂直腔面发射半导体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，制作出绿光垂直腔面发射半导体激光器外延片电流注入孔径；然后进行绿光垂直腔面发射半导体激光器外延片第二次光刻、ICP刻蚀，制作出绿光垂直腔面发射半导体激光器外延片分布布拉格反射镜完整结构。