CN113363805A - 基于导电氧化物dbr的氮化物垂直腔面发射激光器及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于导电氧化物DBR的氮化物垂直腔面发射激光器及制作方法,激光器结构方法包括激光器A、激光器B和激光器C三种结构形式,本方案使用具有导电性的氧化物材料制作分布式布拉格反射镜,不仅具有优良的导电性能,能够同时作为激光器电极使用。另外地,使用p型层+隧道结+n型层代替传统激光器中的p型层,结合隧道结的使用,可以有效提高器件的性能。这些方案的应用,使得本发明所提出的激光器结构中不需要使用透明电流扩展层以及腔内接触电极结构,从而显著地简化了激光器结构以及制备工艺;本方案制作方法与标准半导体制备工艺兼容,可以满足大规模光电器件制备与集成的需要,有着广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及光电子、半导体激光器技术领域,尤其涉及基于导电氧化物DBR的氮化物垂直腔面发射激光器及制作方法。
背景技术
垂直腔面发射激光器(VCSEL)以其面发射结构为特点,与传统边发射激光器具有显著的区别,垂直腔面发射的结构,使其能够通过简单的工艺实现密集二维集成。得益于更短的谐振腔,也获得了相较于边发射激光器更好的性能,有更窄的线宽、更低的阈值电流,并实现单纵模工作。而其圆形光斑也提高了与光纤对准的效率。在应用上具有广阔的前景,近年来受到了科研界与产业界的广泛关注。
氮化物材料包含氮化镓(GaN)、氮化铟(InN)、氮化铝(AlN)等,往往具有优良的理化特性。作为一种宽禁带直接带隙半导体,氮化物材料具有很高的辐射复合效率。借助于较宽且可调节的禁带宽度,其发光波段可以覆盖红外到深紫外,是目前高效率半导体发光器件的主要材料之一。
氮化物垂直腔面发射激光器通过使用氮化物材料,可以实现相较于传统的GaAs垂直腔面激光器更宽的波段覆盖。目前,正以其结构简单、腔长可控、低阈值以及小发散角等优点,在激光投影、高分辨率打印、光通信、精细化医疗、智能识别以及3D成像等领域有广泛的应用前景。
在现有的氮化物垂直腔面发射激光器结构中,谐振腔的上下反射镜通常是由外延生长的氮化物或沉积制备的氧化物介质膜分布式布拉格反射镜(DBR)构成。氮化物以其制备工艺成熟,与氮化物外延材料位错小等优点,成为目前氮化物垂直腔面发射激光器上下反射镜的主要材料体系。目前,在氮化物体系中常用的DBR材料主要有AlN/GaN、AlInN/GaN、AlGaN/GaN等,主要用于在n型一侧的反射镜。而在p型一侧,常用SiO2、Ti3O5、HfO等氧化物作为DBR材料,上述氧化物材料在生长制备技术上已经较为成熟,但是具有无法导电的缺点,这会增加器件结构和工艺制备的复杂程度。另外,由于外延生长p型氮化物电导率较低,金属/半导体接触电阻偏高,直接制备的电极无法实现有效的电流注入。目前主流的解决方案是增加透明电流扩展层,并在DBR下方制备环形电极,从而实现有效的腔内接触和电流注入。这些步骤需要高精度光刻、高质量材料生长等半导体工艺的支持,增加了制备工艺的复杂与困难程度。
因此,在氮化物垂直腔面发射激光器中,找到一种能导电的氧化物DBR材料体系用于p型侧反射镜,能够有效地简化制备工艺,并提高器件稳定性。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提出一种工艺简单、器件稳定性佳、能够有效规避氧化物DBR不导电的问题的基于导电氧化物DBR的氮化物垂直腔面发射激光器及制作方法。
为了实现上述的技术目的,本发明所采用的技术方案为:
一种基于导电氧化物DBR的氮化物垂直腔面发射激光器,其包括依序层叠设置的衬底、第一反射镜、第一n型层、有源区、p型层、电流限制层、第二反射镜和p电极;
其中,第一n型层上还设置由n电极;
另外,所述第二反射镜由导电性氧化物DBR构成。
作为一种可能的实施方式,进一步,本发明还提供一种激光器实施结构,所述p型层和电流限制层之间还设有第二n型层,第二n型层与p型层之间还设有隧道结。
作为一种较优的实施选择,优选的,所述第一反射镜由氮化物DBR或导电性氧化物(例如:Ga2O3、ZnO或CdO)DBR构成;所述第二反射镜由p型导电性氧化物DBR构成或由n型导电性氧化物DBR构成。
作为一种较优的实施选择,优选的,所述第二反射镜为p型导电性氧化物DBR构成时,其由p型导电性的氧化镍、氧化铜或氧化亚铜中的任意两种交叉排布构成;
所述第二反射镜为n型导电性氧化物DBR构成时,其由n型导电性的氧化镓、氧化锌或氧化镉中的任意两种交叉排布构成。
作为一种较优的实施选择,优选的,所述第一n型层接近有源区的端部形成内缩台阶,所述n电极设置在该内缩台阶上。
作为一种较优的实施选择,优选的,所述电流限制层为SiO2、AlN或Al2O3制成;
所述n电极和所述p电极为Cr、Ni、Pt、Ti、Au一种以上层叠制成。
基于上述的激光器方案,本发明还提供一种基于导电氧化物DBR的氮化物垂直腔面发射激光器的制作方法,其包括如下步骤:
S1、在原始衬底上生长第一反射镜以及PiN结构的半导体外延层,其中,半导体外延层包括依序层叠的第一n型层、有源区和p型层或包括依序层叠的第一n型层、有源区、p型层、隧道结和第二n型层;
S2、对半导体外延层进行刻蚀至第一n型层,以预留出区域制备n电极;
S3、在n型层上预留的区域制备n电极;
S4、对半导体外延层表面进行刻蚀出预设区域以用于沉积电流限制层;
S5、在半导体外延层表面刻蚀形成的预设区域上进行电流限制层沉积;
S6、在沉积有电流限制层的半导体外延层上层叠制备第二反射镜;
S7、在第二反射镜上制备p电极,完成激光器的制备。
作为一种较优的实施选择,优选的,步骤S01中,采用MOCVD或者MBE方式生长第一反射镜和PiN结构的半导体外延层。
作为另一种激光器方案,本发明还提供一种基于导电氧化物DBR的氮化物垂直腔面发射激光器,其包括依序层叠设置的支撑基板、第一反射镜、电流限制层、第一n型层、隧道结、P型层、有源区、第二n型层、第二反射镜和n电极;
其中,所述第一反射镜由导电性氧化物(Ga2O3、ZnO或CdO)DBR构成;所述第二反射镜由n型导电性氧化物DBR构成。
基于上述的激光器方案,本发明还提供一种基于导电氧化物DBR的氮化物垂直腔面发射激光器的制作方法,其包括如下步骤:
S1、在原始衬底上生长PiN结构的半导体外延层,该半导体外延层包括依序层叠的第二n型层、有源区、p型层、隧道结和第一n型层;
S2、对半导体外延层表面进行刻蚀出预设区域以用于沉积电流限制层;
S3、在刻蚀形成的预设区域上进行沉积电流限制层;
S4、在沉积有电流限制层的半导体外延层上层叠制备第一反射镜;
S5、在第一反射镜上层叠制备兼做第一电极的支撑基板,同时使其覆盖第一反射镜远离半导体外延层的表面,获得第一坯体;
S6、将第一坯体倒置,去除原始衬底;
S7、在第一坯体上依序层叠制备第二反射镜和第二电极,完成激光器的制备。
作为一种可能的实施方式,进一步,步骤S1中,采用MOCVD或者MBE方式生长PiN结构的半导体外延层。
作为一种可能的实施方式,进一步,所述的第一反射镜、第二反射镜均由n型导电性氧化物DBR构成。
作为一种可能的实施方式,进一步,步骤S5中,支撑基板为金属导电材料或非金属导电材料,该支撑基板通过电镀或者金属键合的方式制取。
基于上述,可获知,本发明方案公开了位于同一总体构思下的三种激光器组件,其分别为:
激光器A:基于导电氧化物DBR的氮化物垂直腔面发射激光器,采用正装结构,其包括依序设置的衬底、第一反射镜、第一n型层、n电极、有源区、p型层、电流限制层、第二反射镜以及p电极;
激光器B:基于导电氧化物DBR与掩埋隧道结的氮化物垂直腔面发射激光器,采用正装结构,其包括依序设置的衬底、第一反射镜、第一n型层、n电极、有源区、p型层、隧道结、第二n型层、电流限制层、第二反射镜以及p电极;
激光器C:基于导电氧化物DBR与掩埋隧道结的氮化物垂直腔面发射激光器,采用垂直结构,其包括依序设置的支撑基板、第一反射镜、电流限制层、n型层、隧道结、p型层、有源区、n型层、第二反射镜以及n电极。
激光器A的方案选用具有p型导电性的氧化物(包括:NiO、CuO、Cu2O等)DBR作为器件的第二反射镜,能够有效规避现有氮化物DBR生长困难以及氧化物DBR不导电的问题。
另外,激光器A和激光器B的方案采用正装结构,该结构与垂直结构均为目前氮化物垂直腔面发射激光器常用的结构。垂直结构的制备过程中常使用激光剥离、胶键合或者电镀等方式以进行衬底转移,从而实现垂直结构的制备,垂直结构能够带来器件结构的精简与性能的优化,但对制备工艺提出了较大的挑战,困难的工艺也容易造成器件稳定性以及均一性的下降。而正装结构则通过接续完成第一反射镜与PiN结构半导体外延层的生长,并在同一面上制备n/p电极的方式,简化了制备工艺,进而有效提高器件的均一性及稳定性,本专利结合了横向结构与导电性氧化物DBR,做到在制备工艺上的进一步简化,提供一个在制备难度和导电性上都有优势的方案。
激光器C的方案提出了一种使用p型区+隧道结(BJT)+n型区的结构以替代p型区的方案。在传统的垂直腔面发射激光器中,是通过对氮化物材料进行施主或受主以形成n\p型区的,这种方案作为常规选择的方案,具有较为稳定的工艺与流程。而在氮化物材料中进行p型掺杂的难度相较于n型掺杂要高,也难以做到与n型掺杂同一量级的浓度,这限制了电流注入的效率。本发明所提出的p型层+隧道结+n型层的方案,通过在p型层上制备具有高输运效率的隧道结,并在隧道结上制备高掺杂的n型层,能够在简化外延制备难度的同时,有效提高p型侧的注入效率,进而实现器件性能的优化。
采用上述的技术方案,本发明与现有技术相比,其具有的有益效果为:本发明使用具有导电性的氧化物材料(ZnO、CdO、Ga2O3、NiO、CuO及Cu2O)制作分布式布拉格反射镜,作为氮化物垂直腔面发射激光器的反射镜,相对于氮化物材料体系或介质膜材料体系,该反射镜具有优良的导电性能,能够同时作为激光器电极使用。同时,本发明提出的掩埋隧道结结构,允许在p型侧使用n型氮化物作为接触层,可以实现更高的电流注入效率,提高器件的性能。
因此,在本发明的垂直腔面发射激光器(VCSEL)结构中不需要使用透明电流扩展层以及腔内接触电极结构,从而显著地简化了激光器结构以及制备工艺;此外,由于这些氧化物之间有相对于常用的氮化物DBR材料体系更大的折射率差,有效减少了实现高反射率所需的DBR对数,提高了器件的散热性能,有助于提高器件的性能与寿命。
同时,本发明所使用的激光器A和激光器B,通过接续生长第一反射镜与PiN结构半导体外延层的方式,提高所制备器件的质量。之后通过在同一平面制备n/p电极的方式,回避了垂直结构VCSEL所需的衬底剥离及倒装工艺,进一步简化了制备工艺,有效提高了器件的均一性及稳定性。
在兼具如上所提及的优点情况下,本发明所公开的制作方法还可以实现氮化物垂直腔面发射激光器的制备,且制备工艺简单,与标准半导体制备工艺兼容,可以满足大规模光电器件制备与集成的需要,有着广泛的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1的简要实施结构示意图;
图2为本发明实施例1的简要制作方法流程示意图;
图3为本发明实施例1制作方法中,在衬底上生长DBR(第一反射镜)与半导体外延层后的样品结构示意图;
图4为本发明实施例1制作方法中,在外沿片上刻蚀至n型层以预留n电极制备的位置后的结构示意图;
图5为本发明实施例1制作方法中,进行n电极制备后的结构示意图;
图6为本发明实施例1制作方法中,在外沿片上刻蚀出用于电流限制层沉积的位置后的结构示意图;
图7为本发明实施例1制作方法中,制备电流限制层后的结构示意图;
图8为本发明实施例1制作方法中,制备氧化物DBR(第二反射镜)后的结构示意图;
图9为本发明实施例1制作方法中,进行p电极制备后的结构示意图;
图10是本发明实施例2的简要实施结构示意图;
图11是本发明实施例2的简要制作方法流程示意图;
图12为本发明实施例3的简要实施结构示意图;
图13为本发明实施例3的简要制作方法流程示意图;
图14为本发明实施例3的制作方法中,在衬底上生长半导体外延层后的样品结构示意图;
图15为本发明实施例3的制作方法中,在外沿片上刻蚀出用于电流限制层沉积的位置后的结构示意图;
图16为本发明实施例3的制作方法中,进行制备电流限制层后的结构示意图;
图17为本发明实施例3的制作方法中,进行制备其一氧化物DBR(第一反射镜)后的结构示意图;
图18为本发明实施例3的制作方法中,进行制备支撑基板之后的样品结构示意图;
图19为本发明实施例3的制作方法中,进行将样品倒置并去除原始衬底之后的样品结构示意图;
图20为本发明实施例3的制作方法中,进行制备另一氧化物DBR(第二反射镜)与电极之后的样品结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是,以下实施例仅用于说明本发明,但不对本发明的范围进行限定。同样的,以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示,本实施例提供一种基于导电氧化物DBR的氮化物垂直腔面发射激光器,其包括依序层叠设置的衬底A-1、第一反射镜A-2、第一n型层A-3、有源区A-5、p型层A-6、电流限制层A-7、第二反射镜A-8和p电极A-9;
其中,本方案结构属于一种正装结构,本方案中,所述第一n型层A-3上还设置由n电极A-4;
所述第一反射镜A-2由氮化物DBR或导电性氧化物(例如Ga2O3、ZnO或CdO)DBR构成;所述第一反射镜A-2由氮化物DBR构成时,其为AlInN与GaN交叉排布构成;所述第二反射镜A-8由导电性氧化物DBR构成,其为具有p型导电性的氧化镍、氧化铜或氧化亚铜中的任意两种交叉排布构成。
本方案中,所述的氧化物分布式布拉格反射镜具有高导电性。
另外,本实施例方案第一反射镜A-2和第二反射镜A-8构成的具体材料还可以按照器件发光波长需求进行选择。
同时,这些氧化物介质膜DBR在保持高反射率、宽反射带的同时也具有良好导电性能,可以直接作为接触电极使用。
本方案中,所述电流限制层A-7为绝缘性材料,通过限制注入电流的横向扩散,提高注入载流子密度和发光功率。同时,也对横向高阶光模式进行限制,提高基态模式的出光功率。作为一种较优的实施选择,优选的,所述的电流限制层为SiO2、AlN或Al2O3制成;其可以改善器件整体的散热性能。
本方案中,所述n型层、有源区、p型层均可以采用现有的n型层、有源区和p型层结构,此已是非常成熟的现有技术,便不再进行叙述。
其中,所述n电极A-4、p电极A-9的材料可以为Cr、Ni、Pt、Ti、Au或者其它电导率良好的金属电极材料或不同金属材料叠层构成。
在图1所示的基础上,结合图2至图9之一所示,基于本实施例上述的激光器方案,本实施例还提供一种基于导电氧化物DBR的氮化物垂直腔面发射激光器的制作方法,其包括如下步骤:
S1、在原始衬底A-1上生长第一反射镜A-2以及PiN结构的半导体外延层,其中,半导体外延层包括依序层叠的第一n型层A-3、有源区A-5和p型层A-6;
S2、对半导体外延层进行刻蚀至第一n型层A-3,以预留出区域制备n电极A-4;
S3、在第一n型层A-3上预留的区域制备n电极A-4;
S4、对半导体外延层表面进行刻蚀出预设区域以用于沉积电流限制层A-7;
S5、在半导体外延层表面刻蚀形成的预设区域上进行电流限制层沉积A-7;
S6、在沉积有电流限制层A-7的半导体外延层上层叠制备第二反射镜A-8;
S7、在第二反射镜A-8上制备p电极A-9,完成激光器的制备。
其中,作为一种较优的实施选择,优选的,步骤S01中,采用MOCVD或者MBE方式生长第一反射镜A-2和PiN结构的半导体外延层。
本实施例中,作为第一反射镜A-2的氮化物DBR由铝铟氮(分子式为AlInN)与氮化镓(分子式为GaN)层交叉排布构成,其可以为圆形或者其他几何图形,尺寸可以为几至几百微米,之后生长PiN结构半导体外延层。
本实施例中,衬底A-1的材料主要使用GaN、Si、SiC、Ga2O3等衬底。
结合图4所示,步骤S02中,可以使用光刻、电感耦合等离子体刻蚀等工艺在外延片表面进行刻蚀,刻蚀至第一n型层A3以进行n电极A-4的沉积。
结合图5所示,步骤S03中,可以使用磁控溅射或者原子层沉积工艺,在步骤S2中留下的位置内沉积n电极A-4,电极材料可以为Cr、Ni、Pt、Ti、Au或者其它电导率良好的金属电极材料或不同金属材料叠层构成。
结合图6所示,步骤S04中,使用光刻、电感耦合等离子体刻蚀等工艺在外延片表面进行刻蚀,预留出供电流限制层A-7沉积的位置。
结合图7所示,步骤S05中,可以使用磁控溅射或者原子层沉积工艺,在步骤S04中留下的位置内沉积电流限制层A-7,电流限制层A-7材料可以为SiO2,也可选用具有更高导热性的AlN或者Al2O3。
结合图8所示,步骤S06中,可以使用溅射、蒸镀等工艺在外延片上表面制备导电性氧化物DBR,以作为第二反射镜A-8。
本实施例中,激光器的导电性氧化物DBR由p型氧化镍(分子式为NiO)与氧化铜(分子式为CuO)层交叉排布构成。其形状可为正方形、圆形或者其他几何图形,尺寸可以为几至几百微米。
结合图9所示,步骤S07中,可以使用沉积、蒸镀等方式制备p电极A-9与B-11,使用溅射或者蒸镀等方式在氧化物DBR上表面制备n电极9,其材料可以为Cr、Ni、Pt、Ti、Au或者其它电导率良好的金属电极材料或不同金属材料叠层构成。
实施例2
如图10所示,本实施例一种基于导电氧化物DBR的氮化物垂直腔面发射激光器,其包括依序层叠设置的衬底B-1、第一反射镜B-2、第一n型层B-3、有源区B-5、p型层B-6、隧道结B7、第二n型层B8、电流限制层B-9、第二反射镜B-10和p电极B-11。
其中,本方案结构属于一种正装结构,本方案中,所述第一n型层B-3上还设置由n电极B-4;
所述第一反射镜B-2由氮化物DBR或导电性氧化物(例如Ga2O3、ZnO或CdO)DBR构成。
本方案中,所述的氧化物分布式布拉格反射镜具有高导电性;所述第二反射镜B-10由n型导电性氧化物DBR构成,导电性氧化物DBR由n型氧化镓(分子式为Ga2O3)与氧化锌(分子式为ZnO)层交叉排布构成。其形状可为正方形、圆形或者其他几何图形,尺寸可以为几至几百微米。
另外,本实施例方案第一反射镜B-2和第二反射镜B-10构成的具体材料还可以按照器件发光波长需求进行选择。
同时,这些氧化物介质膜DBR在保持高反射率、宽反射带的同时也具有良好导电性能,可以直接作为接触电极使用。
本方案中,所述电流限制层B-9为绝缘性材料,通过限制注入电流的横向扩散,提高注入载流子密度和发光功率。同时,也对横向高阶光模式进行限制,提高基态模式的出光功率。作为一种较优的实施选择,优选的,所述的电流限制层为SiO2、AlN或Al2O3制成;其可以改善器件整体的散热性能。
本方案中,所述n型层、有源区、p型层均可以采用现有的n型层、有源区和p型层结构,此已是非常成熟的现有技术,便不再进行叙述。
其中,所述n电极B-4、p电极B-11的材料可以为Cr、Ni、Pt、Ti、Au或者其它电导率良好的金属电极材料或不同金属材料叠层构成。
在图10所示的基础上,结合图11所示,基于本实施例上述的激光器方案,本实施例还提供一种基于导电氧化物DBR的氮化物垂直腔面发射激光器的制作方法,其包括如下步骤:
S1、在原始衬底B-1上生长第一反射镜B-2以及PiN结构的半导体外延层,其中,半导体外延层包括依序层叠的第一n型层B-3、有源区B-5、p型层B-6、隧道结B-7和第二n型层B-8;
S2、对半导体外延层进行刻蚀至第一n型层B-3,以预留出区域制备n电极B-4;
S3、在第一n型层B-3上预留的区域制备n电极B-4;
S4、对半导体外延层表面进行刻蚀出预设区域以用于沉积电流限制层B-9;
S5、在半导体外延层表面刻蚀形成的预设区域上进行电流限制层沉积B-9;
S6、在沉积有电流限制层B-9的半导体外延层上层叠制备第二反射镜B-10;
S7、在第二反射镜B-10上制备p电极B-11,完成激光器的制备。
本实施例方案的激光器制作方法与实施例1的主要差别在于半导体外延层的具体结构方面,其余均大致相同,便不再赘述。
实施例3
如图12所示,本实施例一种基于导电氧化物DBR的氮化物垂直腔面发射激光器,其包括依序层叠设置的支撑基板C-1、第一反射镜C-2、电流限制层C-3、第一n型层C-4、隧道结C-5、P型层C-6、有源区C-7、第二n型层C-8、第二反射镜C-9和n电极C-10;
其中,所述第一反射镜C-2由导电性氧化物DBR构成;所述第二反射镜C-9由n型导电性氧化物DBR构成。
结合图13至图20之一所示,基于上述的激光器方案,本实施例还提供一种基于导电氧化物DBR的氮化物垂直腔面发射激光器的制作方法,其包括如下步骤:
S1、在原始衬底C-10上生长PiN结构的半导体外延层,该半导体外延层包括依序层叠的第二n型层C-8、有源区C-7、p型层C-6、隧道结C-5和第一n型层C-4;
S2、对半导体外延层表面进行刻蚀出预设区域以用于沉积电流限制层C-3;
S3、在刻蚀形成的预设区域上进行沉积电流限制层C-3;
S4、在沉积有电流限制层C-3的半导体外延层上层叠制备第一反射镜C-2;
S5、在第一反射镜上层叠制备兼做第一电极的支撑基板C-1,同时使其覆盖第一反射镜C-2远离半导体外延层的表面,获得第一坯体;
S6、将第一坯体倒置,去除原始衬底;
S7、在第一坯体上依序层叠制备第二反射镜C-9和第二电极(即,n电极C-10),完成激光器的制备。
结合图14所示,步骤S01中,可以使用MOCVD或者MBE方法在原始衬底C-0上生长PiN结构半导体外延层,具体为:在原始衬底C-0上依次生长第二n型层C-8、有源区C-7、p型层C-6、隧道结C-5、第一n型层C-4,形成半导体外延片;而原始衬底C-0的材料一般使用GaN、蓝宝石、Si、SiC等衬底。
结合图15所示,步骤S02中,可以使用光刻、电感耦合等离子体刻蚀等工艺在外延片表面进行刻蚀,留出供电流限制层C-3沉积的位置。
结合图16所示,步骤S03中,可以使用磁控溅射或者原子层沉积工艺,在步骤S2中留下的位置内沉积电流限制层C-3,电流限制层材料可以为SiO2,也可选用具有更高导热性的AlN或者Al2O3。
结合图17所示,步骤S04中,可以使用溅射、蒸镀等工艺在外延片上表面制备氧化物DBR,以作为第一反射镜C-2。本实施例中,氧化物DBR由n型氧化锌(分子式为ZnO)与氧化镓(分子式为Ga2O3)层交叉排布构成,其形状可为正方形、圆形或者其他几何图形。
结合图18所示,步骤S05中,可以使用电镀或者金属键合的方法在介质膜DBR(即,第一反射镜C-2)上表面制备支撑基板C-1,其厚度可以为几十至几百微米,支撑基板C-1的材料可以为铜、铝或者其他导热导电性良好的金属或其他材料如半导体,其亦作为p电极使用。
结合图19所示,步骤S06中,可以将步骤S5形成的第一坯体倒置并使用激光剥离、抛光或者刻蚀的方法去除外延生长时的原始衬底C-0。去除原始衬底C-0后,基板C-1起到对半导体外延层的支撑作用。
步骤S06中所使用的激光剥离、抛光与刻蚀技术均有其优缺点。激光剥离能够通过分解GaN的方式,高效地将样品与原始衬底剥离开,但其对转移衬底的支撑性以及激光功率等都有较高的要求,并可能在剥离开的样品表面留下残留。抛光可以使剥离后样品具有更平滑的表面,但需要较长的时间,还可能造成样品表面的倾斜。刻蚀技术能够在短时间内实现对衬底的快速减薄与剥离,但会对样品表面造成较大的损伤,影响样品性能。因而,在具体的制备中,可以根据具体需求,选取合适的技术或者通过多技术协同进行,来实现衬底的分离。
结合图20所示,步骤S07中,可以使用沉积、蒸镀等方式制备第二反射镜C-9和n电极C-10,本实施列中采用导电性氧化物DBR作为第二反射镜C-9,该氧化物DBR由n型氧化锌(分子式为ZnO)与氧化镉(分子式为CdO)层交叉排布构成。之后使用溅射或者蒸镀等方式在氧化物DBR上表面制备n电极C-10,其材料可以为Cr、Ni、Pt、Ti、Au或者其它电导率良好的金属电极材料或不同金属材料叠层构成。
以上方案中,由于导电氧化物DBR的存在,将其作为氮化物垂直腔面激光器的反射镜,能够允许使用无电流扩展层及内腔电极结构制备氮化物垂直腔面发射激光器。
由氧化物制成的DBR能够在保证高反射率的基础上,起到电流注入的作用。这解决了传统氮化物以及介质膜DBR的电流注入难题,极大地简化了制备工艺。另外,由于这些氧化物之间相对于传统的氮化物DBR材料之间具有较大的折射率差异,能够使用较少的对数实现所需的反射率和反射带宽,相较于传统氮化物垂直腔面发射激光器使用的氮化物DBR,散热性能有所提高,实现器件整体的优异散热性能。同时,通过结构上的正装设计,有效简化了制备工艺,提高了所制备VCSEL的一致性与稳定性。而使用掩埋隧道结的方案,则能有效提高器件的电流注入效率,进而实现器件性能的提升。
本发明使用光刻、刻蚀、电镀、沉积等工艺制备,可实现氮化物垂直腔面发射激光器的制备,所有制备工艺与标准半导体制备工艺兼容,满足大规模光电器件制备与集成的需要,有着广泛的应用前景。
以上所述仅为本发明的部分实施例,并非因此限制本发明的保护范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于导电氧化物DBR的氮化物垂直腔面发射激光器,其特征在于,其包括依序层叠设置的衬底、第一反射镜、第一n型层、有源区、p型层、电流限制层、第二反射镜和p电极;
其中,第一n型层上还设置由n电极;
另外,所述第二反射镜由导电性氧化物DBR构成。
2.如权利要求1所述的基于导电氧化物DBR的氮化物垂直腔面发射激光器,其特征在于,所述p型层和电流限制层之间还设有第二n型层,第二n型层与p型层之间还设有隧道结。
3.如权利要求1或2所述的基于导电氧化物DBR的氮化物垂直腔面发射激光器,其特征在于,所述第一反射镜由氮化物DBR或导电性氧化物DBR构成;所述第二反射镜由p型导电性氧化物DBR构成或由n型导电性氧化物DBR构成。
4.如权利要求3所述的基于导电氧化物DBR的氮化物垂直腔面发射激光器,其特征在于,所述第二反射镜为p型导电性氧化物DBR构成时,其由p型导电性的氧化镍、氧化铜或氧化亚铜中的任意两种交叉排布构成;
所述第二反射镜为n型导电性氧化物DBR构成时,其由n型导电性的氧化镓、氧化锌或氧化镉中的任意两种交叉排布构成。
5.如权利要求1或2所述的基于导电氧化物DBR的氮化物垂直腔面发射激光器,其特征在于,所述第一n型层接近有源区的端部形成内缩台阶,所述n电极设置在该内缩台阶上。
6.如权利要求1或2所述的基于导电氧化物DBR的氮化物垂直腔面发射激光器,其特征在于,所述电流限制层为SiO2、AlN或Al2O3制成;
所述n电极和所述p电极为Cr、Ni、Pt、Ti、Au一种以上层叠制成。
7.如权利要求1或2所述的基于导电氧化物DBR的氮化物垂直腔面发射激光器的制作方法,其特征在于,其包括如下步骤:
S1、在原始衬底上生长第一反射镜以及PiN结构的半导体外延层,其中,半导体外延层包括依序层叠的第一n型层、有源区和p型层或包括依序层叠的第一n型层、有源区、p型层、隧道结和第二n型层;
S2、对半导体外延层进行刻蚀至n型层,以预留出区域制备n电极;
S3、在第一n型层上预留的区域制备n电极;
S4、对半导体外延层表面进行刻蚀出预设区域以用于沉积电流限制层;
S5、在半导体外延层表面刻蚀形成的预设区域上进行电流限制层沉积;
S6、在沉积有电流限制层的半导体外延层上层叠制备第二反射镜;
S7、在第二反射镜上制备p电极,完成激光器的制备。
8.如权利要求7所述的基于导电氧化物DBR的氮化物垂直腔面发射激光器的制作方法,其特征在于,步骤S01中,采用MOCVD或者MBE方式生长第一反射镜和PiN结构的半导体外延层。
9.基于导电氧化物DBR的氮化物垂直腔面发射激光器,其特征在于,其包括依序层叠设置的支撑基板、第一反射镜、电流限制层、第一n型层、隧道结、P型层、有源区、第二n型层、第二反射镜和n电极;
其中,所述第一反射镜由导电性氧化物DBR构成;所述第二反射镜由n型导电性氧化物DBR构成。
10.如权利要求9所述的基于导电氧化物DBR的氮化物垂直腔面发射激光器的制作方法,其特征在于,其包括如下步骤:
S1、在原始衬底上生长PiN结构的半导体外延层,该半导体外延层包括依序层叠的第二n型层、有源区、p型层、隧道结和第一n型层;
S2、对半导体外延层表面进行刻蚀出预设区域以用于沉积电流限制层;
S3、在刻蚀形成的预设区域上进行沉积电流限制层;
S4、在沉积有电流限制层的半导体外延层上层叠制备第一反射镜;
S5、在第一反射镜上层叠制备兼做第一电极的支撑基板,同时使其覆盖第一反射镜远离半导体外延层的表面,获得第一坯体;
S6、将第一坯体倒置,去除原始衬底;
S7、在第一坯体上依序层叠制备第二反射镜和第二电极,完成激光器的制备。
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