CN113471814A - 氮化物半导体垂直腔面发射激光器、其制作方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氮化物半导体垂直腔面发射激光器、其制作方法及应用。所述氮化物半导体垂直腔面发射激光器(VCSEL)包括沿设定方向依次设置的n侧DBR结构、有源区和p侧DBR结构，所述激光器的n侧形成有电流限制结构。进一步的，所述激光器的p侧与支撑片键合。本发明提供的氮化物半导体垂直腔面发射激光器具有器件电阻低、工作电压小，热阻低、散热效果好、结温低，工艺简单等优点，可大幅增强氮化物半导体VCSEL的性能和寿命，提高激光器工作稳定性。

Description

氮化物半导体垂直腔面发射激光器、其制作方法与应用

技术领域

本发明涉及一种垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-EmittingLaser，VCSEL)，尤其涉及一种氮化物半导体垂直腔面发射激光器、其制作方法与应用，属于半导体光电技术领域。

背景技术

以氮化镓(GaN)为代表的III族氮化物半导体材料具有禁带宽度大、直接带隙、耐高温、抗辐射等优异特性，带隙覆盖深紫外至近红外光谱范围，在半导体光电子器件领域具有重要应用价值，可用于制备高效发光二极管、半导体激光器等。III族氮化物半导体激光器是三基色激光光源的重要组成部分，是新一代激光显示技术的核心部件，在激光显示、激光微投影等领域具有非常广阔的应用前景。常见的III族氮化物半导体激光器有边发射激光器和垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，简称VCSEL)。边发射激光器的激光出射方向与芯片表面平行，其优点是输出功率较大；缺点是：1)无法进行快速片上测试，需解理外延片形成谐振腔后测试，工艺复杂，导致研发成本较高；2)光束发散角大，近场、远场呈椭圆分布，与光纤耦合效率低；3)由于激光出射方向与芯片表面平行，不易实现二维阵列。相比之下，VCSEL不需要解理形成谐振腔，可实现晶圆上快速测试，极大降低了研发成本；且VCSEL的光束发散角小，近场、远场呈圆形分布，可以与光纤高效耦合；最后，VCSEL的激光出射方向与芯片表面垂直，体积小，易于实现高密度二维平面阵列，适合光互联和并行信息处理。因此，VCSEL被广泛应用于无人驾驶、光互连、光纤通讯、人脸识别、新型显示、光存储、局域网、原子钟等领域，是一种极具发展前景的新型半导体激光器。

传统的III族氮化物半导体VCSEL结构由下至上依次包括衬底、缓冲层、下分布式布拉格反射镜(DBR)、电子注入层、发光区、空穴注入层、以及上DBR，如Optics Express 23,27145(2015)。其中下DBR通常为多周期的Al(Ga)N/(Al)GaN异质外延超晶格结构。由于p型Al(Ga)N/(Al)GaN周期性材料的导电性差、应力大，且需要很大的周期厚度才能实现谐振腔所需要的高反射率，导致外延薄膜容易产生裂纹，因此上DBR通常采用高反的多层介质反射膜，如TiO₂/SiO₂。该结构通常需要通过刻蚀制备圆形台面，然后在台面的p型接触层表面制作SiO₂或SiN_x等低热导率介质膜作为电流限制层，随后对介质膜开孔、制备ITO透明导电膜及p侧电极，并在ITO上制备高反的多层介质反射膜。这种结构VCSEL面临以下两方面主要问题：1)这种结构VCSEL的出光孔径通常不超过10μm，电流需通过10μm孔径大小的ITO流入p型层，p侧电极接触面积很小，接触电阻高。此外，由于p型氮化物的空穴浓度n(～10¹⁷cm^-3)比n型的电子浓度(10¹⁸～10¹⁹cm^-3)低1～2个数量级，且空穴迁移率μ(<10cm²/V·s)比电子(500～1000cm²/V·s)低1～2个数量级，这导致p型空穴注入区的电阻率(ρ＝1/n·μ·q)很高；加之空穴注入面积S(直径～10μm)相比n侧电子注入面积(典型200μm×200μm)小很多，因此这种结构VCSEL的p侧串联电阻(R＝ρ·L/S)巨大。较高的p侧电阻导致器件工作电压很高，从而热功率大，产生的巨大焦耳热导致激光器的结温升高，严重影响VCSEL的性能与可靠性。2)采用低热导率的SiO₂或SiN_x等介质膜作电流限制层，会显著增加器件热阻，降低激光器内部的热传导，使得器件散热较难、热阻较大，从而加剧热效应，造成器件结温升高、有源区非辐射复合增强、输出功率下降，最终器件寿命大幅减小，严重制约氮化物半导体VCSEL的广泛应用。

现有降低氮化物半导体VCSEL热阻的方案，一般采用高热导率绝缘材料代替低热导率的SiO₂或SiN_x等介质膜作电流限制层，如CN 108923255A所示。通过刻蚀形成圆形台面之后，在台面上利用物理或化学方法制备高热导率的Al₂O₃绝缘材料作为电流限制层，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SiO₂或SiN_x绝缘层在VCSEL结构垂直方向上对器件热量传导的阻碍，从而降低器件热阻。然而，这种方法并未从根本的热源上解决问题：1)这种方法仍采用传统VCSEL结构，仍会面临前述p侧串联电阻大、热功率大的问题，并不能减少器件的焦耳热产生。2)这种方法并未改变热源(p侧氮化物及有源区)到热沉的距离，热量传输路径并未缩短。3)器件中的绝缘介质材料厚度通常仅百纳米左右，与热源距热沉近百微米厚度的材料相比，这种仅提高绝缘介质热导率的方法对改善器件整体热阻的效果非常有限。综上可见，这种方法对改善氮化物半导体VCSEL的热阻、结温和寿命收效甚微。

对于现有的改善氮化物半导体VCSEL热阻的方案，还有一种方法是在量子阱上依次生长n⁺⁺-GaN/p⁺⁺-GaN隧道结、电流注入层、以及n-GaN/n+-GaN同质DBR结构，并通过ICP刻蚀至电流注入层，然后通过控制电化学刻蚀条件来横向刻蚀电流注入层，直至达到需要的电流注入孔径，从而形成电流限制，因此无需沉积热阻较大的绝缘介质膜，如CN108233176A所示。这种结构VCSEL的上、下DBR均采用不同掺杂浓度交替的n型GaN(n-GaN/n+-GaN)周期结构，利用导电性更好的重掺n+-GaN与电解液发生氧化反应形成孔隙率高的纳米多孔GaN结构，从而与非掺杂或轻掺杂nGaN层产生折射率差，获得高反射率的DBR。然而，这种方法需要在量子阱上方生长n⁺⁺-GaN/p⁺⁺-GaN隧道结来实现p侧空穴注入，这种隧道结结构面临埋层p⁺⁺-GaN中受主Mg激活的难题(激活Mg受主需要Mg-H键断裂，H原子溢出材料；而n⁺⁺-GaN/p⁺⁺-GaN隧道结中，H原子在n⁺⁺-GaN中的扩散势垒很高，很难由p⁺⁺-GaN经n⁺⁺-GaN扩散至材料体外)，这使得实际p⁺⁺-GaN材料中的空穴浓度很低，从而隧道结的耗尽区较宽、载流子隧穿较难、结势垒效应显著，反而增加串联电阻，导致器件工作电压升高，焦耳热更大。另外，通过电化学方法横向刻蚀n型GaN形成电流注入孔径时，很难精确控制刻蚀孔径的尺寸和形状规则，最终会影响激光器阈值和光束质量。因此，这种方法虽然可以降低激光器的热阻和接触电阻，但制备工艺相当复杂、可控性较差；且引入隧道结Mg受主激活较难，会增加器件串联电阻从而导致工作电压升高。因此，这种方法在实际的器件制备及规模化生产中基本不适用。

此外，目前还有一些降低氮化物半导体VCSEL串联电阻的技术方案，例如CN1917312A中描述的横向电流注入法。先生长较厚的三组量子阱有源区，然后刻蚀有源区并在刻蚀区二次外延生长很厚的p型层，使p侧空穴横向注入量子阱，将电注入和光场限制分离，从而增大p侧电极接触面积、减少p侧电极的接触电阻。这种方法实际上暴露出很多问题：1)量子阱发光对缺陷非常敏感，而刻蚀会引入大量的刻蚀损伤，且刻蚀后的量子阱侧壁损伤很难修复，导致量子阱非辐射复合增强，器件量子效率显著下降，激光器阈值因此剧增。2)大量的刻蚀损伤会使器件漏电增加，器件寿命和可靠性下降。3)通过分离电注入和光场限制，使p侧接触电极面积不再受限于DBR光腔孔径，一定程度上减小了p侧电极的接触电阻。然而，p侧空穴的注入面积S由通常的10μm孔径显著减小至～100nm范围(取决于量子阱对数)，减小近1～2个数量级，反而导致p侧的串联电阻(R＝ρ·L/S)增加。4)这种与量子阱横向接触的p型层需要在下方的DBR介质膜上方通过侧向外延生长制备，介质膜中Si、O等杂质的扩散和沾污也会对p型材料的电学性质以及量子阱发光产生负面影响。因此，这种方法的实用性和效果都面临很大考验。

可以发现，现有的降低氮化物半导体VCSEL电阻和热阻的方法普遍存在以下显著缺点：1)很少从根本的VCSEL热源上着手，无法同时兼顾降低氮化物半导体VCSEL的热阻和电阻；2)可能对量子阱有源区造成不必要的损伤，降低有源区的量子效率，增大激光器阈值，并造成器件漏电，降低器件可靠性；3)生长/工艺复杂度提高，器件稳定性差，实用性较差。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种氮化物半导体垂直腔面发射激光器及其制作方法，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种氮化物半导体垂直腔面发射激光器，包括沿设定方向依次设置的n侧DBR结构、有源区和p侧DBR结构；其中，所述激光器的n侧形成有电流限制结构。

进一步的，所述的氮化物半导体垂直腔面发射激光器包括沿设定方向依次设置的n侧DBR结构、电子注入层、有源区、p型层和p侧DBR结构。

在一些实施方式中，所述电流限制结构包括对所述n侧DBR结构和/或电子注入层的选定区域进行加工而形成的高阻隔离区。

在一些实施方式中，所述电流限制结构是通过将所述n侧DBR结构和/或电子注入层的选定区域去除而形成。

在一些实施方式中，所述n侧DBR结构和电子注入层均主要由氮化物半导体形成。

在一些实施方式中，所述电子注入层均主要由氮化物半导体形成。

在一些实施方式中，所述n侧DBR结构和p侧DBR结构中的至少一者为介质DBR。

在一些实施方式中，所述p侧DBR结构为介质DBR。

在一些实施方式中，所述n侧DBR结构包含由高掺杂氮化物半导体层与轻掺杂氮化物半导体层周期性交替层叠形成的叠层结构。优选的，所述高掺杂氮化物半导体层、轻掺杂氮化物半导体层、电子注入层均具有多孔结构。

在一些实施方式中，所述氮化物半导体垂直腔面发射激光器的n侧面设置为出光面。

在一些实施方式中，所述p型层上整面沉积第二电流扩展层，并且所述p型层与第二电流扩展层形成欧姆接触。

在一些实施方式中，所述p侧DBR结构通过键合层与支撑片导热连接，所述支撑片上还结合有p侧电极，所述支撑片包括热沉。

本发明实施例还提供了一种制作所述氮化物半导体垂直腔面发射激光器的制备方法，包括：

于衬底上依次外延生长形成缓冲层、n侧DBR结构、电子注入层、有源区和p型层；

在p型层上整面沉积第二电流扩展层，并进行欧姆接触退火；

在第二电流扩展层上形成p侧DBR结构；

至少将所述第二电流扩展层及p侧DBR结构与支撑片键合；

除去所述衬底及缓冲层，至暴露出n侧DBR结构，再对n侧DBR结构进行加工，获得平整的

氮面；

对所述n侧DBR结构和电子注入层进行处理而形成电流限制结构，所述电流限制结构包括对所述n侧DBR结构和电子注入层的选定区域进行加工而形成的高阻隔离区，或者，所述电流限制结构是通过将所述n侧DBR结构与电子注入层的选定区域去除而形成；

在所述n侧DBR结构与电子注入层上形成第一电流扩展层。

本发明实施例还提供了一种制作所述氮化物半导体垂直腔面发射激光器的制备方法，包括：

于衬底上依次外延生长形成缓冲层、电子注入层、有源区和p型层；

在p型层上整面沉积第二电流扩展层，并进行欧姆接触退火；

在第二电流扩展层上形成p侧DBR结构；

至少将所述第二电流扩展层及p侧DBR结构与支撑片键合；

除去所述衬底及缓冲层，至暴露出电子注入层，再对电子注入层进行加工，获得平整的

氮面；

对所述电子注入层进行处理而形成电流限制结构，所述电流限制结构包括对所述电子注入层的选定区域进行加工而形成的高阻隔离区，或者，所述电流限制结构是通过将所述电子注入层的选定区域去除而形成；

在所述电子注入层上形成第一电流扩展层；

在所述第一电流扩展层上形成n侧DBR结构。

本发明实施例还提供了一种制作所述氮化物半导体垂直腔面发射激光器的制备方法，包括：

于衬底上依次外延生长形成缓冲层、n侧DBR结构、电子注入层、有源区和p型层，其中所述n侧DBR结构包含由高掺杂氮化物半导体层与轻掺杂氮化物半导体层周期性交替层叠形成的叠层结构；

在p型层上整面沉积第二电流扩展层，并进行欧姆接触退火；

在第二电流扩展层上形成p侧DBR结构；

至少将所述第二电流扩展层及p侧DBR结构与支撑片键合；

除去所述衬底及缓冲层，至暴露出n侧DBR结构，再对n侧DBR结构进行加工，获得平整的

氮面；

对所述n侧DBR结构和电子注入层进行处理而形成电流限制结构，所述电流限制结构包括对所述n侧DBR结构和电子注入层的选定区域进行加工而形成的高阻隔离区，或者，所述电流限制结构是通过将所述n侧DBR结构与电子注入层的选定区域去除而形成；

对所述n侧DBR结构和电子注入层进行腐蚀，从而在其中形成多孔氮化物结构；

在所述n侧DBR结构与电子注入层上形成第一电流扩展层。

显然的，前述的任一种氮化物半导体垂直腔面发射激光器的制备方法还包括制作p侧电极、n侧电极的步骤。

本发明实施例提供了所述的氮化物半导体垂直腔面发射激光器于制备光源、显示设备、通讯或传感设备等之中的用途。

与现有技术相比，本发明提供的氮化物半导体垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有器件电阻低、工作电压小，热阻低、散热效果好、结温低，工艺简单等优点，可大幅增强氮化物半导体VCSEL的性能和寿命，提高激光器工作稳定性。

附图说明

图1.1所示为实施例一、实施例二中氮化物半导体VCSEL的外延结构示意图。

图1.2所示为实施例一、实施例二中p侧完成透明电流扩展层和介质DBR沉积的结构示意图。

图1.3所示为实施例一、实施例二中完成外延片与热沉键合的氮化物半导体VCSEL结构示意图。

图1.4所示为实施例一、实施例二中去除衬底和缓冲层，并经过化学机械抛光处理之后的氮化物半导体VCSEL结构示意图。

图1.5a所示为实施例一中利用离子注入形成n侧电流注入孔径的新型VCSEL结构示意图。

图1.5b所示为实施例二中利用干法刻蚀实现n侧电流注入孔径的新型VCSEL结构示意图。

图1.6a所示为实施例一中n侧采用氮化物DBR、p侧采用介质DBR的VCSEL器件结构示意图，其中n侧电流限制通过离子注入实现。

图1.6b所示为实施例二中n侧采用氮化物DBR、p侧采用介质DBR的VCSEL器件结构示意图，其中n侧电流限制通过刻蚀工艺实现。

图2.1所示为实施例三、实施例四中氮化物半导体VCSEL的外延结构示意图。

图2.2所示为实施例三、实施例四中p侧完成透明电流扩展层和介质DBR沉积的结构示意图。

图2.3所示为实施例三、实施例四中完成外延片与热沉键合的氮化物半导体VCSEL结构示意图。

图2.4所示为实施例三、实施例四中去除衬底和缓冲层，并经过化学机械抛光处理之后的氮化物半导体VCSEL结构示意图。

图2.5a所示为实施例三中利用离子注入形成n侧电流注入孔径的新型VCSEL结构示意图。

图2.5b所示为实施例四中利用干法刻蚀实现n侧电流注入孔径的新型VCSEL结构示意图。

图2.6a所示为实施例三中n侧和p侧都采用介质DBR的VCSEL器件结构示意图，其中n侧电流限制通过离子注入实现。

图2.6b所示为实施例四中n侧和p侧都采用介质DBR的VCSEL器件结构示意图，其中n侧电流限制通过刻蚀工艺实现。

图3.1所示为实施例五中氮化物半导体VCSEL的外延结构示意图。

图3.2所示为实施例五中p侧完成透明电流扩展层和DBR沉积之后的结构示意图。

图3.3所示为实施例五中完成外延片与热沉键合的氮化物半导体VCSEL结构示意图。

图3.4所示为实施例五中去除衬底和缓冲层，并经过化学机械抛光处理之后的

氮面氮化物半导体VCSEL结构示意图。

图3.5a所示为实施例五中经过离子注入形成n侧电流限制的示意图。

图3.5b所示为实施例六中经过干法刻蚀形成n侧电流限制的示意图。

图3.6a所示为实施例五中由表面电化学腐蚀形成孔隙率高低交替的n型氮化物DBR示意图。

图3.6b所示为实施例六中电化学腐蚀形成孔隙率高低交替的n型氮化物DBR示意图。优选地，从侧面进行腐蚀。

图3.7a所示为实施例五中制备n侧接触电极之后的最终VCSEL器件结构示意图。

图3.7b所示为实施例六中制备介质钝化层和n侧接触电极之后的最终VCSEL器件结构示意图。

附图标记说明：101为衬底，102为缓冲层，103为n侧DBR，104为n型氮化物接触层，105为有源区，106为p型层，107、107’为透明电流扩展层，108为p侧DBR，109为焊料，110热沉，111为p侧金属接触电极，112为离子注入形成的高阻隔离区，113为n侧金属接触电极，114为介质钝化层，201为衬底，202为缓冲层，203为n型氮化物接触层，204为有源区，205为p型层，206、206’为透明电流扩展层，207为p侧介质DBR，208为焊料，209热沉，210为p侧金属接触电极，211为离子注入形成的高阻隔离区，212为n侧金属接触电极，213为介质钝化层，214为n侧介质DBR，301为衬底，302为缓冲层，303为重掺n型氮化物接触层，304为轻掺n型氮化物层，305为n型电子注入层，306为有源区，307为p型层，308、308’为透明电流扩展层，309为p侧DBR，310为焊料，311热沉，312为p侧金属接触电极，313为离子注入限制区，314为高孔隙率的多孔氮化物，315为低孔隙率的多孔氮化物，316为中孔隙率的多孔氮化物，317为n侧金属接触电极，318为介质钝化层。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，其提供的一种新型VCSEL结构能有效降低p侧接触电阻、串联电阻和器件热阻，从而大幅降低氮化物半导体VCSEL结温，显著提高器件的电光转换效率及可靠性。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

本发明实施例的一个方面提供的一种氮化物半导体垂直腔面发射激光器包括沿设定方向依次设置的n侧DBR结构、有源区和p侧DBR结构；其中，所述激光器的n侧形成有电流限制结构。

进一步的，所述的氮化物半导体垂直腔面发射激光器包括沿设定方向依次设置的n侧DBR结构、电子注入层、有源区、p型层和p侧DBR结构。

在本说明书中，所述的“设定方向”可以是沿三维空间中的任一直线行进的方向，例如从左到右、从上向下，从前到后等。

在一些实施方式中，所述电流限制结构包括对所述n侧DBR结构和/或电子注入层的选定区域进行加工而形成的高阻隔离区。

在本说明书中，所述的“选定区域”是指所述n侧DBR结构和/或电子注入层中适合形成电流限制结构的区域，其可以是环绕电流限制结构中的电流限制窗口设置。

在一些实施方式中，所述电流限制结构是通过将所述n侧DBR结构和/或电子注入层的选定区域去除而形成。

在一些实施方式中，所述n侧DBR结构和电子注入层均主要由氮化物半导体(例如III族氮化物半导体)形成。

进一步的，所述电流限制结构包括对所述n侧DBR结构和电子注入层的选定区域进行加工而形成的高阻隔离区，或者，所述电流限制结构是通过将所述n侧DBR结构和电子注入层的选定区域去除而形成。

在一些实施方式中，所述n侧DBR结构包含由折射率不同的氮化物半导体周期性交叠形成的叠层结构，叠层周期为2～100周期，优选为10～30周期。

在一些实施方式中，所述n侧DBR结构包含由高掺杂氮化物半导体层与轻掺杂氮化物半导体层周期性交替层叠形成的叠层结构，叠层周期为2～100周期，优选为10～30周期。

进一步的，所述高掺杂氮化物半导体层与轻掺杂氮化物半导体层均具有多孔结构，并且所述高掺杂氮化物半导体层的孔隙率高于所述轻掺杂氮化物半导体层的孔隙率。

进一步的，所述高掺杂氮化物半导体层的掺杂浓度为5×10¹⁸～5×10²⁰cm^-3之间。

进一步的，所述轻掺杂氮化物半导体层的掺杂浓度为1×10¹⁶～5×10¹⁸cm^-3之间，优选为1×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3。

进一步的，所述电子注入层的掺杂浓度大于或等于轻掺杂氮化物半导体层的掺杂浓度但小于高掺杂氮化物半导体层的掺杂浓度。例如，所述电子注入层的掺杂浓度为1×10¹⁷～5×10¹⁸cm^-3，优选为1×10¹⁸～5×10¹⁸cm^-3。

进一步的，所述电子注入层也具有多孔结构，并且所述电子注入层的孔隙率也小于高掺杂氮化物半导体层的孔隙率但大于或等于轻掺杂氮化物半导体层的孔隙率。

进一步的，适用于所述高掺杂氮化物半导体层、轻掺杂氮化物半导体层、电子注入层的掺杂剂可以为Si、Ge等，或多种掺杂原子共掺，且不限于此。

在一些实施方式中，所述氮化物半导体垂直腔面发射激光器还包括第一电流扩展层，所述第一电流扩展层覆盖在n侧DBR结构上，并且所述第一电流扩展层上还结合有n侧电极，所述n侧电极设置有出光窗口，所述出光窗口与所述电流限制结构中的电流限制窗口对应设置。所述的“对应设置”至少涵盖如下的情况，即：所述出光窗口与电流限制窗口完全对准，或者，所述出光窗口比电流限制窗口大(也可以理解为，后者在出光平面上的投影落在前者在出光平面的投影内)，以保证出光不被遮挡。

其中，所述第一电流扩展层可以将n侧DBR结构及电流限制区连续覆盖。

在一些实施方式中，所述第一电流扩展层与电子注入层之间设置有介质钝化层。

在一些实施方式中，所述电子注入层主要由氮化物半导体形成。

进一步的，所述电流限制结构包括对所述电子注入层的选定区域进行加工而形成的高阻隔离区。

进一步的，所述电流限制结构是通过将所述电子注入层的选定区域去除而形成。

进一步的，所述n侧DBR结构采用介质DBR。当然，所述n侧DBR结构也可以采用氮化物DBR。

在一些实施方式中，所述的氮化物半导体垂直腔面发射激光器还包括第一电流扩展层，所述第一电流扩展层覆盖在电子注入层上，所述第一电流扩展层上设置有n侧DBR结构，并且所述第一电流扩展层上还结合有n侧电极，所述n侧电极设置有出光窗口，所述出光窗口与所述电流限制结构中的电流限制窗口对应设置。

其中，所述n侧电极可以是环绕所述n侧DBR结构设置。

在一些实施方式中，所述第一电流扩展层与有源区之间还设置有介质钝化层。

在一些实施方式中，所述p型层与p侧DBR结构之间还设置有第二电流扩展层。

在一些实施方式中，所述p型层上整面沉积第二电流扩展层，并且所述p型层与第二电流扩展层形成欧姆接触。

在一些实施方式中，所述p侧DBR结构为介质DBR结构，或者，所述p侧DBR结构主要由氮化物半导体(例如III族氮化物半导体)形成。

在一些实施方式中，所述p侧DBR结构通过键合层与支撑片导热连接，所述支撑片上还结合有p侧电极，所述支撑片包括热沉。

进一步的，所述支撑片可以是热沉支撑片，其可以包括硅衬底、铜支撑片、钼铜支撑片、钼支撑片、陶瓷基板中的任意一种，且不限于此。

进一步的，所述第二电流扩展层(即p侧电流扩展层)通过键合层与所述支撑片连接。所述键合层主要为金属键合层，例如可以是AuSn、NiSn、AuAu、NiGe、InSn中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。

在一些实施方式中，用以加工形成所述高阻隔离区的方式包括离子注入、刻蚀、选区扩散、选区氧化、生长异质结或侧向外延中的任意一种方式或多种方式的组合，且不限于此。

进一步的，所述离子注入方式采用的离子包括H、F、Ar、He、Zn、Mg、Be中的任意一种或多种的组合，且不限于此。

在本发明的以上实施例中，所述氮化物半导体包括GaN、AlN、BN、InN中的任意一种或两种以上按任意比例组合形成的三元或四元合金，且不限于此。

在本说明书中，前述的DBR结构(distributed Bragg reflection)又称分布式布拉格反射镜，是由两种不同折射率的材料(例如不同折射率的氮化物半导体材料、介质材料等)以ABAB的方式交替排列组成的周期结构，一般来说，其中每层材料的光学厚度为中心反射波长的1/4。对于频率落在能隙范围内的电磁波而言，前述的DBR结构的反射率可达99％以上。前述的DBR结构的能隙位置可以透过改变材料的折射率或厚度来调整。

在本说明书中，依据实际制程的需求，前述p侧DBR结构、n侧DBR结构可以选用氮化物DBR或介质膜DBR或其组合。

进一步的，所述氮化物DBR可以选自但不限于BN/GaN、AlN/GaN、AlGaN/GaN、AlInN/GaN、Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN(其中x≠y)或Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N/Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N(其中x1、y1、x2和y2均大于或等于0而小于或等于1，且0≤(x1+y1)≤1，0≤(x2+y2)≤1)；优选地，为AlN/GaN。

进一步的，所述介质膜DBR可以为TiO₂/SiO₂、ZrO₂/SiO₂、Ta₂O₅/SiO₂、Nb₂O₅/SiO₂、Si₃N₄/SiO₂或HfO₂/SiO₂；优选地，为TiO₂/SiO₂ DBR。

进一步的，所述p侧DBR结构与n侧DBR结构构成一对反射镜，形成谐振腔结构。

进一步的，所述n侧电极、p侧电极可以由本领域已知的方式(例如磁控溅射、MOCVD、PVD、ALD等)形成，其材质包括Ni、Ti、Pd、Pt、Au、Al、TiN、ITO和IGZO等中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。

进一步的，所述介质钝化层(亦称介质绝缘膜)的材质包括SiO₂、SiN_x(0<x<1)、SiON、Al₂O₃、AlON、SiAlON、TiO₂、Ta₂O₅、ZrO₂和多晶硅中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。

进一步的，所述第一电流扩展层、第二电流扩展层可以为ITO、AZO、CdO、碳纳米管、石墨烯等无机或有机透明导电层。

优选地，所述第二电流扩展层为ITO透明导电层，其可以用于与p型氮化物形成欧姆接实现电流均匀注入。

进一步的，所述p型层可以包括电子阻挡层和接触层等，其材质可以是本领域已知的，例如也可以是前述的氮化物半导体。

本发明的以上实施例通过在导电性好的n侧实施电流限制，在p侧大面积制备欧姆接触电极来大幅降低p侧接触电阻和串联电阻，可同时降低氮化物半导体VCSEL的电阻和热阻，从而显著提高其性能与可靠性。

进一步的讲，传统氮化物半导体VCSEL的外延生长顺序由下至上依次是n侧、有源区、p侧，考虑到采用p侧电流限制具有可直接做图形，不需要bonding和衬底剥离，工艺相对简单，产出较高等一系列优点，故而本领域长期以来均是采用将电流限制在p侧的设计，但这种设计使得p侧电极接触面积小、串联电阻和接触电阻大；加之p侧电流限制需要制备导热性较差的介质绝缘层，使得器件热阻增大、散热难度增加。本发明以上实施例提供的新型VCSEL突破传统设计，采用在导电性好的n侧做电流限制，以及，在发热较大的p侧大面积制备欧姆接触电极，不但降低了p侧串联电阻与接触电阻，而且p侧热源距离热沉更近，散热路径短、热阻更小，从而结温更低。

具体来说，本发明以上实施例提供的新型氮化物半导体VCSEL结构至少具有以下优点：

(1)显著降低激光器热阻和结温，提高器件性能和可靠性。本发明的氮化物半导体VCSEL的电流限制在导电性好的n侧，p侧大面积制备欧姆接触电极并于热沉键合。这种方式使得发热量较大的p侧距离热沉更近、散热路径更短；此外，由于p侧无需进行电流限制，因此不需要在p型氮化物与电极之间制备导热性差的介质绝缘层，进一步降低了器件热阻、增强了器件散热能力，从而有利于降低激光器结温，提高氮化物半导体VCSEL的性能与可靠性。

(2)显著降低氮化物半导体VCSEL的串联电阻和工作电压、焦耳热、及器件结温，提高电光转换效率。由于p型氮化物的Mg激活效率较低，导致空穴浓度(～10¹⁷cm^-3)比通常的n型氮化物中电子浓度(10¹⁸～10¹⁹cm^-3)低1～2个数量级，加上空穴有效质量大、空穴迁移率μ(<10cm²/V·s)比电子(300～600cm²/V·s)低1～2个数量级，造成p型氮化物的电阻率(ρ＝1/n·μ·q)通常比n型高2～4个数量级，因此氮化物半导体VCSEL的电阻主要在p侧。根据材料的电阻计算公式R＝ρ·L/S，增大p侧空穴注入面积S可以有效降低串联电阻。本发明的氮化物半导体VCSEL之中，通过在p侧氮化物大面积制备欧姆接触电极的方法，可以大幅增加接触面积和空穴注入面积S(由直径10μm面积增加至约200μm×200μm)，可大幅降低接触电阻和串联电阻，从而显著降低激光器的工作电压、热功率和结温，提高电光转换效率。

(3)本发明的氮化物半导体VCSEL通过在p侧大面积制备欧姆接触电极并于热沉键合的方式，将电流限制在导电性好的n侧，使新型结构VCSEL的电阻、热阻、结温大幅下降。这种新型器件结构可与现有工艺的优点相结合，进一步提升氮化物半导体VCSEL的性能。例如，可以协同CN 108923255A的方案，采用高热导率的Al₂O₃绝缘材料代替低热导率的SiO₂或SiN_x等介质膜作电流限制层，在保证绝缘性的前提下降低介质层带来的热阻。

本发明实施例的另一个方面还提供了一种制备所述氮化物半导体垂直腔面发射激光器的方法，其可以包括：

于衬底上依次外延生长形成缓冲层、n侧DBR结构、电子注入层、有源区和p型层；

在p型层上整面沉积第二电流扩展层，并进行欧姆接触退火；

在第二电流扩展层上形成p侧DBR结构；

至少将所述第二电流扩展层及p侧DBR结构与支撑片键合；

除去所述衬底及缓冲层，至暴露出n侧DBR结构，再对n侧DBR结构进行加工，获得平整的

氮面；

对所述n侧DBR结构和电子注入层进行处理而形成电流限制结构，所述电流限制结构包括对所述n侧DBR结构和电子注入层的选定区域进行加工而形成的高阻隔离区，或者，所述电流限制结构是通过将所述n侧DBR结构与电子注入层的选定区域去除而形成；

在所述n侧DBR结构与电子注入层上形成第一电流扩展层。

显然的，所述制备方法还可包括本领域已知的其它工艺步骤，例如制作n侧电极、p侧电极等的步骤。

例如，在一个较为具体的实施方式中，一种所述氮化物半导体垂直腔面发射激光器的制备方法可以包括：

(1)制备氮化物半导体VCSEL外延片，具体结构包括衬底、缓冲层、n侧氮化物DBR、n型氮化物电子注入层、有源区和p型层(包括电子阻挡层和接触层)，如图1.1所示。

(2)清洗外延片，在p型层上整面沉积透明电流扩展层(即p型电极)，并进行欧姆接触退火，以形成较好的欧姆接触；之后通过光刻开窗，在窗口区透明电流扩展层上方周期性交替沉积折射率不同的氮化物材料，形成高反射率的p侧DBR，如图1.2所示。

(3)在器件和支撑片表面沉积键合材料，并将外延片倒装键合在支撑片上，并在支撑片上制备p侧接触电极(即p侧电极)。器件的键合面朝下，与支撑片上的材料键合在一起。如图1.3所示。

(4)采用减薄、研磨、激光剥离、干法刻蚀或湿法腐蚀等方法去除衬底和缓冲层，并利用化学机械抛光得到平整的

氮面，如图1.4所示。

(5)在

氮面氮化物表面光刻掩模或沉积介质掩膜，随后采用离子注入[如图1.5(a)]或刻蚀[如图1.5(b)]等方法制作出n侧电流限制区。

(6)通过物理或化学方法沉积透明电流扩展层，然后利用光刻、金属沉积和剥离工艺形成工作窗口和n侧接触电极(即n侧电极)，如图1.6(a)或1.6(b)所示。

(7)划片、裂片，形成最终的器件管芯。

本发明实施例的另一个方面还提供了一种制备所述氮化物半导体垂直腔面发射激光器的方法，其可以包括：

于衬底上依次外延生长形成缓冲层、电子注入层、有源区和p型层；

在p型层上整面沉积第二电流扩展层，并进行欧姆接触退火；

在第二电流扩展层上形成p侧DBR结构；

至少将所述第二电流扩展层及p侧DBR结构与支撑片键合；

除去所述衬底及缓冲层，至暴露出电子注入层，再对电子注入层进行加工，获得平整的

氮面；

对所述电子注入层进行处理而形成电流限制结构，所述电流限制结构包括对所述电子注入层的选定区域进行加工而形成的高阻隔离区，或者，所述电流限制结构是通过将所述电子注入层的选定区域去除而形成；

在所述电子注入层上形成第一电流扩展层；

在所述第一电流扩展层上形成n侧DBR结构。

例如，在一个较为具体的实施方式中，一种所述氮化物半导体垂直腔面发射激光器的制备方法可以包括：

(1)制备氮化物半导体VCSEL外延片，具体结构包括衬底、缓冲层、n型氮化物电子注入层、有源区和p型层(包括电子阻挡层和接触层)，如图2.1所示。

(2)清洗外延片，在p型层上整面沉积透明电流扩展层(即p型电极)，并进行欧姆接触退火，以形成较好的欧姆接触；之后通过光刻开窗，在窗口区透明电流扩展层上方周期性交替沉积折射率不同的氮化物材料，形成高反射率的p侧DBR，如图2.2所示。

(3)在器件和支撑片表面沉积键合材料，并将外延片倒装键合在支撑片上，并在支撑片上制备p侧接触电极。器件的键合面朝下，与支撑片上的材料键合在一起。如图2.3所示。

(4)采用减薄、研磨、激光剥离、干法刻蚀或湿法腐蚀等方法去除衬底和缓冲层，并利用化学机械抛光得到平整的

氮面，如图2.4所示。

(5)在

氮面氮化物表面光刻掩模或沉积介质掩膜，随后采用离子注入[如图2.5(a)]或刻蚀[如图2.5(b)]等方法制作出n侧电流限制区。

(6)通过物理或化学方法沉积透明电流扩展层，然后利用光刻、金属沉积和剥离工艺形成工作窗口并沉积n侧DBR结构，最后沉积n侧接触电极，如图2.6(a)和2.6(b)所示。

(7)划片、裂片，形成最终的器件管芯。

显然的，所述制备方法还可包括本领域已知的其它工艺步骤，例如制作n侧电极、p侧电极等的步骤。

本发明实施例的另一个方面还提供了一种制备所述氮化物半导体垂直腔面发射激光器的方法，其可以包括：

于衬底上依次外延生长形成缓冲层、n侧DBR结构、电子注入层、有源区和p型层，其中所述n侧DBR结构包含由高掺杂氮化物半导体层与轻掺杂氮化物半导体层周期性交替层叠形成的叠层结构；

在p型层上整面沉积第二电流扩展层，并进行欧姆接触退火；

在第二电流扩展层上形成p侧DBR结构；

至少将所述第二电流扩展层及p侧DBR结构与支撑片键合；

除去所述衬底及缓冲层，至暴露出n侧DBR结构，再对n侧DBR结构进行加工，获得平整的

氮面；

对所述n侧DBR结构和电子注入层进行处理而形成电流限制结构，所述电流限制结构包括对所述n侧DBR结构和电子注入层的选定区域进行加工而形成的高阻隔离区，或者，所述电流限制结构是通过将所述n侧DBR结构与电子注入层的选定区域去除而形成；

对所述n侧DBR结构和电子注入层进行腐蚀，从而在其中形成多孔氮化物结构；

在所述n侧DBR结构与电子注入层上形成第一电流扩展层。

例如，在一个较为具体的实施方式中，一种所述氮化物半导体垂直腔面发射激光器的制备方法可以包括：

(1)制备氮化物半导体VCSEL外延片，具体结构包括衬底、缓冲层、掺杂高低周期性交替的n侧DBR、n型电子注入层、有源区和p型层(包括电子阻挡层和接触层)，如图3.1所示。其中n侧DBR中高掺杂GaN的掺杂浓度在5×10¹⁸至5×10²⁰cm^-3之间，轻掺杂GaN的掺杂浓度在1×10¹⁶至5×10¹⁸cm^-3之间，优选地，1×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3之间；n型电子注入层的掺杂浓度在1×10¹⁷至5×10¹⁸cm^-3之间，优选地，1×10¹⁸～5×10¹⁸cm^-3之间。掺杂剂可以为Si、Ge等，或多种掺杂原子共掺。某些情况下，n侧DBR中轻掺杂GaN的掺杂浓度可以与n型电子注入层一致。

(2)清洗外延片，在p型层上整面沉积透明电流扩展层(即p侧电极)，并进行欧姆接触退火，以形成较好的欧姆接触；之后通过光刻开窗，在窗口区透明电流扩展层上方周期性交替沉积折射率不同的介质材料，形成高反射率的p侧DBR，如图3.2所示。

(3)在器件和支撑片表面沉积键合材料，并将外延片倒装键合在支撑片上，并在支撑片上制备p侧接触电极。器件的键合面朝下，与支撑片上的材料键合在一起。如图3.3所示。

(4)采用减薄、研磨、激光剥离、干法刻蚀或湿法腐蚀等方法去除衬底和缓冲层，并利用化学机械抛光得到平整的

氮面氮化物表面，暴露出掺杂浓度高低交替的n侧DBR结构，如图3.4所示。

(5)在

氮面氮化物表面光刻掩模或沉积介质掩膜，随后通过离子注入(图3.5a)或干法刻蚀(图3.5b)形成n侧电流限制。

(6)通过物理或化学方法沉积介质钝化层，然后通过电化学腐蚀等方法腐蚀掺杂浓度高低交替的n侧DBR，形成多孔氮化物结构。其中重掺的n型氮化物经电化学腐蚀后，产生的腐蚀孔密度大、孔隙率高；轻掺的n型氮化物经电化学腐蚀后，产生的腐蚀孔密度较小、孔隙率低。孔隙率交替变化的n型氮化物腐蚀层形成最终的器件DBR。n型电子注入层的掺杂浓度通常介于重掺/轻掺氮化物之间，因此孔隙率居中。对于通过离子注入形成n侧电流限制的方案(图3.5a)，可从氮面n型氮化物表面进行电化学腐蚀，如图3.6a所示；对于通过干法刻蚀形成n侧电流限制的方案(图3.5a)，可从氮面n型氮化物表面和侧面进行电化学腐蚀，优选地，从侧面进行电化学腐蚀，如图3.6b所示，实现孔隙率(0～100％范围)高低交替的多孔氮化物DBR。通过控制电压、电流、腐蚀时间等条件控制多孔氮化物层的孔隙率，实现针对VCSEL中心波长的超高反射率。

(7)制备n侧金属接触电极。对于通过离子注入形成n侧电流限制的方案，可先整面沉积透明电流扩展层，然后开窗形成工作窗口，最后制备n侧接触电极，如图3.7a所示；对于通过干法刻蚀形成n侧电流限制的方案，需要利用物理或化学方法沉积侧壁介质钝化层，随后光刻开窗并沉积透明电流扩展层。最后利用光刻、金属沉积和剥离工艺形成工作窗口和n侧接触电极，如图3.7b所示。

(8)划片、裂片，形成最终的器件管芯。

在本发明的以上实施例中，所述衬底材料可以是GaN、AlN、BN、蓝宝石、Si、SiC、ZnO中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。进一步的，所述衬底的极性可以为非极性、半极性、极性。

本发明以上实施例提供的新型氮化物半导体VCSEL的制备工艺简单，高效，与现有的VCSEL制备工艺兼容，完全适合规模化生产。具体来说，本发明新型氮化物半导体VCSEL制备工艺中用到的光刻、刻蚀、镀膜、退火等工艺可以与传统的氮化物半导体VCSEL制备工艺完全相同，所需的衬底剥离工艺如激光剥离、湿法腐蚀、化学机械抛光等也可以与产业化制备大功率垂直结构LED器件中所应用的工艺流程相同。

本发明实施例的另一个方面还提供了一种光源，其包括所述的氮化物半导体垂直腔面发射激光器。

本发明实施例的另一个方面还提供了一种显示设备，其包括所述的氮化物半导体垂直腔面发射激光器或所述的光源。显然，所述的显示设备还可以包括其它配套组件，例如屏幕、电源组件、驱动组件等，这均可以从本领域已知的合适配件中选取，并利用本领域已知的方式组装。

下面结合若干优选实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。以下实施例中采用的实施条件可以根据实际需要而做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

下面将结合实施例对本发明专利进行详细说明。

实施例一：本实施例提供的一种新型蓝光VCSEL的结构可以如图1.6a所示，它是通过离子注入实现n侧电流注入孔径，其中n侧采用外延生长的氮化物DBR。

该蓝光VCSEL的制备工艺可以包括如下步骤：

S1：利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VCSEL结构，具体为先生长2μm厚的未掺杂GaN缓冲层，随后生长30对n型AlGaN/GaN DBR反射镜；然后生长约6.5λ(λ＝450nm)腔长的外延层，包括860nm厚的n型GaN电子注入层和10对InGaN/GaN多量子阱，其中每一个量子阱厚度为2.5nm，每一个量子垒厚度为12.5nm；随后生长20nm厚的p型AlGaN电子阻挡层，以及200nm厚的p型GaN接触层，如图1.1所示。

S2：利用磁控溅射设备在p侧整面溅射沉积30nm厚的ITO透明导电膜，并进行欧姆接触退火；然后通过光刻开窗，形成直径10μm的圆形窗口，利用光学镀膜机在窗口区沉积10对TiO₂/SiO₂介质DBR，如图1.2所示。

S3：通过电子束蒸发在芯片正面和铜热沉表面沉积金属Ni/Sn键合材料，然后利用键合机将外延片倒装键合在铜热沉上，并在铜热沉上制备Au接触电极，如图1.3所示。

S4：通过激光剥离去除蓝宝石衬底，并利用ICP刻蚀去除GaN缓冲层，然后利用化学机械抛光实现光滑平整的

氮面GaN表面，如图1.4所示。

S5：在

氮面GaN表面旋涂光刻胶并光刻掩模，随后采用Ar离子注入制作出n侧电流限制区，如图1.5a所示。

S6：利用磁控溅射在

氮面GaN表面沉积20nm厚的ITO透明导电膜，通过自对准光刻形成10μm宽的工作窗口。最后利用磁控溅射沉积厚度约20nm的Ni/厚度约150nm的Au接触电极，完成器件制备，最终的器件结构如图1.6a所示。

S7：划片、裂片，得到单一器件管芯。

对该VCSEL管芯进行室温I-V测试，结果表明该VCSEL的激射波长450nm，阈值电流6mA，Q值5000，阈值电压仅3.0V，比传统结构VCSEL的阈值电压降低1V左右，寿命大幅提升。

实施例二：本实施例提供的一种新型绿光VCSEL的结构可以如图1.6b所示，它是通过刻蚀工艺实现n侧电流注入孔径，其中n侧采用外延生长的氮化物DBR。

该绿光VCSEL的制备工艺可以包括如下步骤：

S1：利用MOCVD设备在GaN自支撑衬底上生长GaN基VCSEL结构，具体为先生长30nm厚的未掺杂GaN缓冲层，随后生长25对n型AlN/GaN DBR反射镜；然后生长约5.5λ(λ＝510nm)腔长的外延层，包括700nm厚的n型GaN电子注入层和7对InGaN/GaN多量子阱，其中每一个量子阱厚度为4nm，每一个量子垒厚度为8nm；最后生长20nm厚的p型AlGaN电子阻挡层，以及150nm厚的p型GaN接触层，如图1.1所示。

S2：利用等离子增强化学气相沉积在p侧整面制备25nm厚的ITO透明导电膜，并进行欧姆接触退火；然后通过光刻掩模，形成直径5μm的圆形窗口，并利用光学镀膜设备在窗口区沉积17.5对ZrO₂/SiO₂介质DBR，如图1.2所示。

S3：通过磁控溅射在芯片和硅支撑片表面Au/Sn键合材料。然后利用键合机将芯片正面向下与硅支撑片键合，并在硅片背面制备p侧金接触电极，如图1.3所示。

S4：通过机械减薄和ICP刻蚀去除厚层GaN自支撑衬底和缓冲层，并利用化学机械抛光得到光滑平整的

氮面GaN表面，如图1.4所示。

S5：在

氮面GaN表面沉积金属Ni做掩模，随后采用反应离子刻蚀减薄n型GaN，直至减薄至接近量子阱有源区。用稀盐酸溶液超声清洗去掉金属Ni，得到直径5μm的圆形窗口，实现n侧电流限制，如图1.5(b)所示。

S6：利用感应耦合等离子体化学气相沉积法，在

氮面GaN表面沉积200nm厚的SiN_x绝缘介质做n侧电流限制层；随后采用磁控溅射沉积30nm厚的ITO透明导电膜。

S7：利用电子束蒸发在所得的ITO透明导电膜上制备厚度约30nm的Cr/厚度约100nm的Au接触电极，完成器件制备，如图1.6b所示。

S8：划片、裂片，得到单个管芯器件。

对制备的该VCSEL进行室温I-V测试，结果表明该VCSEL的阈值电流8mA，激射波长510nm，Q值4500，阈值电压仅3.6V，正向电压法测试表明器件热阻350k/W，比传统结构GaN绿光VCSEL的热阻降低60％，寿命大幅提升。

实施例三：本实施例提供的一种新型紫光VCSEL的结构可以如图2.6a所示，它是通过离子注入实现n侧电流注入孔径，其中n侧和p侧都采用介质DBR。

该紫光VCSEL的制备工艺可以包括如下步骤：

S1：利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VCSEL结构，具体为先生长1μm厚的未掺杂GaN缓冲层；随后生长约7λ(λ＝420nm)腔长的外延层，包括1μm厚的n型GaN电子注入层和5对InGaN/GaN多量子阱，其中每一个量子阱厚度为2.5nm，每一个量子垒厚度为7.5nm；随后生长20nm厚的p型AlGaN电子阻挡层，以及100nm厚的p型GaN接触层，如图2.1所示。

S2：利用磁控溅射设备在p侧整面溅射沉积20nm厚的ITO透明导电膜，并进行欧姆接触退火；然后通过光刻开窗，形成直径15μm的圆形窗口，利用光学镀膜机在窗口区沉积17.5对ZrO₂/SiO₂介质DBR，如图2.2所示。

S3：通过电子束蒸发在芯片正面和铜热沉表面沉积金属Ni/Sn键合材料，然后利用键合机将外延片倒装键合在铜热沉上，并在铜热沉上制备Au接触电极，如图2.3所示。

S4：通过激光剥离去除蓝宝石衬底，并利用ICP刻蚀去除GaN缓冲层，然后利用化学机械抛光实现光滑平整的

氮面GaN表面，如图2.4所示。

S5：在

氮面GaN表面旋涂光刻胶并光刻掩模，随后采用Ar离子注入产生高阻区，用来限制n侧电流，如图2.5a所示。

S6：利用磁控溅射在

氮面GaN表面沉积20nm厚的ITO透明导电膜，通过自对准光刻形成15μm宽的工作窗口，然后利用光学镀膜机在窗口区沉积14对ZrO₂/SiO₂介质DBR。最后利用磁控溅射沉积厚度约20nm的Ni/厚度约150nm的Au接触电极，完成器件制备，最终的器件结构如图2.6a所示。

S7：划片、裂片，得到单一器件管芯。

对该VCSEL管芯进行室温I-V测试，结果表明该VCSEL的激射波长420nm，阈值电流2mA，Q值5000，阈值电压3.5V，比传统结构VCSEL的阈值电压降低1.0V左右，寿命大幅提升。

实施例四：本实施例提供的一种新型绿光VCSEL的结构可以如图2.6a所示，它是通过刻蚀工艺实现n侧电流注入孔径，其中n侧和p侧都采用介质DBR。

该绿光VCSEL的制备工艺可以包括如下步骤：

S1：利用MOCVD设备在GaN自支撑衬底上生长GaN基VCSEL结构，具体为先生长50nm厚的未掺杂GaN缓冲层；然后生长约5λ(λ＝510nm)腔长的外延层，包括750nm厚的n型GaN电子注入层和5对InGaN/GaN多量子阱，其中每一个量子阱厚度为4nm，每一个量子垒厚度为8nm；最后生长20nm厚的p型AlGaN电子阻挡层，以及150nm厚的p型GaN接触层，如图2.1所示。

S2：利用等离子增强化学气相沉积在p侧整面制备25nm厚的ITO透明导电膜，并进行欧姆接触退火；然后通过光刻掩模，形成直径10μm的圆形窗口，并利用光学镀膜设备在窗口区沉积12.5对Ta₂O₅/SiO₂介质DBR，如图2.2所示。

S3：通过磁控溅射在芯片和硅支撑片表面Au/Sn键合材料。然后利用键合机将芯片正面向下与硅支撑片键合，并在硅片背面制备p侧金接触电极，如图2.3所示。

S4：通过机械减薄和ICP刻蚀去除厚层GaN自支撑衬底和缓冲层，并利用化学机械抛光得到光滑平整的

氮面GaN表面，如图2.4所示。

S5：在

氮面GaN表面沉积金属Ni做掩模，随后采用反应离子刻蚀减薄n型GaN，直至减薄至接近量子阱有源区。用稀盐酸溶液超声清洗去掉金属Ni，得到直径10μm的圆形窗口，实现n侧电流限制，如图2.5b所示。

S6：利用感应耦合等离子体化学气相沉积法，在

氮面GaN表面沉积200nm厚的SiN_x绝缘介质做n侧电流限制层；随后采用磁控溅射沉积50nm厚的ITO透明导电膜。

S7：利用光刻对准形成10μm的圆形窗口区，然后沉积10对Ta₂O₅/SiO₂介质DBR。最后利用电子束蒸发在所得的ITO透明导电膜上制备厚度约20nm的Cr/厚度约100nm的Au接触电极，完成器件制备，如图2.6b所示。

S8：划片、裂片，得到单个管芯器件。对制备的新型GaN VCSEL进行室温I-V测试，结果表明所制备的新型VCSEL的阈值电流1.5mA，激射波长500nm，Q值6000，阈值电压仅3.3V，正向电压法测试表明器件热阻300k/W，比传统结构GaN绿光VCSEL的热阻降低70％，寿命大幅提升。

实施例五：本实施例提供的一种新型蓝光VCSEL的结构可以如图3.7a所示，它是利用电化学腐蚀形成DBR反射镜，并结合离子注入实现n侧电流限制。

该蓝光VCSEL的制备工艺可以包括如下步骤：

S1：利用MOCVD设备在硅衬底上生长GaN基VCSEL结构，具体为先生长900nm厚的AlN/AlGaN缓冲层，随后生长20对55nm/40nm的Si掺杂浓度高/低交替的n⁺-GaN/n^--GaN DBR，其中Si掺杂浓度分别为5×10¹⁹cm^-3和1×10¹⁸cm^-3；然后生长约7λ(λ＝480nm)腔长的外延层，包括800nm厚的n型GaN电子注入层(Si掺杂浓度5×10¹⁸cm^-3)和5对InGaN/GaN多量子阱，其中每一个量子阱厚度为2.5nm，每一个量子垒厚度为12.5nm；最后生长20nm厚的p型AlGaN电子阻挡层，以及120nm厚的p型GaN接触层，如图3.1所示。

S2：利用等离子增强化学气相沉积在p侧整面制备25nm厚的ITO透明导电膜，并进行欧姆接触退火；然后通过光刻掩模，形成直径8μm的圆形窗口，并利用光学镀膜设备在窗口区沉积17.5对TiO₂/SiO₂介质DBR，如图3.2所示。

S3：通过磁控溅射在芯片和硅支撑片表面Au/Sn键合材料。然后利用键合机将芯片正面向下与硅支撑片键合，并在硅片背面制备p侧金接触电极，如图3.3所示。

S4：通过机械减薄和ICP刻蚀去除硅衬底和缓冲层，并利用化学机械抛光得到光滑平整的

氮面n型GaN表面，暴露出掺杂浓度高低交替的n侧DBR结构，如图3.4所示。

S5：在

氮面GaN表面旋涂光刻胶并光刻掩模，随后采用Ar离子注入制作出n侧电流限制区，如图3.5a所示。

S6：将氮面氮化物表面与0.3mol/L的草酸溶液接触，室温下进行电化学腐蚀，腐蚀电压8V，纵向平均腐蚀速率70nm/min，腐蚀27分钟，形成孔隙率高低交替的多孔氮化物DBR，如图3.6a所示。其中，重掺的n型氮化物平均孔隙率超过60％，轻掺的n型氮化物平均孔隙率不足5％，n型电子注入层经腐蚀后孔隙率不足10％，多孔氮化物DBR针对480nm中心波长的反射率为98.3％。

S7：利用磁控溅射沉积30nm厚的ITO透明导电膜。随后光刻、开窗，利用电子束蒸发在所得的ITO透明导电膜上制备厚度约50nm的Cr/厚度约150nm的Au接触电极。最后去除光刻胶，暴露出工作窗口，完成器件制备，如图3.7a所示。

S8：划片、裂片，得到单个管芯器件。

对该VCSEL进行室温I-V测试，结果表明该VCSEL的阈值电流2.6mA，激射波长480nm，Q值高达7500，阈值电压仅3.3V，寿命大幅提升。

实施例六：本实施例提供的一种新型蓝光VCSEL的结构可以如图3.7a所示，它是利用电化学腐蚀形成DBR反射镜，并结合离子注入实现n侧电流限制。

该蓝光VCSEL的制备工艺可以包括如下步骤：

S1：利用MOCVD设备在GaN自支撑衬底上生长GaN基VCSEL结构，具体为先生长50nm厚的未掺杂GaN缓冲层，随后生长16对60nm/40nm的Si掺杂浓度高/低交替的n⁺-GaN/n^--GaNDBR，其中Si掺杂浓度分别为8×10¹⁹cm^-3和6×10¹⁷cm^-3；然后生长约6.5λ(λ＝480nm)腔长的外延层，包括900nm厚的n型GaN电子注入层(Si掺杂浓度2×10¹⁸cm^-3)和7对InGaN/GaN多量子阱，其中每一个量子阱厚度为3nm，每一个量子垒厚度为8.5nm；最后生长20nm厚的p型AlGaN电子阻挡层，以及150nm厚的p型GaN接触层，如图3.1所示。

S2：利用等离子增强化学气相沉积在p侧整面制备30nm厚的ITO透明导电膜，并进行欧姆接触退火；然后通过光刻掩模，形成直径5μm的圆形窗口，并利用光学镀膜设备在窗口区沉积25对ZrO₂/SiO₂介质DBR，如图3.2所示。

S3：通过磁控溅射在芯片和硅支撑片表面Au/Sn键合材料。然后利用键合机将芯片正面向下与硅支撑片键合，并在硅片背面制备p侧金接触电极，如图3.3所示。

S4：通过机械减薄和ICP刻蚀去除厚层GaN自支撑衬底和缓冲层，并利用化学机械抛光得到光滑平整的

氮面GaN表面，暴露出掺杂浓度高低交替的n侧DBR结构，如图3.4所示。

S5：在

氮面GaN表面沉积金属Ni做掩模，随后采用反应离子刻蚀减薄n型GaN，直至减薄至接近量子阱有源区，如图3.5b所示。

S6：用稀盐酸溶液超声清洗去掉金属Ni，得到直径10μm的圆形窗口，实现n侧电流限制。然后利用磁控溅射沉积SiO₂绝缘介质保护量子阱，随后利用0.4mol/L硝酸钾溶液由侧壁电化学腐蚀掺杂浓度高低交替的n侧DBR结构，腐蚀电压10V，横向平均腐蚀速率2μm/min，腐蚀5分钟，形成孔隙率高低交替的多孔氮化物DBR，如图3.6b所示。其中，重掺的n型氮化物平均孔隙率超过70％，轻掺的n型氮化物平均孔隙率不足3％，n型电子注入层经电化学腐蚀后孔隙率不足10％，多孔氮化物DBR针对450nm中心波长的反射率高达97.5％。

S7：利用感应耦合等离子体化学气相沉积法，在n侧DBR表面和侧壁沉积200nm厚的SiN_x绝缘介质，随后采用磁控溅射沉积30nm厚的ITO透明导电膜。最后利用电子束蒸发在所得的ITO透明导电膜上制备厚度约50nm的Cr/厚度约150nm的Au接触电极，完成器件制备，如图3.7b所示。

S8：划片、裂片，得到单个管芯器件。

对该VCSEL进行室温I-V测试，结果表明该VCSEL的阈值电流0.7mA，激射波长450nm，Q值高达9000，阈值电压仅2.9V，寿命大幅提升。

应当理解，以上所述的仅是本发明的一些实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的创造构思的前提下，还可以做出其它变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (26)

1.一种氮化物半导体垂直腔面发射激光器，包括沿设定方向依次设置的n侧DBR结构、有源区和p侧DBR结构；其特征在于：所述激光器的n侧形成有电流限制结构。

2.根据权利要求1所述的氮化物半导体垂直腔面发射激光器，其特征在于包括沿设定方向依次设置的n侧DBR结构、电子注入层、有源区、p型层和p侧DBR结构。

3.根据权利要求2所述的氮化物半导体垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述电流限制结构包括对所述n侧DBR结构和/或电子注入层的选定区域进行加工而形成的高阻隔离区，或者，所述电流限制结构是通过将所述n侧DBR结构和/或电子注入层的选定区域去除而形成。

4.根据权利要求3所述的氮化物半导体垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述n侧DBR结构和电子注入层均主要由氮化物半导体形成。

5.根据权利要求4所述的氮化物半导体垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述n侧DBR结构包含由折射率不同的氮化物半导体周期性交叠形成的叠层结构，叠层周期为2～100周期，优选为10～30周期。

6.根据权利要求4所述的氮化物半导体垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述n侧DBR结构包含由高掺杂氮化物半导体层与轻掺杂氮化物半导体层周期性交替层叠形成的叠层结构，叠层周期为2～100周期，优选为10～30周期。

7.根据权利要求6所述的氮化物半导体垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述高掺杂氮化物半导体层与轻掺杂氮化物半导体层具有多孔结构，并且所述高掺杂氮化物半导体层的孔隙率高于所述轻掺杂氮化物半导体层的孔隙率。

8.根据权利要求6所述的氮化物半导体垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述高掺杂氮化物半导体层的掺杂浓度为5×10¹⁸～5×10²⁰ cm^-3之间，所述轻掺杂氮化物半导体层的掺杂浓度为1×10¹⁶～5×10¹⁸ cm^-3之间，优选为1×10¹⁷～1×10¹⁸ cm^-3；其中采用的掺杂剂包括Si或Ge。

9.根据权利要求7所述的氮化物半导体垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述电子注入层的掺杂浓度大于或等于轻掺杂氮化物半导体层的掺杂浓度但小于高掺杂氮化物半导体层的掺杂浓度，所述电子注入层也具有多孔结构，并且所述电子注入层的孔隙率也小于高掺杂氮化物半导体层的孔隙率但大于或等于轻掺杂氮化物半导体层的孔隙率。

10.根据权利要求9所述的氮化物半导体垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述电子注入层的掺杂浓度为1×10¹⁷～5×10¹⁸ cm^-3，优选为1×10¹⁸～5×10¹⁸ cm^-3；其中采用的掺杂剂包括Si或Ge。

11.根据权利要求5-10中任一项所述的氮化物半导体垂直腔面发射激光器，其特征在于还包括第一电流扩展层，所述第一电流扩展层覆盖在n侧DBR结构上，并且所述第一电流扩展层上还结合有n侧电极，所述n侧电极设置有出光窗口，所述出光窗口与所述电流限制结构中的电流限制窗口对应设置，以及，所述第一电流扩展层与电子注入层之间设置有介质钝化层。

12.根据权利要求3所述的氮化物半导体垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述电子注入层主要由氮化物半导体形成。

13.根据权利要求12所述的氮化物半导体垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述n侧DBR结构采用介质DBR。

14.根据权利要求12所述的氮化物半导体垂直腔面发射激光器，其特征在于还包括第一电流扩展层，所述第一电流扩展层覆盖在电子注入层上，所述第一电流扩展层上设置有n侧DBR结构，并且所述第一电流扩展层上还结合有n侧电极，所述n侧电极设置有出光窗口，所述出光窗口与所述电流限制结构中的电流限制窗口对应设置，以及，所述第一电流扩展层与有源区之间还设置有介质钝化层。

15.根据权利要求2所述的氮化物半导体垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述p型层与p侧DBR结构之间还设置有第二电流扩展层。

16.根据权利要求15所述的氮化物半导体垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述p型层上整面沉积第二电流扩展层，并且所述p型层与第二电流扩展层形成欧姆接触。

17.根据权利要求1所述的氮化物半导体垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述p侧DBR结构为介质DBR结构，或者，所述p侧DBR结构主要由氮化物半导体形成。

18.根据权利要求1所述的氮化物半导体垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述p侧DBR结构通过键合层与支撑片导热连接，所述支撑片上还结合有p侧电极，所述支撑片包括热沉。

19.根据权利要求3所述的氮化物半导体垂直腔面发射激光器，其特征在于：用以加工形成所述高阻隔离区的方式包括离子注入、刻蚀、选区扩散、选区氧化、生长异质结或侧向外延中的任意一种方式或多种方式的组合；其中，所述离子注入方式采用的离子包括H、F、Ar、He、Zn、Mg、Be中的任意一种或多种的组合。

20.根据权利要求4、12或17所述的氮化物半导体垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述氮化物半导体包括GaN、AlN、BN、InN中的任意一种或两种以上按任意比例组合形成的三元或四元合金。

21.如权利要求1-20中任一项所述氮化物半导体垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于包括：

于衬底上依次外延生长形成缓冲层、n侧DBR结构、电子注入层、有源区和p型层；

在p型层上整面沉积第二电流扩展层，并进行欧姆接触退火；

在第二电流扩展层上形成p侧DBR结构；

至少将所述第二电流扩展层及p侧DBR结构与支撑片键合；

除去所述衬底及缓冲层，至暴露出n侧DBR结构，再对n侧DBR结构进行加工，获得平整的(

)氮面；

对所述n侧DBR结构和电子注入层进行处理而形成电流限制结构，所述电流限制结构包括对所述n侧DBR结构和电子注入层的选定区域进行加工而形成的高阻隔离区，或者，所述电流限制结构是通过将所述n侧DBR结构与电子注入层的选定区域去除而形成；

在所述n侧DBR结构与电子注入层上形成第一电流扩展层。

22.如权利要求1-20中任一项所述氮化物半导体垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于包括：

于衬底上依次外延生长形成缓冲层、电子注入层、有源区和p型层；

在p型层上整面沉积第二电流扩展层，并进行欧姆接触退火；

在第二电流扩展层上形成p侧DBR结构；

至少将所述第二电流扩展层及p侧DBR结构与支撑片键合；

除去所述衬底及缓冲层，至暴露出电子注入层，再对电子注入层进行加工，获得平整的(

)氮面；

对所述电子注入层进行处理而形成电流限制结构，所述电流限制结构包括对所述电子注入层的选定区域进行加工而形成的高阻隔离区，或者，所述电流限制结构是通过将所述电子注入层的选定区域去除而形成；

在所述电子注入层上形成第一电流扩展层；

在所述第一电流扩展层上形成n侧DBR结构。

23.如权利要求1-20中任一项所述氮化物半导体垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于包括：

于衬底上依次外延生长形成缓冲层、n侧DBR结构、电子注入层、有源区和p型层，其中所述n侧DBR结构包含由高掺杂氮化物半导体层与轻掺杂氮化物半导体层周期性交替层叠形成的叠层结构；

在p型层上整面沉积第二电流扩展层，并进行欧姆接触退火；

在第二电流扩展层上形成p侧DBR结构；

至少将所述第二电流扩展层及p侧DBR结构与支撑片键合；

除去所述衬底及缓冲层，至暴露出n侧DBR结构，再对n侧DBR结构进行加工，获得平整的(

)氮面；

对所述n侧DBR结构和电子注入层进行处理而形成电流限制结构，所述电流限制结构包括对所述n侧DBR结构和电子注入层的选定区域进行加工而形成的高阻隔离区，或者，所述电流限制结构是通过将所述n侧DBR结构与电子注入层的选定区域去除而形成；

对所述n侧DBR结构和电子注入层进行腐蚀，从而在其中形成多孔氮化物结构；

在所述n侧DBR结构与电子注入层上形成第一电流扩展层。

24.一种光源，其特征在于包括权利要求1-20中任一项所述的氮化物半导体垂直腔面发射激光器。

25.一种显示设备，其特征在于包括权利要求1-20中任一项所述的氮化物半导体垂直腔面发射激光器或权利要求24所述的光源。

26.一种通讯或传感设备，其特征在于包括权利要求1-20中任一项所述的氮化物半导体垂直腔面发射激光器或权利要求24所述的光源。

Images