CN114976861A - 基于侧向外延技术的垂直腔面发射半导体激光器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于侧向外延技术的垂直腔面发射半导体激光器及制备方法。该结构的核心是通过侧向外延技术解决预置下层DBR的难题，先预置DBR，然后在DBR上开窗口，用侧向外延技术将激光器的功能区长到DBR的上方，完成下DBR的制备，然后再通过常见工艺制备上DBR和两侧的金属电极，从而形成垂直腔面激光器。电注入方向与激光出射方向垂直，可以避免紫外波段VCSEL的电流扩展层对光场吸收的影响。本发明有利于减小对器件的损伤，提高良率和器件性能；很好地利用了侧向外延技术生长的高质量材料区，提高了晶体质量，提高了发光效率和寿命；电场方向为材料的非极化方向，能够有效的减小量子限制斯塔克效应，从而抑制器件在大电压下量子效率的降低和波长漂移。

Description

基于侧向外延技术的垂直腔面发射半导体激光器及其制备 方法

技术领域

本发明属于半导体激光器技术领域，具体涉及一种基于侧向外延技术的垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)及其制备方法。

背景技术

垂直腔面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser，VCSEL)的构型最早由日本东京工业大学的伊贺健一教授于1977年提出。相比于传统的边发射激光器，VCSEL具有圆形光斑、低阈值、单纵模输出、易于集成二维阵列等优异的特点，目前已经广泛应用于光通信和消费电子领域。

由于VCSEL的谐振腔方向与外延方向平行，其增益介质长度较短。因此要达到激射通常需要上下两侧的反射率达到90％以上，一般采用分布式布拉格反射镜(DistributedBragg Reflection，DBR)来达到如此高的反射率。在长波波段，VCSEL使用的材料多为砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)体系。对于GaAs体系，底部可以使用AlAs/GaAs作为高低折射率材料，两种材料晶格匹配基本匹配，而且导电性和导热性都很好，很适合制作电注入的VCSEL器件，因此发展非常迅速。

然而在短波长领域，需要使用带隙更宽的半导体材料作为增益介质。蓝绿光以及紫外波段的VCSEL目前使用的是氮化镓(GaN)材料，相比于GaAs材料体系，GaN材料有许多不同的特性，也带来了一系列技术难点。

1.由于GaN体系缺乏折射率相差大且晶格失配较小的两种材料，高反射率的下DBR制备工艺复杂，需要提高DBR对数或者衬底转移技术，会导致晶体质量很差或者对结构会带来损伤。

a)蓝绿波段常采用衬底转移工艺，一般是先将GaN外延片与键合基板键合，然后利用激光剥离将原来的外延衬底剥离，使用化学机械抛光(chemical mechanicalpolishing，CMP)进行减薄后暴露出下表面镀介质膜膜系的DBR。该工艺步骤复杂，激光剥离和CMP这两步易造成GaN外延膜的机械损伤，而且不易对垂直腔的腔长进行控制。

b)紫外波段使用的是AlGaN/GaN材料，由于材料的易碎性，通常无法使用激光剥离的方法转移衬底，所以一般用外延多对氮化物的方法形成DBR，但是达到高反射率需要很多对DBR，生长的难度很大，而且反射率和带宽远不及介质膜的DBR，限制了器件的性能。

2.由于P型GaN的载流子浓度和迁移率很小，P型GaN的方块电阻很大。在制备P电极时需要插入一层透明的电流扩展层，这种材料通常是氧化铟锡(Indium Tin Oxide，ITO)。而ITO对光的吸收并不可忽略，而且在紫外波段吸收更加明显，因此紫外VCSEL的电注入无法使用ITO作为电流扩展层，对紫外电注入VCSEL带来了困难。电流注入方式的限制，也就限制了器件的尺寸很难做大，因此发光面积减小，发光功率急剧下降，给器件的应用造成了很大的困难，这也是GaN基VCSEL激光器一直没能大规模应用的一个重要原因。

3.由于垂直腔内的电磁场强度分布并不是均匀的，在波腹的地方场强最大，在波结的地方场强最小。因此器件的各层位置需要精心设计：ITO层常常放置在垂直腔的驻波场的波节处以减小ITO带来的损耗。而作为增益介质的InGaN量子阱需要放置在波腹处以达到最大的增益。这就要求对器件结构的厚度进行严格的控制。

为了克服短波长VCSEL的上述技术难题，核心在于两个方面：一是找到一种能够巧妙的制作下层DBR的方法，即在生长激光器结构之前提前预置好DBR，避免剥离转移等工艺步骤，提高良率；另一方面是改变电流注入方法，将电流注入方向和出光方向分开，避免注入方向和出光方向相同的情况下电流注入电极产生较大的光吸收而导致激光器不激射或者激射阈值大幅升高，同时也解除发光面积受电极的限制，提高VCSEL的发光功率。如我们所知，制作DBR的介质膜材料与激光器的基材晶格常数相差较大，不可能直接在其上面直接外延出高晶体质量的激光器材料，因此侧向外延技术可以解决这个问题，同时实现高晶体质量外延和预置高质量的DBR。但是传统的利用侧向外延技术来制备VCSEL的方法还是无法解决电流注入方向与出光方向重合导致的严重光吸收问题，因此需要设计新的VCSEL结构来解决这个问题，这便是本发明的核心技术点。

发明内容

为解决以上技术难点，本发明提出了一种新的基于侧向外延技术的垂直腔面发射半导体激光器的结构，以及其制作方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于侧向外延技术的垂直腔面发射半导体激光器，其从下至上依次包括衬底、下层DBR、侧向外延生长的激光器结构、上层DBR；所述侧向外延生长的激光器结构的两侧设有N电极和P电极；所述垂直腔面发射半导体激光器的电流注入方向平行于衬底，电流注入方向与出光方向垂直。

进一步地，所述侧向外延生长的激光器结构，依次包括N型半导体层、N侧光限制层、N侧波导层、量子阱、P侧波导层、电子阻挡层、P侧光限制层、P接触层。

进一步地，所述N型半导体层为III-V族化合物半导体材料或II-VI族化合物半导体材料。

一种基于侧向外延技术的垂直腔面发射半导体激光器的制备方法，包括以下步骤：

1)在衬底上制备下层DBR；

2)在下层DBR开窗口，在该窗口处采用侧向外延技术制备激光器结构；

3)在采用侧向外延技术制备的激光器结构之上制备上层DBR以及两侧的N电极和P电极，形成垂直腔面发射半导体激光器。

进一步地，步骤1)所述衬底为单层掩膜衬底或叠层掩膜衬底；所述叠层掩膜衬底从下至上依次包括衬底层、下层掩膜、中间层、上层掩膜，其中下层掩膜、上层掩膜的窗口错开一定距离；所述中间层即所述下层DBR。

进一步地，步骤1)所述衬底为叠层掩膜衬底，且采用以下步骤形成下层DBR：

a)在衬底层上制备Si₃N₄掩膜，即为下层掩膜；

b)在Si₃N₄掩膜上光刻窗口图形，用干法刻蚀去除窗口位置的Si₃N₄，露出衬底，然后镀DBR膜系；

c)在DBR膜系之上镀一层Si₃N₄，即为上层掩膜；

d)在上层掩膜上光刻窗口图形，该窗口与下层掩膜的窗口在水平面上错开一定距离；

e)通过干法刻蚀去除上层掩膜的窗口位置的Si₃N₄，然后腐蚀中间的DBR，直到下层掩膜上的窗口被完全暴露出来停止腐蚀，从而完成下层DBR的预置。

进一步地，所述叠层掩膜衬底的窗口为条形或圆孔形等多种图形；利用窗口为所述圆孔形的叠层掩膜衬底制备六角环形VCSEL激光器。

进一步地，步骤2)所述采用侧向外延技术制备激光器结构，包括：

2.1)采用垂直生长模式生长III-V族化合物半导体材料或II-VI族化合物半导体材料；

2.2)改变外延生长条件，采用侧向生长模式生长N型III-V族化合物半导体材料或II-VI族化合物半导体材料；

2.3)继续外延生长N侧光限制层、N侧波导层、量子阱、P侧波导层、电子阻挡层、P侧光限制层、P接触层，得到侧向外延的激光器材料核壳结构。

进一步地，步骤3)包括：

3.1)对侧向外延的激光器材料核壳结构进行干法刻蚀，露出内部的N型III-V族化合物半导体材料或II-VI族化合物半导体材料；

3.2)在干法刻蚀后的材料表面制备上层DBR；

3.3)在上层DBR进行光刻，通过干法刻蚀去除N型III-V族化合物半导体材料或II-VI族化合物半导体材料上方的上层DBR；

3.4)进行光刻，采用蒸镀或者溅射方法制备P电极；

3.5)进行光刻，采用蒸镀或者溅射方法制备N电极。

相比于传统的VCSEL结构，本发明具有如下几点优势：

1、侧向外延技术能长出超高晶体质量的III-V族发光半导体材料，尤其是使用叠层掩膜衬底生长，可以将GaN材料的位错密度降低到10⁴/cm²以下，比同质衬底外延技术得到的晶体质量还高，非常适合制作激光器。位错密度低，可以显著减少非辐射复合，提高发光效率。

2、预置高质量的DBR而无需引入额外应力。例如通过GaN/AlGaN不同的Al组分浓度来调制折射率，势必会引入额外应力，而且由于折射率差比较小，需要长很多对DBR来实现高反射率和较大带宽。而用专门蒸镀介质膜的设备预置的氧化物光学介质膜，光学性能好，而且不引入应力。同时也不需要采用传统的键合剥离，工艺更加简单，对器件的机械损伤更小，避免了材料剥离工艺带来的高不良率和器件性能损伤，非常有利于平面阵列集成。

3、电流注入方向与出光方向垂直，因此不用担心注入电流的电极对激光产生较大的吸收，因此发光面积不再受到注入电极的限制，可以大大增加可发光面积，这在紫外波段的器件中尤为明显。而且出光方向的增益介质(量子阱)较厚，增益介质有几微米，而传统的VCSEL在出光方向上的增益介质只有几十纳米厚，因此新的结构具有远高于传统VCSEL的激光增益系数，这有利于提高VCSEL的发光功率和发光效率。传统VCSEL只有几毫瓦的发光功率，而新结构VCSEL的发光功率可以到几十毫瓦量级甚至更高。

4、垂直腔的腔长可以由侧向外延生长和RIE的刻蚀的速率精确控制。

5、InGaN/GaN量子阱的晶面是非极性的a面或者m面，可以有效地减小高电压下量子限制斯塔克效应(QCSE)带来的空穴和电子波函数空间上的分离，提高辐射复合速率，从而提高器件的内量子效率，而且也有效的抑制了能带倾斜导致的波长漂移。

附图说明

图1是基于侧向外延技术的垂直腔面发射半导体激光器的结构截面示意图。其中：101.N型GaN；102.N侧光限制层；103.N侧波导层；104.量子阱(有源区)；105.P侧波导层；106.电子阻挡层；107.P侧光限制层；108.P接触层；109.衬底；110.下DBR；111.P侧金属电极；112.上DBR；113.出光方向；114.N侧金属电极。

图2是简单衬底结构侧向外延步骤示意图。

图3是上层DBR和N、P电极制备过程示意图。

图4是条形叠层掩膜衬底示意图。其中：401.衬底；402.叠层掩膜衬底下层掩膜；403.叠层掩膜衬底中间层，也是预置的VCSEL底面DBR；404.叠层掩膜衬底上层掩膜。

图5是在条形叠层掩膜衬底上侧向外延生长激光器Coreshell材料结构示意图。其中：501.弯曲沟道内生长的GaN，可以湮灭过滤位错；502.侧向外延的激光器材料结构。

图6是在条形叠层掩膜衬底上制备完成激光器结构示意图。其中：601.P电极；602.N电极；603.出光面。

图7是以点状中心侧向外延得到六角棱柱示意图。其中：701.外延好激光器所需材料结构的六角棱柱Coreshell结构；702.预置的底层DBR；703.蓝宝石或Si等可以外延GaN的衬底。

图8是六角棱柱中心截面材料结构示意图。其中：801.从圆形点状叠层掩膜窗口沿着弯曲通道生长出的GaN；802.侧向外延的激光器六角棱柱Coreshell结构；803.预置的底层DBR。

图9是做完电极的六棱柱VCSEL激光器。其中：901.N型金属电极；902.顶层DBR，出光区域；903.P型金属电极。

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。

本发明提出了一种新的基于侧向外延技术的垂直腔面发射半导体激光器的结构，以及其制作方法。该结构和制作方法可以适用于多种半导体激光器材料，为方便起见，下面以发光材料GaN为例进行本发明的阐述，其结构示意图如图1所示。

如图1所示，从下到上依次有蓝宝石衬底109(或其他可以外延GaN的衬底)、下层DBR膜系110和侧向外延生长的GaN基激光器结构101～108，包括N型GaN、作为有源区的InGaN/GaN量子阱、P型GaN等。最上方是上层DBR膜系112，DBR膜系可以是SiO₂/HfO₂或者SiO₂/TiO₂等材料。横向分布的114是Ti/Al/Ni/Au(或者其他金属膜系)即N金属电极，111是Ni/Au(或者其他金属膜系)即P金属电极。

本发明所提出的新结构，具体实现分两部分，第一部分的核心目标是实现预置DBR和侧向外延，第二部分的核心目标是实现顶面DBR和N、P电极的制备，每一部分包含若干具体实现的步骤。

实施例1：

第一部分，预置DBR和侧向外延的实现步骤：

如我们所知，侧向外延技术有多种实现方式。比较简单的一种是预先在外延衬底上沉积一层掩膜材料，然后通过刻蚀或者腐蚀等方法去除部分掩膜材料，使得部分衬底表面露出，外延材料先从露出的衬底部分向上生长，然后通过改变生长条件，使得材料侧向生长速率较快，即为侧向外延。还有复杂的叠层衬底外延技术，衬底的制备相对复杂些，但是生长出的晶体材料质量更高。下面分别介绍两种衬底上的侧向外延技术。

基于简单衬底结构(即单层掩膜衬底)的侧向外延技术，下面以蓝宝石衬底生长GaN材料为例介绍本发明的具体内容，但是需要说明的是衬底并不限于蓝宝石，可以是其他适合外延III-V族半导体的衬底(如Si、SiC等衬底)，生长的材料也不仅限于GaN，可以是其他III-V族半导体材料(InN、AlN、InGaN、AlGaN、GaAs、InP等)。

如图2所示，简单衬底结构的侧向外延包括以下步骤：

201.准备蓝宝石衬底。

202.在蓝宝石衬底上，先镀高质量DBR。DBR的材料种类和结构，需要根据目标波长和带宽来设计，有专业的模拟软件可以完成较为准确的设计。然后通过专业的光学介质膜镀膜设备(电子束蒸发或者反应磁控溅射等)来镀设计好的DBR膜系，使之达到预定的高反射率。

203.接下来是进行光刻，根据想要暴露出来的蓝宝石衬底区域进行光刻图形设计。

204.曝光显影出需要的图形后，用ICP或者RIE进行刻蚀，刻蚀出所需图形，露出蓝宝石衬底。

205.进行去胶清洗。

206.去胶清洗后，使用MOCVD设备外延GaN。先进行垂直生长模式生长(即垂直方向生长速率大于侧向生长速率的生长模式)。

207.通过改变外延生长条件变为侧向生长模式(即侧向生长速率大于垂直方向生长速率的生长模式)，开始侧向外延，先侧向生长N型GaN层。

208.然后继续外延激光器的全部所需结构，从里到外包括N侧光限制层、N侧波导层、量子阱(有源区)、P侧波导层、电子阻挡层、P侧光限制层、P接触层等。

完成了激光器所需的材料结构外延后，接下来就是开始制备顶面DBR和N、P电极。

第二部分，顶面DBR和N、P电极制作步骤

如图3所示，顶面DBR和N、P电极制作步骤具体包括：301.侧向外延好的激光器材料Coreshell(核壳)结构；302.干法刻蚀，露出Coreshell结构内部的N型GaN；303.镀顶面DBR；304.光刻，露出需要刻蚀的部分；305.干法刻蚀去除N型GaN上方的DBR，露出N型GaN，并去胶；306.光刻，露出P型GaN，等待镀P电极；307.用蒸镀或者溅射方法，镀适合P型GaN接触的Ni/Au等金属电极；308.去胶，剥离多余金属，留下P电极；309.光刻，露出N型GaN，准备镀N电极；310.用蒸镀或者溅射的方法，镀适合N型GaN接触的Ti/Al/Ni/Au等金属电极；311.去胶，剥离多余金属，留下N电极。

侧向外延好的激光器材料如图2中208所示，是Coreshell结构，包含了激光器所需的全部材料结构(示意图中只是大致展示了材料结构，实际的激光器具体材料结构参数会更为复杂)。如图3所示，在侧向外延Coreshell结构的基础上，先用干法刻蚀的方法，直接向下刻蚀，直到露出Coreshell结构内部的N型GaN，如图3中302所示。然后用蒸镀或者反应磁控溅射等方法，根据设计的参数镀顶面DBR，一般来说顶面DBR的反射率略低于底面DBR。然后进行光刻，露出N型GaN上方需要刻蚀的位置。然后用RIE干法刻蚀去除N型GaN上方的DBR，露出N型GaN，并去胶。然后用负胶光刻，露出P型GaN，用蒸镀或者溅射方法，镀适合P型GaN接触的Ni/Au等金属电极。用丙酮等有机溶液去胶，剥离多余金属，留下P电极。此时可以进行P电极退火，使得P电极接触良好。然后再次负胶光刻，露出N型GaN，用蒸镀或者溅射的方法，镀适合N型GaN接触的Ti/Al/Ni/Au等金属电极。去胶，剥离多余金属，留下N电极。到此，完成本结构激光器的基本制作过程，后续可以进行封装和测试等。

实施例2：

在具体的实施过程中，可以有多种方案实现本设计的核心结构。本实施例中，采用叠层掩膜衬底技术来进行侧向外延，以达到比普通侧向外延技术更高的晶体质量。叠层掩膜技术是近年来兴起的新型侧向外延技术，其核心原理是利用三维结构的掩膜衬底，使得材料在弯曲的沟道内生长的时候转向，达到合并位错过滤位错的目的，从而大大提高了侧向外延从窗口出来部分的晶体质量，使得材料的整体性能上升。本实施例以条形叠层衬底侧向外延技术，说明对本发明的具体实现步骤。

叠层掩膜衬底的制备相对普通的侧向外延(ELOG)衬底制备稍微复杂一些。首先是在能外延GaN的衬底上(即图4中的401，例如蓝宝石、Si或者SiC等衬底)，镀一层高致密的Si₃N₄，一般选用低压化学气相沉积设备(LPCVD)来生长几十纳米厚的Si₃N₄掩膜，即为下层掩膜(即图4中的402)。一般来说，GaN不会在高致密的Si₃N₄薄膜上成核生长，因此可以作为掩膜使用，而且致密的Si₃N₄在HF酸溶液中具有较慢的腐蚀速率，有利于后续悬空结构的制备。然后在底层Si₃N₄掩膜上光刻设计的窗口图形，用RIE干法刻蚀去除窗口的位置的Si₃N₄，露出衬底来，这些位置将是GaN材料成核生长的起始位置。然后镀设计好的DBR(即图4中的403)，一般用电子束蒸发或者反应磁控溅射的方法生长多对SiO₂/TiO₂的DBR膜系，因为SiO₂/TiO₂容易被HF酸溶液腐蚀，有利于后续制作叠层掩膜衬底的悬空结构。在SiO₂/TiO₂膜系之上，再用LPCVD镀一层高致密的Si₃N₄，即为上层掩膜(即图4中的404)，该层膜的厚度，要根据激光器的发光波长何其本身的折射率来设计，其最终厚度设计为1/2波长光程，目的是增加反射率。在上层掩膜上光刻出窗口图形，图形与下层掩膜的窗口在水平面上是错开一定距离的，再通过RIE干法刻蚀，将上层掩膜的窗口位置的Si₃N₄刻蚀掉，然后用BOE溶液腐蚀中间的DBR，由于Si₃N₄腐蚀速率较慢，而DBR腐蚀速率较快，因此可以在腐蚀中形成悬空结构如图4所示，直到下层掩膜上的窗口被完全暴露出来停止腐蚀。于是就完成了叠层掩膜衬底的制备和DBR的预置，之后就可以使用MOCVD在此叠层掩膜衬底上外延GaN(即图5中的501)。通过调节外延生长的参数，可以使得GaN从底层掩膜的窗口开始生长，在叠层掩膜衬底的弯曲沟道中，位错被合并湮灭，当从上层窗口生长出来的时候，已经是高质量的GaN材料了。再改变生长条件，使得纵向生长速度减慢，侧向生长速度加快，开始侧向外延。侧向外延出激光器所需的全部结构时，形成了如图5中502所示的Coreshell结构，可以用于进行后续的工艺。

在完成了材料结构的外延后，需要进行激光器的形态结构进行加工，主要包括上DBR的制备和N、P电极的制备。其主要的制作步骤也是如图3所示。在侧向外延Coreshell结构的基础上，先用干法刻蚀的方法，直接向下刻蚀，直到露出Coreshell结构内部的N型GaN。然后用蒸镀或者反应磁控等方法，根据设计的参数镀顶面DBR。然后进行光刻，露出N型GaN上方需要刻蚀的位置。然后用RIE干法刻蚀去除N型GaN上方的DBR，露出N型GaN，并去胶。然后用负胶光刻，露出P型GaN，用蒸镀或者溅射方法，镀适合P型GaN接触的Ni/Au等金属电极。用丙酮等有机溶液去胶，剥离多余金属，留下P电极(即图6中的601)。此时可以进行P电极退火，使得P电极接触良好。然后再次负胶光刻，露出N型GaN，用蒸镀或者溅射的方法，镀适合N型GaN接触的Ti/Al/Ni/Au等金属电极。去胶，剥离多余金属，留下N电极(即图6中的602)。到此，完成本结构激光器的基本制作过程，最终结构如图6所示，后续可以进行封装和测试等。

对于条形叠层衬底制备的VCSEL激光器，结构如图6所示，它有一些突出的优点：

1.发光面在条形的方向上可以延伸，因此总的发光面积将大大增加，使得总功率可以远大于传统的VCSEL激光器。有源区在出光方向的长度为几个微米的量级，远大于传统VCSEL几纳米的增益介质厚度，因此可以获得更高增益，从而降低激射阈值。

2.有源区、波导层、光限制层等重要结构都位于侧向外延的高晶体质量区，能够有效的减少非辐射复合和光吸收，从而提高发光效率。由于有源区是非极性面生长的，外加电场方向垂直于材料极化方向，因此可以有效的减少量子斯塔克限制效应，提高器件性能。

实施例3：

本实施例中，将展示其他形状VCSEL激光器的实现，例如六角环形VCSEL激光器。由于GaN材料的晶体结构具有六重对称性，因此如果以点状中心侧向外延，会生长出六角棱柱或者六角棱锥。通过控制侧向外延的生长条件，可以获得较为规整的六角棱柱，如图7所示其中701是外延好激光器所需材料结构的六角棱柱Coreshell结构，702是预置的底层DBR，703是蓝宝石或Si等可以外延GaN的衬底。

根据激光器的设计波长，可以优化设计出六角棱柱的尺寸，然后通过外延技术精确控制各层的生长厚度。其内部材料结构如图8所示，过中心做剖面图，可以看到叠层衬底的结构和侧向外延的结构，其中801是从圆形点状叠层掩膜窗口沿着弯曲通道生长出的GaN，802是侧向外延的激光器六角棱柱Coreshell结构，803是预置的底层DBR。与条形叠层衬底不同的地方是，该叠层衬底的底层窗口是一个圆形小孔，上层窗口也是圆形小孔，两者之间在平面方向错开一定距离，这样形成弯曲的通道，同样可以实现合并位错和过滤位错的功能。叠层掩膜的中间层，是预置好的底层DBR。通过控制六角棱柱的大小，使得激光器核心结构下方正对完整的DBR。而生长出叠层掩膜衬底后的GaN开始进行侧向外延，由于是点状中心，因此会向四周生长，根据晶体对称性，最终长成六角棱柱。

完成外延结构之后，是进行第二阶段的工艺制作过程，包括上DBR和N、P电极的制备。具体制造过程与图3所示基本相同。先进行刻蚀，去掉Coreshell结构顶部平面结构，露出核心内部的N型GaN。然后用专用设备镀上层DBR，之后进行光刻，露出N型GaN上方需要刻蚀的位置。然后用干法刻蚀去除N型GaN上方的DBR，露出N型GaN，并去胶。然后用负胶光刻，露出P型GaN，用蒸镀或者溅射方法，镀适合P型GaN接触的Ni/Au等金属电极。用丙酮等有机溶液去胶，剥离多余金属，留下P电极。此时可以进行P电极退火，使得P电极接触良好。然后再次负胶光刻，露出N型GaN，用蒸镀或者溅射的方法，镀适合N型GaN接触的Ti/Al/Ni/Au等金属电极。去胶，剥离多余金属，留下N电极。到此，完成本结构激光器的基本制作过程，完成后的激光器结构如图9所示，其中901是N型金属电极，902是顶层DBR，即出光区域，903是P型金属电极。后续可以进行封装和测试等。

与实施例1、2相比，除了具备长条形的优点，六角棱柱形VCSEL激光器还有一个优点，就是激光远场光斑接近于圆形，并且可以根据尺寸大小的设计调整，可以制备出圆形光斑和环形光斑的VCSEL。由于发光区长度约为棱柱的周长，因此尺寸的调节也可以调节发光功率。

总的来说，侧向外延所用衬底的变化、DBR材料种类的变化、侧向外延形状的变化，都不影响本发明的核心结构要点，外延材料也不限制于GaN材料，也可以是其他可以通过外延生长的半导体激光器材料，例如III-V族化合物半导体AlGaN、InGaN、AlN、InN、GaAs、InP等，也包括II-VI族化合物半导体。

本发明所提出的上述新结构的核心是通过侧向外延技术解决预置下层DBR的难题。传统的VCSEL激光器需要将激光器结构与衬底剥离然后在背部键合DBR，从而达到高的反射率。而激光剥离工艺，对器件有较大的损伤，导致良率较低。本发明先预置DBR，然后在DBR上开窗口，用侧向外延技术将激光器的功能区长到DBR的上方，完成VCSEL下DBR的制备，然后再通过常见工艺制备上DBR和两侧的金属电极，从而形成垂直腔面激光器。电注入的方向平行于衬底，载流子在有源区发生复合，形成的光子在上下两个DBR之间来回反射形成谐振，满足激射条件后从垂直于衬底的方向发射出激光。电注入方向与激光出射方向垂直，可以避免紫外波段VCSEL的电流扩展层对光场吸收的影响。由于下DBR的制备不需要传统GaN基VCSEL的键合和激光剥离工艺，有利于减小对器件的损伤，提高良率和器件性能。而且该结构很好的利用了侧向外延技术生长的高质量材料区，提高了晶体质量，从而提高了发光效率和寿命。并且电场方向为材料的非极化方向，能够有效的减小量子限制斯塔克效应(QCSE)，从而抑制器件在大电压下量子效率的降低和波长漂移。

以上公开的本发明的具体实施例，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本发明的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。本发明不应局限于本说明书的实施例所公开的内容，本发明的保护范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种基于侧向外延技术的垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，从下至上依次包括衬底、下层DBR、侧向外延生长的激光器结构、上层DBR；所述侧向外延生长的激光器结构的两侧设有N电极和P电极；所述垂直腔面发射半导体激光器的电流注入方向平行于衬底，电流注入方向与出光方向垂直。

2.根据权利要求1所述的基于侧向外延技术的垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述侧向外延生长的激光器结构，依次包括N型半导体层、N侧光限制层、N侧波导层、量子阱、P侧波导层、电子阻挡层、P侧光限制层、P接触层。

3.根据权利要求2所述的基于侧向外延技术的垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述N型半导体层为III-V族化合物半导体材料或II-VI族化合物半导体材料。

4.一种基于侧向外延技术的垂直腔面发射半导体激光器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在衬底上制备下层DBR；

2)在下层DBR开窗口，在该窗口处采用侧向外延技术制备激光器结构；

3)在采用侧向外延技术制备的激光器结构之上制备上层DBR以及两侧的N电极和P电极，形成垂直腔面发射半导体激光器。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤1)所述衬底为单层掩膜衬底或叠层掩膜衬底；所述叠层掩膜衬底从下至上依次包括衬底层、下层掩膜、中间层、上层掩膜，其中下层掩膜、上层掩膜的窗口错开一定距离；所述中间层即所述下层DBR。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤1)所述衬底为叠层掩膜衬底，且采用以下步骤形成下层DBR：

a)在衬底层上制备Si₃N₄掩膜，即为下层掩膜；

b)在Si₃N₄掩膜上光刻窗口图形，用干法刻蚀去除窗口位置的Si₃N₄，露出衬底，然后镀DBR膜系；

c)在DBR膜系之上镀一层Si₃N₄，即为上层掩膜；

d)在上层掩膜上光刻窗口图形，该窗口与下层掩膜的窗口在水平面上错开一定距离；

e)通过干法刻蚀去除上层掩膜的窗口位置的Si₃N₄，然后腐蚀中间的DBR，直到下层掩膜上的窗口被完全暴露出来停止腐蚀，从而完成下层DBR的预置。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述叠层掩膜衬底的窗口为条形或圆孔形；利用窗口为所述圆孔形的叠层掩膜衬底制备六角环形VCSEL激光器。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤2)所述采用侧向外延技术制备激光器结构，包括：

2.1)采用垂直生长模式生长III-V族化合物半导体材料或II-VI族化合物半导体材料；

2.2)改变外延生长条件，采用侧向生长模式生长N型III-V族化合物半导体材料或II-VI族化合物半导体材料；

2.3)继续外延生长N侧光限制层、N侧波导层、量子阱、P侧波导层、电子阻挡层、P侧光限制层、P接触层，得到侧向外延的激光器材料核壳结构。

9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤3)包括：

3.1)对侧向外延的激光器材料核壳结构进行干法刻蚀，露出内部的N型III-V族化合物半导体材料或II-VI族化合物半导体材料；

3.2)在干法刻蚀后的材料表面制备上层DBR；

3.3)在上层DBR进行光刻，通过干法刻蚀去除N型III-V族化合物半导体材料或II-VI族化合物半导体材料上方的上层DBR；

3.4)进行光刻，采用蒸镀或者溅射方法制备P电极；

3.5)进行光刻，采用蒸镀或者溅射方法制备N电极。

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