一种GaN基垂直腔面发射激光器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种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。本发明专利技术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。

A GaN-based Vertical Cavity Surface Emission Laser and Its Preparation Method

The invention relates to a GaN-based vertical cavity surface emitting laser and its preparation method, which belongs to the field of optoelectronics, including conductive substrates, metal layers on conductive substrates, dielectric DBR layers at windows on metal layers, transparent conductive layers on dielectric DBR layers, p-type semiconductor layers, multi-quantum well active layers and n-type semiconductor layers on transparent conductive layers, and n-type semiconductors in turn. A porous conductive DBR layer is grown on the surface of the body layer, and an insulating dielectric layer is made on the surface of the porous conductive DBR layer. The insulating dielectric layer covers porous conductive DBR layer, n-type semiconductor layer, multi-quantum well active layer, p-type semiconductor layer and transparent conductive layer. An n-electrode is made on the surface of the insulating dielectric layer. The invention transfers the epitaxy structure to the substrate with good conductivity by metal bonding technology, and forms a porous GaN conductive DBR structure by electrochemical etching, which increases the current density of the device and improves the photoelectric performance.

【技术实现步骤摘要】
一种GaN基垂直腔面发射激光器及其制备方法
本专利技术涉及一种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

技术介绍
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(VerticalCavitySurfaceEmittingLaser，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。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种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。本专利技术采用以下技术方案：一方面，本专利技术提供一种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)，本专利技术的孔洞为空气孔洞(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、SiNx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，本专利技术还提供一种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，本专利技术将重掺杂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；本专利技术的多孔导电DBR层可以从根本上解决GaNDBR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。本专利技术未详尽之处本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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、SiNx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、...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宇，魏斌，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37