一种新型半导体深紫外垂直腔面发射激光器结构制造技术

本发明专利技术涉及一种新型半导体深紫外电注入式垂直腔面发射激光器结构，沿着材料的生长方向，从底部到顶部包括：衬底、衬上复合层、量子有源层、基于氮化铝镓的电子阻挡层和电注入隧穿反射复合层，该层包括基于量子隧穿效应的p

【技术实现步骤摘要】
一种新型半导体深紫外垂直腔面发射激光器结构


[0001]本专利技术涉及半导体的
，尤其是指一种新型半导体深紫外电注入式垂直腔面发射激光器结构。

技术介绍

[0002]电注入式垂直腔面发射激光器(VCSEL)出光方向与外延片表面垂直，集成为高密度二维阵列时，能够提供比单管边发射激光器更大的发光功率，电注入式VCSEL适用于需要高准直性光源的应用场合。氮化铝镓基深紫外激光器相比于LED具有体积更小、相干性好、光束集中等优点，功率密度高、发光更集中的特点，发挥其更显著的杀菌消毒效果。深紫外半导体激光器可以通过调节材料带隙自由选择波长，并且具有较高的光学效率。III族氮化物材料覆盖红外光到深紫外光波段。但是，基于氮化铝镓合金的III族氮化物紫外激光器的发展远远落后于基于氮化铟镓的激光器。氮化铝镓激光器在工艺方面的主要问题在于晶体质量差，内量子效率对位错密度更加敏感。基于氮化镓的许多可见光器策略不适用于深紫外光器件。另外p型III族氮化物材料低电导率导致较低的空穴注入效率，以及氮化铝镓材料中存在强极化效应。
[0003]目前，深紫外电注入VCSEL结构在低波段难以实现的原因在于难以实现高铝组分的氮化铝镓合金材料的同时更难以实现其p型掺杂，而且分布式布拉格反射层完全阻碍载子注入效率。上下分布式布拉格反射层由于导电属性的不同，在工艺制备是很大的挑战。
[0004]为了提高深紫外电注入式VCSEL结构的出光效率和载子注入，提高工艺制备效率，需要开发新型深紫外VCSEL结构，能够同时满足以下几个要素：
[0005]大幅度简化制备工艺，
[0006]大幅度减少或者消除p面对深紫外光的吸收，
[0007]大幅度减少或者消除n面对深紫外光的吸收，
[0008]大幅度减小深紫外激光结构的运行电压，
[0009]大幅度提高p面光的全反射，但反射率略低于n面反射率，从而形成光学谐振，达到p面出光激射的目的，
[0010]大幅度提高n面对深紫外光的全反射，或者将n面的出光经过反射后从p面导出，
[0011]增加出光效率的同时，保持或者提升深紫外电注入式VCSEL结构的载子注入效率和电流扩散长度(current spreading length)，
[0012]增加出光效率的同时，保持或者提升深紫外电注入式VCSEL器件膜层的晶体质量，降低晶体的位错密度，避免晶圆表面裂纹的形成。

技术实现思路

[0013]本专利技术的目的是提供一种新型半导体深紫外电注入式垂直腔面发射激光器结构，其具有大幅度提高深紫外电注入式VCSEL的出光效率和简化制备工艺的效果。
[0014]本专利技术的上述专利技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
[0015]一种新型半导体深紫外电注入式垂直腔面发射激光器结构，其特征在于，沿着材料的生长方向，从底部到顶部依次包括：衬底、衬上复合层、量子有源层、基于氮化铝镓的电子阻挡层和电注入隧穿反射复合层；
[0016]所述衬上复合层包括下分布式布拉格反射层和n型的氮化铝镓层，所述n型的氮化铝镓层含有的铝组分大于等于20％，所述下分布式布拉格反射层的反光波段峰值在240纳米到350纳米之间，所述下分布式布拉格反射层的反光波段的反光率在80％以上；
[0017]所述有源层包括氮化镓、氮化铝镓及氮化铝外延材料组成的量子阱、量子点和量子盘结构，所述有源层的发光波段位于255纳米到340纳米之间；
[0018]所述基于氮化铝镓的电子阻挡层的掺杂元素为镁、锌或铍元素；
[0019]所述电注入隧穿反射复合层包括基于隧穿效应的p型注入结构、n型氮化铝镓结构和上分布式布拉格反射层，所述n型氮化铝镓结构厚度大于等于50纳米，所述上分布式布拉格反射层的反光波段峰值在240纳米到350纳米之间，所述上分布式布拉格反射层的在反光波段的反光率在80％左右。
[0020]优选的，所述衬底为具备n型导电能力的材料制成，所述n型的氮化铝镓层位于所述衬底与所述反射层之间，所述衬底为n型硅衬底、n型碳化硅衬底、n型氮化镓衬底、n型氮化铝镓衬底或n型氮化铝衬底。
[0021]优选的，所述衬底为绝缘体或者半绝缘体，所述n型的氮化铝镓层位于反射层与有源层之间，所述衬底为蓝宝石、硅片、氮化铝、氮化镓、氮化铝镓或碳化硅衬底。
[0022]优选的，所述反射层包含不少于10组的反射复合层，每个所述反射复合层包含AlxGa(1
‑
x)N和AlyGa(1
‑
y)N的氮化铝镓结构，且0＜x≠y＜1，所述对层的厚度在50纳米到120纳米之间。
[0023]优选的，沿着外延生长方向，所述反射复合层包含AlxGa(1
‑
x)N和AlyGa(1
‑
y)N，所述AlxGa(1
‑
x)N厚度为30纳米，x为50％，所述AlyGa(1
‑
y)N厚度等于所述AlxGa(1
‑
x)N，y为90％。
[0024]优选的，沿着外延生长方向，所述反射复合层包含AlxGa(1
‑
x)N和AlyGa(1
‑
y)N，所述AlxGa(1
‑
x)N，其厚度为40纳米，x介于20％到60％，所述AlyGa(1
‑
y)N厚度等于所述AlxGa(1
‑
x)N，y为x+35％。
[0025]优选的，沿着外延生长方向，所述反射复合层包含AlxGa(1
‑
x)N和AlyGa(1
‑
y)N，所述AlxGa(1
‑
x)N厚度为介于30到60纳米，x介于20％到60％，所述AlyGa(1
‑
y)N厚度等于所述AlxGa(1
‑
x)N，y为x+35％。
[0026]优选的，所述电注入隧穿反射复合层结构沿着外延生长方向包括：
[0027]一层p型氮化铝镓结构，
[0028]一层氮化镓层结构的隧穿关联层，所述氮化镓层结构厚度为1纳米到4纳米之间，且为不掺杂，
[0029]一层n型氮化铝镓结构，
[0030]一层上分布式布拉格反射层。
[0031]优选的，所述电注入隧穿反射复合层结构包括：
[0032]一层p型氮化铝镓结构，
[0033]一层氮化铟镓层结构隧穿关联层，所述氮化铟镓层结构厚度为1纳米到4纳米之
间，且为不掺杂，
[0034]一层n型氮化铝镓结构，
[0035]一层上分布式布拉格反射层。
[0036]优选的，所述电注入隧穿反射复合层结构为：
[0037]一层氮化镓层结构隧穿关联层，所述氮化镓层结构厚度为1纳米到4纳米之间，且为不掺杂。
[0038]优选的，所述电注入隧穿反射复合层顶面为圆，所述顶部金属电极顶面为与电注入隧穿反射复合层顶面同心的环，所述电注入隧穿反射复合层顶面外圆半径和内圆本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型半导体深紫外电注入式垂直腔面发射激光器结构，其特征在于，沿着材料的生长方向，从底部到顶部依次包括：衬底(1)、衬上复合层、量子有源层(4)、基于氮化铝镓的电子阻挡层(5)和电注入隧穿反射复合层(6)；所述衬上复合层包括下分布式布拉格反射层(2)和n型的氮化铝镓层(3)，所述n型的氮化铝镓层(3)含有的铝组分大于等于20％，所述下分布式布拉格反射层(2)的反光波段峰值在240纳米到350纳米之间，所述下分布式布拉格反射层(2)的反光波段的反光率在80％以上；所述有源层(4)包括氮化镓、氮化铝镓及氮化铝外延材料组成的量子阱、量子点和量子盘结构，所述有源层(4)的发光波段位于255纳米到340纳米之间；所述基于氮化铝镓的电子阻挡层(5)的掺杂元素为镁、锌或铍元素；所述电注入隧穿反射复合层(6)包括基于隧穿效应的p型注入结构(6C)、n型氮化铝镓结构(6B)和上分布式布拉格反射层(6A)，所述n型氮化铝镓结构(6B)厚度大于等于50纳米，所述上分布式布拉格反射层(6A)的反光波段峰值在240纳米到350纳米之间，所述上分布式布拉格反射层(6A)的在反光波段的反光率在80％左右。2.根据权利要求1所述一种新型半导体深紫外电注入式垂直腔面发射激光器结构，其特征在于，所述衬底(1)为具备n型导电能力的材料制成，所述下分布式布拉格反射层(2)位于所述衬底(1)与所述n型的氮化铝镓层(3)之间，所述衬底(1)为n型硅衬底、n型碳化硅衬底、n型氮化镓衬底、n型氮化铝镓衬底或n型氮化铝衬底，所述下分布式布拉格反射层(2)为n型。3.根据权利要求1所述一种新型半导体深紫外电注入式垂直腔面发射激光器结构，其特征在于，所述衬底(1)为绝缘体或者半绝缘体，所述n型的氮化铝镓层(3)位于下分布式布拉格反射层(2)与有源层(4)之间，所述衬底(1)为蓝宝石、硅片、氮化铝、氮化镓、氮化铝镓或碳化硅衬底，其中下分布式布拉格反射层(2)在反射波段的反射率为80％以上。4.根据权利要求2或者3任意所述一种新型半导体深紫外电注入式垂直腔面发射激光器结构，其特征在于，所述下分布式布拉格反射层(2)和上分布式布拉格反射层(6A)包含不少于10组的反射复合层，每个反射复合层包含AlxGa(1
‑
x)N(a)和AlyGa(1
‑
y)N(b)的氮化铝镓结构，且0＜x≠y＜1，所述反射复合层的厚度在50纳米到120纳米之间。5.根据权利要求4所述一种新型半导体深紫外电注入式垂直腔面发射激光器结构，其特征在于，沿着外延生长方向，所述反射复合层包含AlxGa(1
‑
x)N(a)和AlyGa(1
‑
y)N(b)，所述AlxGa(1

【专利技术属性】
技术研发人员：吴鹏，廖翊韬，
申请(专利权)人：徐州立羽高科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：