p-ZnO和n-GaN组合的多层端发射激光器及制备方法技术

本发明专利技术属于半导体发光器件技术领域，涉及几种p-ZnO和n-GaN组合的多层端发射激光器及其制备方法。其芯片依次由衬底、n-GaN外延层、Ga2O3或n型AlGaN电流下限制层、p-ZnO基材料发光层、p型宽带隙ZnO基三元系材料电流上限制层、上电极构成，衬底是导电的GaAs晶体片、导电的InP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层相同，衬底下面制备有下电极，由芯片解理的前、后端面构成前反射镜和后反射镜，器件在前反射镜和后反射镜出光。本发明专利技术制备了ZnO基激光器的可控谐振腔，可以降低激光器的阈值电流，提高器件输出功率，使激光的方向变好，进一步拓展了器件的应用范围。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体发光器件及其制备
，特别是涉及基于ZnO基材料的 P-ZnO和n-GaN组合的多层端发射激光器及制备方法。
技术介绍
GaN系材料在固态照明领域和信息领域已经在广泛的应用。ZnO和GaN的能带间隙和晶格常数十分接近，有相近光电特性。但是，与GaN相比，ZnO具有更高的熔点和激子束缚能(60meV)、外延生长温度低、成本低、容易刻蚀而使芯片的后道加工更容易，使其器件的制备更方便等等。因此，ZnO基发光管、激光器等研制成功有可能取代或部分取代GaN基光电器件，会有更大的应用前景，特别是ZnO紫、紫外光电器件更为人们所重视。由于ZnO单晶薄膜的外延制备目前还不成熟，非常完整的一致连续的ZnO单晶薄膜很难获得，目前制备的ZnO单晶薄膜大多数是C轴取向生长的薄膜，由于晶粒边界和缺陷的存在，使得ZnO同质p-n结型发光器件的发光效率非常低，同时往往伴随着和缺陷相关的深能级发光，这一深能级发光波长在可见光波段，它往往比紫外带边发射更强。于是人们开始用薄膜外延制备技术比较成熟的GaN材料和ZnO材料组合制备发光器件(包括发光管和激光器)。H. Zhu等人在文献“Adv. Mater. 21，1613 (2009)，，就报道了一种GaN材料和ZnO 材料组合的激光器件。这种激光器结构如图1所示，由Al2O3衬底1，衬底1上外延生长的ρ 型GaN外延层2，外延层2上制备的相互分立的MgO电流下限制层3和下电极5，在电流下限制层3上制备的η型ZnO发光层4，在ZnO发光层4上面制备的上电极6等部件构成。为了克服ρ型GaN外延层载流子浓度偏低，电阻大，因而激光器串联电阻大，工作电压高，输出功率低的问题。我们在申请号为2010101244166.6的专利中提出了几种ρ型 ZnO和η型GaN组合的ZnO基发光器件及其制备方法。但是，由于这些发光器件都没有制备可控谐振腔，即使激射，一般也是由随机散射谐振腔或是ZnO纳米晶粒的微腔选模作用引起的，因而激光器输出功率非常低，激光的方向性也不好。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述ZnO基发光器件的这一困难，提供一种基于基于 ZnO基材料的ρ-ΖηΟ和n-GaN组合的多层端发射激光器及制备方法，以提高激光器输出功率，改善激光的方向性。本专利技术的技术方案是本专利技术所设计的ZnO和GaN组合的ZnO基端面发射激光器(见附图2和附图说明)，其芯片依次由衬底1、衬底1上制备的P型GaN外延层2、GaN外延层2上制备的 Zn1^xMgxO(χ值可在0. 05 1之间选择设定)电流下限制层3、电流下限制层3上制备的η 型ZnO基材料发光层4、η型ZnO基材料发光层4上面制备的上电极6构成，其特征在于衬底1是导电的GaAs晶体片、导电的hP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2的导电类型相同，同时在衬底1的下面制备有下电极5 ；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8和后反射镜9出光。进一步为了克服P型GaN外延层载流子浓度偏低，电阻大的问题，本专利技术结合 2010101244166. 6专利提出一种ρ型ZnO和η型GaN组合的ZnO基端面发射激光器(仍见附图2和附图说明)，其芯片依次由衬底1、衬底1上制备的η型GaN外延层2、GaN外延层2 上制备的Ga2O3或η型AWaN电流下限制层3、电流下限制层3上制备的ρ型ZnO基材料发光层4、ZnO基材料发光层4上面制备的上电极6构成，其特征在于衬底1是导电的GaAs 晶体片、导电WhP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2的导电类型相同，同时在衬底1的下面制备有下电极5 ；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8和后反射镜9出光。进一步地为了简化工艺，本专利技术又结合2010101244166. 6的专利提出一种没有电流下限制层的ρ型ZnO和η型GaN组合的ZnO基端面发射激光器(见附图3和附图说明)， 其芯片依次由衬底1、衬底1上外延生长的η型GaN外延层2、GaN外延层2上制备的ρ型 ZnO基材料发光层4、在ZnO基材料发光层4上面制备的上电极6构成，其特征在于衬底1 是导电的GaAs晶体片、导电的hP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2的导电类型相同，同时在衬底1的下面制备有下电极5 ；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8和后反射镜9出光。进一步的为了把光和载流子更好的限制在ZnO基材料发光层4中，本专利技术提出一种具有电流上限制层的ZnO和GaN组合的ZnO基端面发射激光器(见附图4和附图说明)， 其芯片依次由衬底1、衬底1上制备的P型GaN外延层2、GaN外延层2上制备的^vxMgxO (χ 值可在0. 05 1之间选择设定)电流下限制层3、电流下限制层3上制备的η型ZnO基材料发光层4、ΖηΟ基材料发光层4上面制备的上电极6构成，其特征在于衬底1是导电的ρ 型GaAs晶体片、导电的ρ型hP晶体片、导电的ρ型SiC晶体片或导电的ρ型GaN晶体片， 同时在衬底1的下面制备有下电极5，在η型ZnO基材料发光层4和上电极6之间制备有η 型宽带隙ZnO基三元系材料电流上限制层7 ；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8和后反射镜9出光。同样也可以将申请号为2010101244166. 6的专利中有电流上限制层的ρ型ZnO和 η型GaN组合的ZnO基发光器件结构改进成激光器，即提出一种具有电流上限制层的ρ型 ZnO和η型GaN组合的ZnO基端面发射激光器(仍见附图4和附图说明)，其芯片依次由衬底1、衬底1上外延生长的η型GaN外延层2、GaN外延层2上制备的(^a2O3或η型AlGaN电流下限制层3、电流下限制层3上制备的ρ型ZnO基材料发光层4、在ZnO基材料发光层4 上面制备的ρ型宽带隙ZnO基三元系材料电流上限制层7、电流上限制层7上面制备的上电极6构成，其特征在于衬底1是导电的GaAs晶体片、导电的M3晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2的导电类型相同，同时在衬底1的下面制备有下电极5 ；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8和后反射镜9出光。GaN和AlGaN外延层用目前工艺较成熟的常规MOCVD (金属有机物化学气相沉积) 工艺方法制备。ZnO基材料的生长制备方法是用分子束外延(MBE)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、脉冲激光沉积(PLD)、溅射(Sputtering)、电子束蒸发、喷涂热解和溶胶凝胶 (Sol-gel)等方法制备；ZnO基材料发光层的材料包括ai0、aiMg0、aiBe0、SiCdO JnNiO等。 衬底材料是GaN单晶衬底或用与GaN材料晶格匹配较好的SiC单晶衬底，也可以是GaAs晶体片衬底和hP晶体片衬底，这里所说的宽带隙ZnO基三元系材料是ZnMg0、ZnBe0、ZnCd0、 ZnNiO等禁带宽度大于ZnO基材料发光层4禁带宽度的薄膜材料；利用GaAs晶体片衬底和 InP晶体片衬底在(110本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种ｐ－ＺｎＯ和ｎ－ＧａＮ组合的多层端面发射激光器，其芯片依次由衬底（１）、衬底（１）上外延生长的ｎ型ＧａＮ外延层（２）、在ＧａＮ外延层（２）上制备的的Ｇａ２Ｏ３或ｎ型ＡｌＧａＮ电流下限制层（３）、电流下限制层（３）上制备的ｐ型ＺｎＯ基材料发光层（４）、在ＺｎＯ基材料发光层（４）上面制备的ｐ型宽带隙ＺｎＯ基三元系材料电流上限制层（７）、电流上限制层（７）上制备的电极（６）构成，电流上限制层（７）的禁带宽度大于ＺｎＯ基发光层（４）的禁带宽度，其特征在于：衬底（１）是导电的ＧａＡｓ晶体片、导电的ＩｎＰ晶体片、导电的ＳｉＣ晶体片或导电的ＧａＮ晶体片，其导电类型和ＧａＮ外延层（２）的导电类型相同，同时在衬底（１）的下面制备有下电极（５）；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜（８）和后反射镜（９），激光器在前反射镜（８）和后反射镜（９）出光。

【技术特征摘要】
1.一种P-ZnO和n-GaN组合的多层端面发射激光器，其芯片依次由衬底(1)、衬底(1) 上外延生长的η型GaN外延层(2)、在GaN外延层(2)上制备的的Ga2O3或η型AWaN电流下限制层(3)、电流下限制层(3)上制备的ρ型ZnO基材料发光层、在ZnO基材料发光层(4)上面制备的ρ型宽带隙ZnO基三元系材料电流上限制层(7)、电流上限制层(7)上制备的电极(6)构成，电流上限制层(7)的禁带宽度大于ZnO基发光层(4)的禁带宽度，其特征在于衬底(1)是导电的GaAs晶体片、导电的^iP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的 GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层O)的导电类型相同，同时在衬底(1)的下面制备有下电极(5)；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜(8)和后反射镜(9)，激光器在前反射镜 (8)和后反射镜(9)出光。2.如权利要求1所述的一种P-SiO和n-GaN组合的多层端面发射激光器，其特征在于 在电流上限制层(7)和上电极(6)之间制备有一层二氧化硅电流隔离层(10)，在二氧化硅电流隔离层(10)上光刻腐蚀出条形电流限制窗口(11)，条形电流限制窗口(11)的条形方向和芯片解理的前、后端面垂直，上电极(6)通过条形电流限制窗口(11)接触到电流上限制层(7)，从而进行电流注入。3.如权利要求1所述的一种P-SiO和n-GaN组合的多层端面发射激光器，其特征在于 在GaN外延层(2)和Ga2O3电流下限制层(3)之间制备有二氧化硅电流隔离层(10)，在二氧化硅电流隔离层(10)上光刻腐蚀出条形电流限制窗口(11)，条形电流限制窗口(11)的条形方向和芯片解理的前、后端面垂直。4.如权利要求1所述的一种P-SiO和n-GaN组合的多层端面发射激光器，其特征在于 在η型AlGaN电流下限制层(3)和ρ型ZnO基材料发光...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜国同，夏晓川，赵旺，梁红伟，张宝林，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：82