[发明专利]n型ZnO和p型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体发光器件及其制备方法技术领域，特别是涉及基于ZnO基材料的激光器件结构及其制备方法。

背景技术

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、激子增益更高、外延生长温度低、成本低、容易刻蚀而使外延片的后道加工更容易，使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结型的发光器件发光效率非常低，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材料结合制备发光器件。H.Zhu等人在文献“Adv.Mater.21，1613(2009)”就报道了一种GaN材料和ZnO材料结合的激光器件。这种器件结构如图1所示，由Al₂O₃衬底1，衬底1上外延生长的p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，电流下限制层3上制备的n型ZnO发光层4，ZnO发光层4上面制备的上电极6等部件构成。

但是，由于这种激光器件没有制备可控谐振腔，其激射一般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，因而器件输出功率非常低，激光的方向性也不好。

发明内容

本发明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n型ZnO和p型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器及制备方法，以提高器件输出功率，改善激光的方向性。

本发明的技术方案是：

本发明所设计的n型ZnO和p型GaN组合的ZnO基垂直腔面发射激光器(见附图2和附图说明)，由衬底1，p型GaN外延层2，外延层2上制备的相互分立的电流下限制层3和下电极5，电流下限制层3上制备的n型ZnO基材料发光层4，上电极6等部件构成，其特征是在衬底1和p型GaN外延层2之间生长制备多层AlGaN/GaN薄膜DBR下反射镜8，n型ZnO发光层4上面制备一层n型宽带隙ZnO基三元系材料电流上限制层7，再在电流上限制层7上制备相互分立的上电极6和多层介质薄膜DBR上反射镜9。

GaN和AlGaN外延层用目前工艺较成熟的常规MOCVD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基发光材料包括ZnO、ZnMgO、ZnBeO、ZnCdO、ZnNiO等材料。衬底材料是Al₂O₃单晶衬底或用和GaN材料晶格匹配较好的n型SiC单晶衬底，这里所说的n型宽带隙ZnO基三元系材料是MgZnO、ZnBeO、ZnCdO、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；这里所说的多层介质薄膜DBR上反射镜9是由两种折射率不同的介质薄膜周期排布而成，如多对SiO₂/Si₃N₄、多对SiO₂/ZrO₂、多对SiO₂/TiO₂、多对Ta₂O₅/SiO₂和多对HfO₂/SiO₂等介质薄膜周期排布。上、下电极材料用Au、Ni-Au、Ti-Au、Zn-Au和Pt-Au等合金材料。

进一步地，为了将注入激光器的电流限制在一个面积较小的区域，本发明提出四种具有电流限制窗口11的器件结构和制备方法。