[发明专利]ZnO和GaN组合ZnO基端面发射激光器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体发光器件及其制备技术领域，特别是涉及基于ZnO基材料的ZnO和GaN组合ZnO基端面发射激光器及其制备方法。

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(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，在电流下限制层3上制备的n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p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p型ZnO和n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。

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ZnO和GaN组合ZnO基端面发射激光器及其制备方法，以提高激光器输出功率，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Zn_1-xMg_xO(x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n型ZnO基材料发光层4、n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。

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，本发明结合2010101244166.6专利提出一种p型ZnO和n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n型GaN外延层2、GaN外延层2上制备的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、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。