[发明专利]用于GaN垂直微腔面发射激光器(VCSEL)的方法

说明书

描述了用于形成具有100nm以下孔径的高度均匀和高孔隙率的氮化镓层的结构和方法。使用浓硝酸中低偏压下重度掺杂的氮化镓的电化学蚀刻来形成多孔氮化镓。多孔层可用于集成光学器件如VCSEL和LED的反射结构。

相关申请

本申请要求2014年9月30日提交的题为“用于GaN垂直微腔面发射激光器(VCSEL)的方法(A Method for GaN Vertical Microcavity Surface Emitting Laser(VCSEL))”的美国临时申请序列第62/057543号的权益，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本技术涉及形成纳米多孔氮化镓材料。多孔氮化镓可用于集成光学器件，例如垂直腔面发射激光器和发光二极管。

背景技术

半导体材料的蚀刻是在微加工(microfabrication)工艺中使用的重要技术。对于半导体制造中使用的许多材料，已经开发了多种不同的蚀刻方法。例如，可以使用产生期望的蚀刻速率和蚀刻形貌的干法(例如，反应性离子蚀刻)或湿法化学蚀刻技术来蚀刻Si和某些氧化物。由于材料的物理和电子特性，III族氮化物如氮化镓(GaN)及其合金材料最近已经呈现出作为对于一些半导体应用而言有吸引力的材料。

III族氮化物材料的一些期望的用途包括用于多种不同的照明应用的微光子器件，例如发光二极管(LED)和半导体激光器。由于其宽带隙， GaN基器件可以产生在可见光谱的蓝色区域的光，因此可以用于产生白光。在制造性和性能方面提供一些优点的一种类型的半导体发光器件是垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emittinglaser，VCSEL)。

垂直腔面发射激光器是在20世纪80年代和90年代概念化和开发的一类半导体激光器。图1中描绘了VCSEL的一般结构。VCSEL与早期半导体激光二极管不同，后者被称为边缘发射激光二极管，其激光腔的方向和激光束的方向平行于半导体基底的平坦表面。对于边缘发射激光器，激光横向于激光器半导体结的方向传播，并从芯片的边缘发射。相比之下，对于VCSEL 100，激光腔170和发射激光束175垂直于其上制造VCSEL 的基底105的平坦表面取向，并且激光束在p-n结的方向上行进。

与传统的边缘发射激光二极管相比，VCSEL 100具有多个优点，包括(1)器件性能的晶圆上测试，(2)更好的光束轮廓和远场图案，(3) 更好的模稳定性和更宽的自由光谱范围，(4)非常低阈值电流的可能性， (5)通常更高的制造产量，(6)更高的封装密度和因此更低的成本，(7) 与平面微加工工艺改善的兼容性。红外和红色光谱范围内的VCSEL目前被用于电信和工业应用。

发明内容

所描述的技术涉及与在氮化镓半导体材料中形成均匀的纳米多孔层相关的方法和结构。根据一些实施方案，纳米多孔层可用于形成集成光学反射结构，例如分布式布拉格反射器(distributed Bragg reflector，DBR) 结构。纳米多孔层可以在室温下使用电化学(EC)蚀刻技术形成。EC蚀刻不需要紫外线或光学辐照来蚀刻氮化镓材料。发明人已经发现，蚀刻工艺的孔形貌和均匀性取决于数个参数(例如，材料掺杂、材料组成、施加的偏压、蚀刻剂或电解质组成和浓度，以及待蚀刻区域的电流扩散)。已经使用所描述的技术制造了适用于VCSEL的高反射DBR结构。

根据一些实施方案，根据本发明实施方案制造的多孔氮化镓层的大部分孔具有小于约100nm的最大横向宽度，并且具有大于30％的体积孔隙率。在一些方面，多孔氮化镓层的超过90％的孔具有小于约100nm的最大横向宽度。在一些方面，氮化镓层的超过一半的孔可以具有约30nm至约90nm的最大横向宽度。在一些方面，氮化镓层的超过70％的孔具有约30nm至约90nm的最大横向宽度。根据一些方面，孔具有均方根表面粗糙度小于约10nm的壁。