[发明专利]一种电注入GaN垂直腔面发射激光器结构及其制备方法

说明书

本发明属于半导体光电子技术领域，涉及一种电注入GaN垂直腔面发射激光器(VCSEL)结构及其制备方法，包括底部分布布拉格反射镜(DBR)和顶部DBR以及电流注入孔径的制作方法，从而实现GaN基VCSEL电注入激光光源。本发明提出一种带有VCSEL电流注入层外延结构，即在隧道结上方外延生长一层电流注入层，然后利用电化学刻蚀工艺制备出电流注入孔径。本发明无需二次外延生长顶部DBR结构，只需一次外延生长即可完成GaN垂直腔面发射激光器完整外延结构，从而能够保证获得高质量的外延材料。本发明提出的VCSEL电流注入结构能有效地限制侧向电流的扩散，提高电流注入多量子阱有源区的均匀性，降低器件的阈值电流密度，从而有利于实现VCSEL电注入激光光源。

技术领域

本发明涉及一种电注入GaN垂直腔面发射激光器结构及其制备方法，属于半导体光电子技术领域。

背景技术

垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，简称VCSEL)，其谐振腔是利用在有源区(Active region)的上下两边形成两个具有高反射率的分布布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflector,简称DBR)构成，激光沿着材料外延生长方向垂直出射。与边发射激光器(Edge Emitting Laser，简称EEL)相比，VCSEL具有圆形光斑，易与光纤进行耦合，不必解理即可完成工艺制作和检测，易于实现大规模阵列及光电集成等优势。氮化镓(GaN)基VCSEL可应用于高密度光存储(波长越短存储密度越高)、高分辨率激光印刷、激光显示和照明、生物光子学以及原子光学等应用领域。

近二十年来，研究开发GaN基VCSEL已经成为光电子研究领域中的国际前沿和热点，国内外都投入了大量的人力和物力进行基础和应用开发研究。然而，与GaN基EEL或者GaAs基VCSEL相比，GaN基VCSEL的研究开发进展则相对缓慢，其主要原因是外延生长高质量的氮化物异质结(AlN/GaN、AlGaN/GaN或AlInN/GaN)DBR非常困难。为了降低外延生长氮化物异质结DBR的难度，研究人员采用外延生长氮化物异质结DBR(Epitaxial DBR)和介质膜DBR(Dielectric DBR)组成的混合式VCSEL结构，在衬底上外延生长底部氮化物异质结DBR与发光层，再镀膜沉积顶部介质膜DBR。由于介质膜DBR不受晶格匹配的限制，可以自由选用折射率差值大的两种介质材料，因此更易于获得高反射率和高反射带宽。1999年《Science》杂志报道了日本东京大学的研究小组利用外延生长的AlGaN/GaN氮化物底部DBR和ZrO2/SiO2介质膜顶部DBR组成的混合式VCSEL，率先实现了室温脉冲激射。2010年台湾交通大学的研究小组外延生长了AlN/GaN DBR和Ta2O5/SiO2介质膜DBR结构的混合式VCSEL，实现了室温连续电注入激射，阈值电流密度为12.4KA/cm2；2015年实现了VCSEL的阈值电流密度为10.6KA/cm2，输出功率达到0.9mW。2012年瑞士洛桑凝聚态物理研究所研制了GaN衬底上外延生长晶格匹配的AlInN/GaN底部DBR和TiO2/SiO2介质膜顶部DBR结构的混合式VCSEL，实现了室温脉冲电注入VCSEL激射。与此同时，一些研究者提出了双介质膜DBR结构的(Dielectric DBR)VCSEL，即通过薄膜转移的方式去除原始衬底，从而实现由底部和顶部两部分介质膜DBR构成的VCSEL。2012年日本松下公司实现了ZrO2/SiO2双介质膜DBR结构VCSEL室温连续电注入激射。2014年厦门大学研究小组实现了ZrO2/SiO2双介质膜DBR结构VCSEL室温连续电注入激射，其阈值电流密度降低至1.2KA/cm2。2015年美国加州大学圣巴巴拉分校的研究小组实现了Ta2O5/SiO2双介质膜DBR结构VCSEL在室温下脉冲激射，在采用厚度小于50nm的ITO膜内腔电极时，器件阈值电流密度达到了8KA/cm2；当进一步采用隧道结代替吸收系数较大的ITO膜内腔电极时，器件的阈值电流密度下降至3.5KA/cm2。2016年日本索尼公司报道了Ta2O5/SiO2和SiN/SiO2双介质膜DBR结构VCSEL，器件的阈值电流密度为22KA/cm2，室温连续输出功率达到了1.1mW。