[实用新型]一种水平空气柱电流注入孔径结构的垂直腔面发射激光器

说明书

本实用新型属于半导体光电子技术领域，涉及一种水平空气柱电流注入孔径结构的垂直腔面发射激光器（VCSEL）结构及其制备方法，包括底部同质结分布布拉格反射镜（DBR）和顶部同质结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。本实用新型提出一种水平空气柱电流注入孔径结构，包含下电流注入层和上电流注入层，利用电化学刻蚀工艺制备出电流注入孔径。本实用新型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 VCSEL完整外延结构，从而能够保证获得高质量的外延材料。本实用新型提出的一种水平空气柱电流注入结构能有效地限制侧向电流的扩散，降低器件的阈值电流密度，解决GaN基VCSEL电流注入孔径的制作难题。

技术领域

本发明涉及一种水平空气柱电流注入孔径结构的垂直腔面发射激光器及其制备方法，属于半导体光电子技术领域。

背景技术

近二十年来，GaN 基半导体材料在外延生长和光电子器件制备方面均取得了重大科技突破，其中发光二极管（LED）和边发射激光器（EEL）已经实现产业化，但是具有更优越特性的垂直腔面发射激光器(VCSEL)仍处于实验室研究阶段。VCSEL的独特优点包括阈值电流低、易实现单纵模工作、调制频率高、发散角度小、圆形光斑、易与光纤耦合、不必解理即可完成工艺制作和检测，易实现高密度二维阵列及光电集成等。蓝光VCSEL凭借以上优势，在高密度光存储、激光显示、激光打印、激光照明、激光电视、水下通信、海洋资源探测及激光生物医学等领域具有广阔的应用前景。

然而由于VCSEL谐振腔短（仅几微米长），导致其单程增益长度也极短，因此就要求制作的分布布拉格反射镜（DBR）材料质量必须良好，还要求DBR的反射率极高（通常要求达到99%以上）。与GaN基边发射激光器（EEL）或者GaAs基垂直腔面发射激光器（VCSEL）相比，GaN基VCSEL的研究开发进展仍相对缓慢，其主要原因是外延生长高质量的氮化物DBR非常困难以及ITO膜内腔电极高吸收损耗导致较高的阈值电流和较低的光输出。研发GaN基VCSEL已经成为国内外光电子领域研究的前沿和热点，国内外许多研发机构都投入了大量的人力和物力进行基础研究和应用开发，期望实现产业化。我国在GaN基电注入蓝光VCSEL研究方面起步较晚，与国际先进水平差距较大。所以，开展基于水平空气柱电流注入孔径结构的蓝光VCSEL研究具有重要的现实意义。

为了降低外延生长氮化物异质结双DBR的难度，国内外的研究人员报道了一些混合式DBR结构VCSEL的解决方案。例如，采用氮化物异质结底部DBR（Epitaxial DBR）和介质膜顶部DBR (Dielectric DBR)组成的一种混合式DBR结构VCSEL，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Arakawa研究组利用外延生长的AlGaN/GaN底部氮化物DBR和ZrO₂/SiO₂顶部介质膜DBR组成的混合式DBR结构VCSEL，率先实现了室温光注入脉冲激射。2010年台湾交通大学的Hao-Chung Kuo研究组制备了AlN/GaN DBR和Ta₂O₅/SiO₂介质膜DBR的混合式DBR结构VCSEL，实现了室温连续电注入激射，阈值电流密度为12.4KA/cm²；该研究组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Cosendey等人研制了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的混合式DBR结构VCSEL，实现了室温脉冲电注入激射。