[发明专利]一种基于电介质布拉格反射镜的垂直腔面发射硅衬底GaN激光器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于电介质布拉格反射镜的垂直腔面发射硅衬底GaN激光器及其制备方法，使用深硅刻蚀技术，完全剥离器件底部的硅衬底，再使用电感耦合等离子体反应离子刻蚀技术从背面刻蚀掉AlN层、AlGaN层和部分n‑GaN层来调控垂直谐振微腔长度；垂直谐振微腔顶部和底部的反射镜均由电子束蒸发技术沉积电介质布拉格反射镜实现；位于p型电极键合区下方的绝缘隔离层和顶部反射镜使用一步电子束蒸发工艺同时完成。在制备过程中，可以通过调控相关参数来实现激光波长和出射方向的选择，从而获得波长可调、激光出射方向可控的电泵浦硅衬底GaN激光器。本发明提出的基于电介质布拉格反射镜的垂直腔面发射硅衬底GaN激光器成本低、制备工艺简单，可用于多个领域。

技术领域

本发明涉及信息材料与器件领域，尤其是一种基于电介质布拉格反射镜的垂直腔面发射硅衬底GaN激光器及其制备方法。

背景技术

垂直腔面发射激光器(VCSEL)是一种极具发展前景的新型半导体激光器，是光子学器件在集成化方面的重大突破。垂直腔面发射激光器不同于常规的端面发射激光器，端面发射激光器侧向出光，而垂直腔面发射激光器的出射光与谐振腔表面垂直。这种光腔取向的不同使得垂直腔面发射激光器的性能远远优于常规的端面发射激光器。激光垂直出射使得垂直腔面发射激光器易于形成二维平面阵列；发散角小和圆形对称的远、近场分布使其与光纤的耦合效率显著提高；光学谐振腔长度极短，使得纵模间距拉大，能够让其在较宽的温度范围内进行单纵模工作；动态调制频率高，腔体积小使其自发辐射因子高出常规端面发射激光器几个数量级，从而使得激光器的许多物理特性大为改善，如实现极低阈值甚至无阈值激射、功耗低、热能耗低等。此外，垂直腔面发射激光器易于测试、制备成本低、工艺也与平面硅工艺兼容，便于与电子器件实现光电子集成。

从材料角度看，氮化物材料尤其是GaN材料，具有较高的折射率(～2.5)，在可见光、近红外波段透明，是一种优异的光学材料。传统的氮化镓外延层均是在蓝宝石衬底或碳化硅衬底上生长形成的。但蓝宝石衬底由于硬度高、导电性和导热性差等原因，对后期器件加工和应用带来很多不便，碳化硅衬底同样存在硬度高以及成本昂贵等不足之处。相比而言，硅衬底不仅价格便宜，而且有着优良的导热导电性能和成熟的器件加工工艺等优势，因此硅衬底氮化镓基晶圆受到业界的普遍关注，其制造技术也日益成熟，已经逐步走向市场。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于电介质布拉格反射镜的垂直腔面发射硅衬底GaN激光器及其制备方法，能够解决现有GaN垂直腔面发射激光器通常采用生长方式获得的半导体布拉格反射镜工艺复杂、耗时且不易获得高质量反射镜的问题；硅衬底氮化物晶圆相比现有GaN激光器通常采用的蓝宝石衬底具有很大的成本优势，易于加工，更有利于大规模量产。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于电介质布拉格反射镜的垂直腔面发射硅衬底GaN激光器，以硅衬底氮化物晶圆作为载体，包括硅衬底层、设置在硅衬底层上的AlN层、设置在AlN层上的AlGaN层、设置在AlGaN层上的垂直谐振微腔、以及绝缘隔离层、n型电极和p型电极。

优选的，垂直谐振微腔由n-GaN层、设置在所述n-GaN层上的InGaN多量子阱层、设置在所述InGaN多量子阱层上的p-GaN层、设置在所述p-GaN层上的顶部反射镜和设置在所述n-GaN层下表面的底部反射镜构成。

优选的，p型电极由相连的p型电极导电区和p型电极键合区组成。

优选的，硅衬底氮化物晶圆上表面刻蚀有阶梯状台阶，阶梯状台阶包含上台面和下台面，上台面为p-GaN层上表面，下台面为刻蚀后暴露的n-GaN层上表面；n型电极设置在下台面上；顶部反射镜、p型电极导电区和绝缘隔离层设置在上台面上；p型电极键合区设置在绝缘隔离层上；n-GaN层下方有贯穿硅衬底层、AlN层、AlGaN层至n-GaN层中的空气腔。