[发明专利]一种GaN基垂直腔面发射激光器及其制备方法

说明书

本发明涉及一种GaN基垂直腔面发射激光器及其制备方法，属于光电子领域，包括导电衬底，导电衬底上制作有金属层，金属层上窗口处制作有介质DBR层，介质DBR层上制作有透明导电层，透明导电层上依次制作有p型半导体层、多量子阱有源层和n型半导体层，n型半导体层上表面生长制备有多孔导电DBR层，多孔导电DBR层上表面制作有绝缘介质层，绝缘介质层覆盖多孔导电DBR层、n型半导体层、多量子阱有源层、p型半导体层以及透明导电层，绝缘介质层上表面制作有n电极。本发明通过金属键合技术将外延结构转移到导电性较好的衬底上，并采用电化学腐蚀形成多孔GaN导电DBR结构，增加器件可工作的电流密度，提高光电性能。

技术领域

本发明涉及一种GaN基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

三族氮化物宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、可覆盖从红外到紫外波段、击穿场强大、耐高温、耐酸碱等独特的物理特性，在光电子和电力电子领域得到广泛的应用，世界各国先后发布关于第三代宽禁带半导体材料和器件的政策和规划来抢占该领域的制高点。GaN基材料属于直接带隙半导体材料且具有连续可调的带隙，由于其稳定的特性，在照明、显示、医疗和通讯等领域具有广泛的应用前景。

垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)与传统的边发射激光器相比，具有体积小、功耗低、单纵模输出、阈值电流低、成本低、易实现大面积阵列及光电集成等优点，应用前景十分广阔，但研究进展相对缓慢，尚未达到实用化水平。对于现阶段GaN基VCSEL的研究，2008年日本日亚通过键合，激光剥离和抛光减薄工艺制备了双介质DBR结构的GaN紫光VCSEL。为了进一步提高器件性能，日亚在GaN体衬底上制备了420nm的紫光VCSEL，室温发射功率达到0.62mW，但阈值电流仍然随着操作时间增加。日本松下同样采用激光剥离、键合和抛光工艺制备了室温激射的紫蓝光VCSEL，并开发了集成阵列结构。

对于GaN材料外延生长工艺中存在的GaN晶格失配问题，由于很难获得质量较好的GaN单晶衬底，目前一般采用与GaN晶格失配和热失配的蓝宝石做衬底。但是由于蓝宝石的导电性、导热性较差，尤其是高电流密度注入时会严重影响器件性能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种GaN基垂直腔面发射激光器及其制备方法，通过金属键合和剥离技术将GaN基外延结构转移到导电性较好的衬底上，并采用选择性电化学腐蚀形成多孔GaN导电DBR结构，增加器件可工作的电流密度，提高光电性能。

本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种GaN基垂直腔面发射激光器，包括导电衬底，所述导电衬底上表面制作有金属层，金属层的上表面中间设置有窗口，所述金属层上表面中间部分窗口处制作有介质DBR层，所述介质DBR层上表面制作有透明导电层，所述透明导电层覆盖介质DBR层和金属层；所述透明导电层上表面依次制作有p型半导体层、多量子阱有源层和n型半导体层，所述n型半导体层上表面生长制备有多孔导电DBR层，所述多孔导电DBR层上表面制作有绝缘介质层，且绝缘介质层的中间形成电流窗口，所述绝缘介质层覆盖多孔导电DBR层、n型半导体层、多量子阱有源层、p型半导体层以及透明导电层，所述绝缘介质层上表面制作有n电极，所述n电极覆盖部分多孔导电DBR层和部分绝缘介质层。

优选的，所述多孔导电DBR层为高孔洞率多孔GaN层和低孔洞率多孔GaN层交替堆叠形成的多周期DBR结构，所述高孔洞率多孔GaN层和低孔洞率多孔GaN层分别由重掺杂GaN层和轻掺杂GaN层经过电化学腐蚀后形成，轻掺杂GaN层与重掺杂GaN层的掺杂剂为硅或锗，其掺杂浓度分别优选为1×10¹⁶～5×10¹⁸cm^-3以及5×10¹⁸～1×10²⁰cm^-3。