[发明专利]基于导电氧化物DBR的氮化物垂直腔面发射激光器的制作方法

说明书

本发明公开了基于导电氧化物DBR的氮化物垂直腔面发射激光器的制作方法，激光器包括依序层叠设置的支撑基板、第一反射镜、电流限制层、p型层、有源区、n型层、第二反射镜以及n电极；其中，第一反射镜、第二反射镜分别由p型、n型导电性氧化物DBR构成；本发明使用具有导电性的氧化物材料制作分布式布拉格反射镜，作为氮化物垂直腔面发射激光器的反射镜，具有优良的导电性能，能够同时作为激光器电极使用，同时，本发明激光器结构中不需要使用透明电流扩展层以及腔内接触电极结构，从而显著地简化了激光器结构以及制备工艺；本方案制作方法与标准半导体制备工艺兼容，可以满足大规模光电器件制备与集成的需要，有着广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及半导体照明、光电子技术领域，尤其涉及基于导电氧化物DBR的氮化物垂直腔面发射激光器的制作方法。

背景技术

垂直腔面发射激光器(VCSEL)相对于传统的边发射激光器而言，具有更窄的线宽、更低的阈值电流以及单纵模工作等优点，其圆形的光斑能够实现与光纤更高效的对准，而垂直的结构则允许其通过简单的工艺实现密集的二维集成。由于其在应用上的广阔前景，近年来成为了国际研究的热点领域。

氮化物材料包含氮化镓(GaN)、氮化铟(InN)、氮化铝(AlN)等，在具有优良的理化特性的基础上，作为一种宽禁带直接带隙半导体，具有很高的辐射复合效率。通过对禁带宽度的调节，其发光波长可以覆盖红外、可见光以及深紫外波段。是制作高效率半导体发光器件的主要材料之一。氮化物垂直腔面发射激光器以其结构简单、腔长易控制以及高复合效率等优点，在全彩显示、高分辨率打印、高密度光存储、医疗应用、人脸识别以及3D成像等领域受到了广泛的关注。

在现有的氮化物垂直腔面发射激光器结构中，谐振腔的上下反射镜通常是由外延生长的氮化物或沉积制备的氧化物介质膜分布式布拉格反射镜(DBR)构成^[1-3]。相对于成熟的砷化物体系而言，在氮化物体系中，寻找合适的DBR材料相对而言较难，很难找到两种具有高折射率对比度且晶格匹配的氮化物合金。目前，在氮化物体系中常用的DBR材料主要有AlN/GaN、AlInN/GaN、AlGaN/GaN等，但是由于这些材料间折射率差异较低，需要更多的对数来达到所需的反射率，这进一步加剧了外延材料中的应力积累，造成材料质量的下降。另一方面，介质膜DBR的导电性较差，造成器件工艺复杂等问题，这对于整个器件的稳定性与寿命具有负面的影响。另外，由于外延生长p型氮化物电导率较低，金属/半导体接触电阻偏高，往往需要增加透明电流扩展层，并在DBR下方制备环形电极，以实现有效的腔内接触和电流注入^[4-6]。这增加了高精度光刻、高质量材料生长等步骤，使制备工艺更加复杂。

因此，在氮化物垂直腔面发射激光器中，找到一种能导电，且具有更高折射率差异的DBR材料体系，能够有效地简化制备工艺，并提高器件稳定性。

在目前使用的DBR方案主要包括氧化物材料与氮化物材料的方案。其中，氮化物DBR具有能够导电的优点，但缺点在于外延生长质量控制较为困难。目前常用的SiO₂、Ti₃O₅、HfO等氧化物DBR在生长制备技术上较为成熟，但其缺点是上述氧化物无法导电，这会增加器件结构的复杂程度。所以，本专利选用具有导电性的氧化物(包括：Ga₂O₃、ZnO、CdO、NiO、CuO、Cu₂O等)DBR作为器件的上下反射镜，能够有效规避现有氮化物DBR生长困难以及氧化物DBR不导电的问题，提供一个在制备难度和导电性上都有优势的方案。

参考文献

[1]Quantum Wells and Cavity-Enhanced Recombination,IEEE Transactionson Electron Devices,vol.65,no.10,pp.4401-4406,2018,doi:10.1109/ted.2018.2866406.