本发明涉及一种新型的半导体微腔激光器结构及其制备方法，特别涉及一种新型的、易实现电注入激射的iii-v族氮化物半导体微腔激光器结构及其制备方法，属于半导体光电技术领域。
背景技术：
iii-v族氮化物半导体被称为第三代半导体材料，具有禁带宽度大、化学稳定性好、抗辐照性强等优点；其禁带宽度涵盖从深紫外、整个可见光、到近红外范围，可用于制作发光二极管和激光器等。回音壁模式(whispering-gallerymode)微腔激光器具有模式体积小、品质因子高、阈值低等优点。基于iii-v族氮化物半导体材料的微腔激光器，可用于光纤通信、光学存储和化学生物探测等等，不仅如此，生长在si衬底上的iii-v族氮化物半导体微腔激光器还可以用于光电集成。基于此，iii-v族氮化物半导体微腔激光器受到了学术界和产业界的广泛关注。
常规氮化物半导体微腔激光器通常生长在蓝宝石衬底、自支撑gan衬底或si衬底上，为了增强微腔激光器的光学限制，通常采用空气作为上、下光学限制层，即采用“蘑菇”状结构。对于生长在蓝宝石衬底或自支撑gan衬底上的氮化物半导体微腔激光器，需在量子阱有源区下方生长ingan/ingan的超晶格牺牲层结构，通过光辅助的电化学腐蚀来刻蚀微腔激光器边沿下方的ingan/ingan超晶格，从而形成空气下光学限制层。
对于生长在si衬底上的氮化物半导体微腔激光器，为了采用空气作为下光学限制层，需刻蚀到si衬底，然后采用溶液湿法腐蚀暴露出来的si，从而形成“蘑菇”状的结构。如专利cn105337168a所示，利用光刻工艺和深硅刻蚀工艺制备氮化物微腔结构，在光泵浦条件下，可获得回音壁模激光输出。此外，还可以通过在背面套刻，然后采用深硅刻蚀工艺，将微腔底部的si衬底全部刻蚀掉，从而形成氮化物悬空薄膜微腔结构，如专利cn104009393a所示。
现有微腔激光器均只能实现光泵浦激射，无法实现电注入激射；不仅如此，现有微腔激光器还存在热阻大、制作工艺复杂、稳定性差、机械支撑差等缺点，很难实际应用。
首先，现有氮化物微腔激光器均无法实现电注入激射。现有的氮化物微腔激光器结构，不管是蓝宝石衬底、自支撑gan衬底或si衬底上，均采用“蘑菇”状结构，空气作为上、下光学限制层，以增强激光器的光场限制。然而为实现电注入激射，电流必须从微腔激光器上面注入，因此需要制作上电极。由于氮化物微腔激光器上面的p型层横向电阻远大于n型层的横向电阻，大部分注入的电流均聚集在器件的p型电极下方，因此需在微腔激光器电流注入区的正上方沉积接触电极，接触电极会代替空气成为微腔激光器的上光学限制层，产生很强的光吸收。不仅如此，接触电极还会影响激光器内部的光场分布，造成光场分布不对称，导致微腔激光器光学限制因子减小，光学损耗变大，微腔激光器无法激射。对于现有的si衬底氮化物微腔激光器，由于采用“蘑菇”状结构，n电极必须做在si衬底上，电流注入需通过si衬底，然而si衬底和gan材料中间有非掺杂、电阻很高的aln/algan(aln:6.2ev,gan:3.4ev)缓冲层，因此器件的电阻非常大，更加无法实现电注入激射。
其次，现有的氮化物半导体微腔激光器的热阻很大，器件工作时有源区的结温很高，严重影响了微腔激光器的器件性能和寿命。对于“蘑菇”状结构的氮化物微腔激光器，边沿的ingan/ingan超晶格牺牲层或si衬底已经被去除，而微腔激光器工作时，器件边沿区域为光场的主要传播区，将产生大量的热量，这些热量无法直接向下传导到热沉中，导致器件的热阻很大。对于氮化物悬空薄膜微腔结构，如专利cn104009393a所示，由于微腔激光器底部悬空，激光器产生的大量热量无法及时传导，导致器件热阻很大，工作时结温很高，不仅影响激光器的内量子效率和阈值电流，还将严重影响器件的可靠性。
再次，现有的氮化物半导体微腔激光器的机械支撑强度和稳定性均较差，很难实际应用。对于“蘑菇”状结构的氮化物微腔激光器，边沿的ingan/ingan超晶格牺牲层或si衬底已经被去除，器件只通过微腔激光器底部中间的小柱子支撑，由于柱子尺寸很小，因此器件的机械支撑强度和稳定性很差。对于氮化物悬空薄膜微腔结构，由于微腔激光器底部悬空，这种器件的机械支撑强度和稳定性更差。
最后，现有的氮化物半导体微腔激光器的制备工艺复杂，很难保证器件的一致性和重复性。对于“蘑菇”状结构的氮化物微腔激光器，需采用光电化学腐蚀去除ingan/ingan超晶格牺牲层，或湿法腐蚀去除si衬底，由于微腔激光器的尺寸很小，且为圆形或多边形，随着腐蚀时间的增加，需要腐蚀的区域将逐渐减小，腐蚀速率将会变化，因此很难实现对片内微腔激光器支撑柱大小和尺寸的精确控制，很难保证器件的一致性和重复性。
除此之外，现有的生长在蓝宝石衬底、自支撑gan衬底或si衬底上的氮化物半导体微腔激光器，还各自存在一些其它的缺点。
对于现有的生长在蓝宝石衬底或自支撑gan衬底上的氮化物半导体微腔激光器，为了实现“蘑菇”状结构，需在量子阱有源区下方生长ingan/ingan超晶格牺牲层结构。生长超晶格牺牲层结构，会导致量子阱有源区的晶体质量变差，影响器件的内量子效率，从而影响微腔激光器的器件性能和可靠性。
对于现有的生长在si衬底上的氮化物半导体微腔激光器，一般采用“蘑菇”状结构，如专利cn105337168a所示。这种“蘑菇”状结构的氮化物微腔激光器光腔内部有低质量高位错缺陷密度的aln/algan缓冲层，这些低质量高缺陷密度的缓冲层会产生很强的光吸收或非辐射复合，增加激光器的光损耗。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种新型的、易实现电注入激射的氮化物半导体微腔激光器结构及其制备方法，以克服现有技术的不足。本发明将采用alingan、ito、azo、igzo、多孔gan、ag、al、zno、mgo、si、sio2、sinx、tio2、zro2、aln、al2o3、ta2o5、hfo2、hfsio4、alon等材料中的任意一种或两种以上的组合作为微腔激光器的光学限制层，可以在保证强光学限制的前提下，大幅降低激光器的热阻，提升器件性能。本发明提出的新型氮化物半导体微腔激光器结构具有易实现电注入、热阻小和稳定性及可靠性好等优点，可大幅增强氮化物半导体微腔激光器的性能和寿命。
为实现上述发明目的，本发明包含三个技术方案，其中技术方案一为：
在衬底上生长氮化物半导体微腔激光器结构，具体包括n型接触层、下光学限制层、下波导层、有源区、上波导层、电子阻挡层、上光学限制层和p型接触层，如图1所示。
清洗外延片，在p型接触层上整面沉积p型欧姆接触电极，并进行欧姆接触退火，以形成较好的欧姆接触，如图2所示。
在p型欧姆接触电极上旋涂光刻胶，进行光刻，随后采用干法刻蚀技术刻蚀到n型接触层，形成微腔激光器的侧壁，如图3所示。
随后采用湿法腐蚀，去除微腔激光器侧壁的刻蚀损伤，同时得到光滑陡直的微腔激光器侧壁。
通过光刻和金属沉积工艺，形成激光器的n型欧姆接触电极和p型加厚电极，如图4a所示，然后进行衬底减薄、研磨和抛光；或者进行衬底减薄、研磨和抛光，然后在衬底背面沉积n型欧姆接触电极，如图4b所示。
形成氮化物微腔激光器管芯，如图5所示。
技术方案二为：
在衬底上生长氮化物半导体微腔激光器结构，具体包括n型接触层、下光学限制层、下波导层、有源区、上波导层、电子阻挡层、上光学限制层和p型接触层，如图6所示。
清洗外延片，在p型接触层上整面沉积p型欧姆接触电极，并进行欧姆接触退火，以形成较好的欧姆接触，如图7所示。
在p型欧姆接触电极上旋涂光刻胶，进行光刻，随后采用干法刻蚀去除电流非注入区的欧姆接触电极和部分外延层，如图8所示。
沉积绝缘介质膜，以阻止电流从这些刻蚀区域注入，并进行剥离，如图9所示。
继续在p型欧姆接触电极和绝缘介质膜上旋涂光刻胶，进行光刻，随后采用干法刻蚀技术刻蚀到n型接触层，形成微腔激光器的侧壁，如图10所示。
随后采用湿法腐蚀，去除微腔激光器侧壁的刻蚀损伤，同时得到光滑陡直的微腔激光器侧壁。
通过光刻和金属沉积工艺，形成激光器的n型欧姆接触电极和p型加厚电极，如图11a所示，然后进行衬底减薄、研磨和抛光；或者进行衬底减薄、研磨和抛光，然后在衬底背面沉积n型欧姆接触电极，如图11b所示。
形成氮化物微腔激光器管芯，如图5所示。
技术方案三为：
在衬底上生长部分氮化物半导体微腔激光器结构，具体包括n型接触层、下光学限制层、下波导层、有源区、上波导层、电子阻挡层、p型接触层，如图12所示。
清洗外延片，在p型接触层上整面沉积上光学限制层和欧姆接触电极，并进行欧姆接触退火，以形成较好的欧姆接触，如图13所示。
在p型欧姆接触电极上旋涂光刻胶，进行光刻，随后采用干法刻蚀技术刻蚀到n型接触层，形成微腔激光器的侧壁，如图14所示。
随后采用湿法腐蚀，去除微腔激光器侧壁的刻蚀损伤，同时得到光滑陡直的微腔激光器侧壁。
通过光刻和金属沉积工艺，形成激光器的n型欧姆接触电极和p型加厚电极，如图15a所示，然后进行衬底减薄、研磨和抛光；或者进行衬底减薄、研磨和抛光，然后在衬底背面沉积n型欧姆接触电极，如图15b所示。
形成氮化物微腔激光器管芯。
所述衬底材料可以是gan、aln、蓝宝石、sic、si中的任意一种或两种以上的组合。
所述微腔激光器中上、下光学限制层包括alingan、ito、azo、igzo、多孔gan、ag、al、zno、mgo、si、sio2、sinx、tio2、zro2、aln、al2o3、ta2o5、hfo2、hfsio4、alon中的任意一种或两种以上的组合。
所述微腔激光器n、p型接触层，上、下光学限制层和上、下波导层的材料包括alx1iny1ga1-x1-y1n，其中，x1和y1均大于或等于0，而小于或等于1，0≤(x1+y1)≤1；和/或，所述量子阱有源层的材料包括alx2iny2ga1-x2-y2n/alx3iny3ga1-x3-y3n，x2、y2，x3和y3均大于或等于0，而小于或等于1，且(x2+y2)和(x3+y3)均大于或等于0，而小于或等于1。
所述微腔激光器侧壁的刻蚀损伤可通过湿法腐蚀去除，其中湿法腐蚀为koh、naoh、tmah碱性溶液或h3po4、hf、hno3酸性溶液中的任意一种或两种以上的组合。
所述微腔激光器的欧姆接触金属可以是ni、ti、pd、pt、au、al、tin、ito和igzo中的任意一种或两种以上的组合。
所述微腔激光器可以为圆盘形、圆环形、螺旋形、四边形、六边形、八边形、十二边形或者其它形状等结构中的任意一种或两种以上的组合，微腔激光器可以带波导输出或直接输出。
所述微腔激光器的尺寸大于0，小于1mm。
与现有技术相比，本发明中提出的氮化物半导体微腔激光器具有易实现电注入、热阻小和稳定性及可靠性好等优点。
(1)本发明提出的氮化物半导体微腔激光器容易实现电流注入。氮化物半导体微腔激光器的n电极可以沉积在高si掺的n型接触层上或导电的衬底背面，电流可以通过n型接触层或衬底注入到有源区，而无需通过高阻的aln/algan缓冲层，因此本发明提出的氮化物半导体微腔激光器容易实现电流注入。
(2)本发明提出的氮化物半导体微腔激光器热阻小。由于采用非空气限制层结构，如alingan、ito、azo、igzo、多孔gan、ag、al、zno、mgo、si、sio2、sinx、tio2、zro2、aln、al2o3、ta2o5、hfo2、hfsio4、alon等材料中的任意一种或两种以上的组合，微腔激光器边沿区域产生的热量可以直接向下传导，器件的热阻将会大幅下降。我们的计算结果表明当采用algan光学限制层时，微腔激光器的热阻仅为现有“蘑菇”状微腔激光器结构的5％左右，这将会大幅提升激光器的性能和可靠性。
(3)本发明提出的氮化物半导体微腔激光器为柱状结构，无需形成“蘑菇”状结构，器件机械强度好；无需进行光辅助的电化学腐蚀，制作工艺简单可控，器件的一致性很好。
综上，本发明提出的新型氮化物半导体微腔激光器结构具有易实现电注入、热阻小和稳定性及可靠性好等优点，可大幅增强氮化物半导体微腔激光器的性能和寿命。特别是在si衬底氮化物半导体微腔激光器中，本发明提出的新型氮化物半导体微腔激光器可发挥更加重要的作用。
附图说明
图1所示为技术方案一中氮化物半导体微腔激光器结构外延片截面示意图。
图2所示为技术方案一中形成p型欧姆接触后微腔激光器结构的截面示意图。
图3所示为技术方案一中刻蚀出n台面后微腔激光器结构的截面示意图。
图4a和图4b所示为技术方案一中沉积n型欧姆接触后微腔激光器结构的截面示意图。
图5所示为技术方案一中微腔激光器结构的俯视示意图。
图6所示为技术方案二中氮化物半导体微腔激光器结构外延片截面示意图。
图7所示为技术方案二中形成p型欧姆接触后微腔激光器结构的截面示意图。
图8所示为技术方案二中刻蚀出环形结构后微腔激光器结构的截面示意图。
图9所示为技术方案二中沉积绝缘介质膜后微腔激光器结构的截面示意图。
图10所示为技术方案二中刻蚀出n台面后微腔激光器结构的截面示意图。
图11a和图11b所示为技术方案二中沉积n型欧姆接触后微腔激光器结构的截面示意图。
图12所示为技术方案三中氮化物半导体微腔激光器结构外延片截面示意图。
图13所示为技术方案三中沉积上光学限制层和p型欧姆接触电极后微腔激光器结构的截面示意图。
图14所示为技术方案三中刻蚀出n台面后微腔激光器结构的截面示意图。
图15a和图15b所示为技术方案三中沉积n型欧姆接触后微腔激光器结构的截面示意图。
图16所示为采用技术方案二制备的si衬底氮化物半导体激光器器件实物的电子扫描显微镜照片。
图17为采用技术方案二制备的si衬底氮化物半导体激光器实物器件的测试结果。
图中101为技术方案一中衬底，102为技术方案一中n型接触层，103为技术方案一中下光学限制层，104为技术方案一中下波导层，105为技术方案一中有源区，106为技术方案一中上波导层，107为技术方案一中电子阻挡层，108为技术方案一中上光学限制层，109为技术方案一中p型接触层，110为技术方案一中p型欧姆接触电极，111为技术方案一中p型加厚电极，112为技术方案一中n型欧姆接触电极。201为技术方案二中衬底，202为技术方案二中n型接触层，203为技术方案二中下光学限制层，204为技术方案二中下波导层，205为技术方案二中有源区，206为技术方案二中上波导层，207为技术方案二中电子阻挡层，208为技术方案二中上光学限制层，209为技术方案二中p型接触层，210为技术方案二中p型欧姆接触电极，211技术方案二中为光刻胶，212为技术方案二中绝缘介质膜，213为技术方案二中p型加厚电极，214为技术方案二中n型欧姆接触电极。301为技术方案三中衬底，302为技术方案三中n型接触层，303为技术方案三中下光学限制层，304为技术方案三中下波导层，305为技术方案三中有源区，306为技术方案三中上波导层，307为技术方案三中电子阻挡层，308为技术方案三中p型接触层，309为技术方案三中上光学限制层，310为技术方案三中p型欧姆接触电极，311为技术方案三中p型加厚电极，312为技术方案三中n型欧姆接触电极。
具体实施方式
实施例一：采用技术方案一制作gan自支撑衬底蓝光微腔激光器。
s1：采用金属有机物化学气相沉积(mocvd)设备在gan自支撑衬底上生长gan基蓝光微腔激光器结构，具体包括1500nmn-gan接触层，130对n-al0.16ga0.84n/gan超晶格结构，其中每层厚度2.5nm，作为下光学限制层，100nmn-in0.03ga0.97n下波导层，3对in0.16ga0.84n/gan多量子阱，其中每层in0.16ga0.84n量子阱2.5nm，每层gan垒15nm，80nm非故意掺杂的in0.03ga0.97n上波导层，20nm的p-al0.2ga0.8n电子阻挡层，100对p-al0.16ga0.84n/gan超晶格结构，其中每层厚度2.5nm，作为上光学限制层，30nm的p-gan接触层，如图1所示。
s2：采用丙酮、酒精、盐酸和去离子水清洗外延片，在p-gan接触层上依次沉积5nm的ni和50nm的au，并利用快速退火炉在压缩空气气氛中500℃退火3分钟，以形成较好的欧姆接触，如图2所示。
s3：在p型欧姆接触电极上旋涂光刻胶，进行光刻，随后采用干法刻蚀技术刻蚀1700nm，到n型gan接触层，形成微腔激光器的侧壁，如图3所示。
s4：采用80℃的h3po4溶液进行湿法腐蚀，去除微腔激光器侧壁的刻蚀损伤。
s5：在外延片上旋涂光刻胶，进行光刻，然后依次沉积50nmti/50nmpt/100nmau，随后进行剥离，形成n型欧姆接触电极和p型加厚电极，如图4a所示，然后进行衬底减薄、研磨和抛光。或者进行衬底减薄、研磨和抛光，然后在衬底背面沉积50nmti/50nmpt/100nmau，如图4b所示。
s6：形成氮化物微腔激光器管芯，如图5所示。
实施例二：采用技术方案二制作si衬底gan基紫光微腔激光器。
s1：采用金属有机物化学气相沉积(mocvd)设备在si衬底上生长紫光微腔激光器结构，具体包括2500nmn-gan接触层，150对n-al0.2ga0.8n/gan超晶格结构，其中每层厚度3nm，作为下光学限制层，100nmn-gan下波导层，3对in0.1ga0.9n/gan多量子阱，其中每层in0.1ga0.9n量子阱3nm，每层gan垒10nm，100nm非故意掺杂的gan上波导层，20nm的p-al0.25ga0.75n电子阻挡层，100对p-al0.2ga0.8n/gan超晶格结构，其中每层厚度3nm，作为上光学限制层，20nm的p-gan接触层，如图6所示。
s2：采用丙酮、酒精、盐酸和去离子水清洗外延片，在p-gan接触层上依次沉积10nm的pd和100nm的au，并利用快速退火炉在压缩空气气氛中600℃退火5分钟，以形成较好的欧姆接触，如图7所示。
s3：在p型欧姆接触电极上旋涂光刻胶，进行光刻，随后采用离子束刻蚀去除半径2μm的圆区区域内的p型欧姆接触电极和约450nm厚的p型层，如图8所示。
s4：沉积200nm的sio2绝缘介质膜，以阻止电流从离子束刻蚀的区域注入，并进行剥离，如图9所示。
s5：继续在p型欧姆接触电极上旋涂光刻胶，进行光刻，随后采用干法刻蚀技术刻蚀2000nm，到n型gan接触层，形成半径4μm的微腔激光器的侧壁，如图10所示。
s6：采用85℃的koh溶液进行湿法腐蚀，去除微腔激光器侧壁的刻蚀损伤。
s7：在外延片上旋涂光刻胶，进行光刻，然后依次沉积30nmti/30nmpt/500nmau，随后进行剥离，形成n型欧姆接触电极和p型加厚电极，如图11a所示，然后进行衬底减薄、研磨和抛光。
s8：形成氮化物微腔激光器管芯。
实施例三：采用技术方案三制作蓝宝石衬底gan基绿光微腔激光器。
s1：采用金属有机物化学气相沉积(mocvd)设备在蓝宝石衬底上生长gan基绿光微腔激光器结构，具体包括500nmn-gan接触层，500nm重掺杂的n-gan层，100nmn-in0.06ga0.94n下波导层，3对in0.3ga0.7n/gan多量子阱，其中每层in0.3ga0.7n量子阱2nm，每层gan垒8nm，80nm非故意掺杂的in0.06ga0.94n上波导层，20nm的p-al0.2ga0.8n电子阻挡层，20nm的p-gan接触层，如图12所示。
s2：采用丙酮、酒精、盐酸和去离子水清洗外延片，在p-gan接触层上依次沉积350nm的ito，50nm的cr和100nm的au，并利用快速退火炉在压缩空气气氛中550℃退火8分钟，以形成较好的欧姆接触，如图13所示。
s3：在p型欧姆接触电极上旋涂光刻胶，进行光刻，随后采用干法刻蚀技术刻蚀1700nm，到n型gan接触层，形成微腔激光器的侧壁，如图14所示。
s4：采用60℃的koh溶液进行湿法腐蚀，去除微腔激光器侧壁的刻蚀损伤。
s5：采用电化学腐蚀，腐蚀高掺杂的n型gan，以形成多孔gan下光学限制层结构。
s6：在外延片上旋涂光刻胶，进行光刻，然后依次沉积50nmti/50nmpt/300nmau，随后进行剥离，形成n型欧姆接触电极和p型加厚电极，如图15a所示，然后进行衬底减薄、研磨和抛光。
s7：形成氮化物微腔激光器管芯。
实施例四：采用技术方案三制作sic衬底gan基近紫外微腔激光器。
s1：采用金属有机物化学气相沉积(mocvd)设备在sic衬底上生长gan基紫光微腔激光器结构，具体包括2000nmn-gan接触层，700nm重掺杂的n-gan层，100nmn-gan下波导层，3对in0.02ga0.98n/algan多量子阱，其中每层in0.02ga0.98n量子阱2.5nm，每层algan垒10nm，90nm非故意掺杂的gan上波导层，20nm的p-al0.2ga0.8n电子阻挡层，100nm的p-gan接触层，如图12所示。
s2：采用丙酮、酒精、盐酸和去离子水清洗外延片，在p-gan接触层上沉积5nmni和200nmag，ni/ag既可以作为p型欧姆接触电极，又可以作为上光学限制层，随后利用管式退火炉在压缩空气中650℃退火10分钟，以形成较好的欧姆接触，如图13所示。
s3：在p型欧姆接触电极上旋涂光刻胶，进行光刻，随后采用干法刻蚀技术刻蚀1700nm，到n型gan接触层，形成微腔激光器的侧壁，如图14所示。
s4：采用50℃的tmah溶液进行湿法腐蚀，去除微腔激光器侧壁的刻蚀损伤。
s5：采用电化学腐蚀，腐蚀高掺杂的n型gan，以形成多孔gan下光学限制层结构。
s6：在外延片上旋涂光刻胶，进行光刻，然后依次沉积20nmti/100nmpt/600nmau，随后进行剥离，形成n型欧姆接触电极和p型加厚电极，如图15a所示，然后进行衬底减薄、研磨和抛光。
s7：形成氮化物微腔激光器管芯。
采用上述实施方案二(实施例2)，我们在实验中制备了本发明专利所述的电注入激射的氮化物微腔激光器器件，实物器件的扫描电子显微镜照片如图16所示。采用该器件结构，我们实现了国际上第一支si衬底氮化物半导体微腔激光器的室温电注入激射，微腔激光器的性能如图17所示。而采用现有常规技术制备的si衬底氮化物半导体微腔激光器，均无法实现电注入激射。此对比实验很好地说明了本发明专利的实用性及优越性。
应当指出，以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。