可调谐光发射器件及其制备方法与流程

本发明涉及发射光源技术领域，具体涉及一种可调谐光发射器件及其制备方法。

背景技术：

采用谐振腔的发光器件例如垂直谐振腔表面发射激光器(vcsel,verticalcavitysurfaceemittinglaser)和谐振腔发光二极管(rcled,resonantcavitylightemittingdiode)，与传统的边发射激光器和发光二极管相比，不仅具有阈值低、能够与光纤高效耦合、具有圆形对称光斑、能够进行动态单模工作、以及制作成本低等优势，还具有可以实现高密度二维集成和高功率输出的特点，因此，谐振腔发光器件具有广阔的应用前景，在近年来一直是国际研究的热点。

可调谐发光器件由于具有宽波段调谐范围，具有广泛的应用前景。然而，目前的可调谐发光器件的调谐范围很小，通常在几个纳米左右的范围内。

技术实现要素：

为了克服以上问题，本发明旨在提供一种可调谐谐振腔面光发射器件，实现发光波长在宽范围内的人工可调谐。

为了达到上述目的，本发明提供了一种可调谐光发射器件，具有一外延层结构，位于外延层结构两侧的上反射镜和下反射镜，以及分别与外延层结构相连的上电极和下电极；所述外延层结构具有第一类型外延层、第二类型外延层、位于第一类型外延层和第二类型外延层之间的有源区；第一类型不同于第二类型；所述有源区采用不同尺寸、不同材料和/或不同结构的量子结构和/或纳米结构。

在一些实施例中，所述量子结构包括量子点、量子线、量子阱中的一个或多种混合。

在一些实施例中，所述纳米结构包括纳米棒、纳米片、纳米花的一种或多种混合。

在一些实施例中，所述有源区结构的材料包括量子阱、量子线、量子点、纳米棒、纳米线、纳米片、纳米花、纳米球的一种或多种混合。

在一些实施例中，所述有源区结构的材料在至少一个方向上的尺寸不大于1000nm。

在一些实施例中，所述量子结构的材料包括inn、gan、aln、inas、gaas、alas、inp、gap、alp的一种或多种的混合物。

在一些实施例中，所述第一类型为n型，第二类型为p型；或，第一类型为p型，第二类型为n型；第一类型外延层和第二类型外延层为gan基半导体；或者，

第一类型外延层和第二类型外延层为gaas基半导体；或者，

第一类型外延层和第二类型外延层为inp基半导体。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种上述的可调谐光发射器件的制备方法，包括：

步骤01：提供一衬底；

步骤02：在衬底上依次生长所述第一类型外延层、所述有源区和所述第二类型外延层，从而形成外延层结构；

步骤03：去除或者减薄衬底，并且在所述外延层结构两侧分别形成上反射镜和下反射镜、上电极和下电极。

在一实施例中，所述步骤02中，所述有源区的制备包括：

步骤201：降低衬底温度至第一温度，于第一时间段内提供用于生长有源区的前驱物气体；

步骤202：经过第一时间段后，于第二时间段内停止提供所述前驱物气体；

步骤203：经第二时间段后，结束有源区的制备。

在一实施例中，所述第一温度低于所述第一类型外延层的生长温度。

在一实施例中，所述第一时间段大于第二时间段。

在一实施例中，所述有源区的制备采用分子束外延工艺、金属有机物化学气相外延工艺制备。

本发明的可调谐谐振腔光发射器件，采用宽光谱增益有源区，得到了可调谐增益特性。结合谐振腔效应，得到了发光波长在不同模式之间可调谐输出特性。由于采用了不同尺寸、不同结合和不同化学组分的纳米结构和/或量子点结构，引起能带结构变化，从而使得发光位置发生变化，实现可调谐范围和调谐灵活性。

附图说明

图1为本发明的一个较佳实施例的外延层结构示意图；

图2为本发明的一个较佳实施例的可调谐谐振腔面光发射器件的结构示意图；

图3为本发明的一个较佳实施例的可调谐谐振腔面光发射器件的制备方法的流程示意图；

图4~6为本发明的一个较佳实施例的可调谐谐振腔面光发射器件的制备方法的各制备步骤示意图；

图7为本发明的图2所示的可调谐谐振腔面光发射器件在20μa电流下的发光光谱；

图8为本发明的图2所示的可调谐谐振腔面光发射器件在1ma电流下的发光光谱；

图9为本发明的图2所示的可调谐谐振腔面光发射器件在20ma电流下的发光光谱。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

本发明的可调谐谐振腔面光发射器件，具有一外延层结构，位于外延层结构两侧的上反射镜和下反射镜，分别与外延层结构相连的上电极和下电极；外延层结构具有第一类型外延层、第二类型外延层、位于第一类型外延层和第二类型外延层之间的有源区。通过设置有源区采用不同尺寸、不同材料和不同结构的量子结构和/或纳米结构，从而实现宽光谱增益有源区，得到了可调谐增益特性。第一类型可以n型，第二类型可以为p型；或者，第一类型可以为p型，第二类型可以为n型。

以下结合附图1~9和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。

请参阅图1，本实施例中，外延层结构可以为gan基半导体外延层结构，从下往上依次可以包括gan缓冲层12，n型gan外延层13，有源区14，p型gan外延层15。需要说明的是，有源区14的材料为inn、gan、aln的一种或多种的混合物，有源区结构包括量子阱、量子线、量子点、纳米棒、纳米线、纳米片、纳米花、纳米球的一种或多种混合。较佳的，有源区结构的材料在至少一个方向上的尺寸不大于1000nm。例如，量子结构的尺寸可以不大于200nm，纳米结构的尺寸可以不大于1000nm。相对应的，本实施例的可调谐谐振腔面光发射器件，如图2所示，在外延层结构上设置有上电极26和上反射镜27，在外延层结构下方设置有下电极24和下反射镜22。具体的，从下往上依次可以包括：铜基底21，掩埋在铜基底21上部分中的下反射镜22；下反射镜22两侧的外延层结构底部设置有下电极24，下电极24上设置有电流限制层25，电流扩展层23位于电流限制层24中且与下反射镜22顶部接触连接。电流扩展层23顶部与外延层结构底部接触连接。在外延层顶部且对应于下反射镜22上方设置有上反射镜27，外延层结构顶部且位于非上反射镜区域设置有下电极26。

本实施例中，上反射镜27和下反射镜22的材料可以为介质材料，也可以与量子结构的材料相同。介质材料可以但不限于为氧化物，还可以为多层氧化物介质材料，例如sio2/ta2o5多层膜结构。上反射镜27和下反射镜22均可以为多层膜结构。

较佳的，下反射镜22和上反射镜27采用分布式布拉格反射镜（dbr），采用的介质膜材料可以为与外延层结构中n型gan外延层13和p型gan外延层15相同的材料，例如gan基材料。较佳的，可以为gan/aln或gan/algan多层膜结构。上电极导电类型和与之接触的外延层的导电类型相同，这里与之接触的为p型gan外延层15，因此，上电极为p型cr/au电极，同理，下电极可以为n型cr/au电极。

在本发明的其它实施例中，外延层结构还可以为gaas基外延层结构，从下往上依次包括gaas缓冲层，n型gaas外延层，inas/gaas混合物有源区，p型gaas外延层。需要说明的是，有源区材料为inas、gaas、alas的一种或多种的混合物，有源区结构不局限于量子结构，也可以是纳米-量子混合结构。这样，与之相对应的上反射镜和下反射镜的材料可以为gaas基材料。较佳的，此时上反射镜和下反射镜的材料均可以为gaas/alas或gaas/algaas多层膜结构。相对应的，上电极和下电极的材料可以有所变化，例如n侧的下电极可以为auge/au，p侧的上电极可以为an/zn/au。

在本发明的另一实施例中，外延层结构还可以为inp基外延层结构，从下往上依次包括inp缓冲层，n型inp外延层，ingaasp混合物有源区，p型inp外延层。需要说明的是，有源区的材料ingaasp是gaas、inas、gap、inp的混合物，有源区结构不局限于量子结构，也可以是纳米-量子混合结构。这样，与之相对应的上反射镜和下反射镜的材料可以为inp基材料、介质膜材料或者半导体-介质膜组合材料。较佳的，此时上反射镜和下反射镜的材料均可以为sio2/si多层膜结构。相对应的，上电极和下电极的材料可以有所变化，例如n侧的下电极可以为auge，p侧的上电极可以为au/zn/au/ti/au/ni/au。

请参阅图3，本实施例中，以gan基半导体为例，上述可调谐谐振腔面光发射器件的制备方法，可以包括如下步骤：

步骤01：提供一衬底。

具体的，请参阅图4，这里的衬底可以但不限于为蓝宝石衬底s。后续外延层结构制备完成后，蓝宝石衬底还要去除掉。

步骤02：在衬底上依次生长第一类型外延层、有源区和第二类型外延层，从而形成外延层结构。

具体的，请参阅图5，本步骤02中，可以在蓝宝石衬底s上依次形成n型gan外延层13、有源区14和p型gan外延层15。还可以在蓝宝石衬底s和n型gan外延层13之间形成一层过渡层12。在n型gan外延层13制备好之后，开始有源区的制备，具体可以包括：

步骤201：降低衬底温度至第一温度，于第一时间段内提供用于生长有源区的前驱物气体；这里，第一温度低于n型外延层13的生长温度；n型外延层生长13之后，将蓝宝石衬底s的加热温度降低，通入所要生长的量子结构或纳米结构的前驱物气体，于第一温度、第一时间下反应形核生长呈连续薄膜。这里，针对n型gan外延层13采用gan基材料，通入含in杂质的气体，降低蓝宝石衬底s温度，提高in在gan基材料中的掺入量，并且于第一时间内形成连续的ingan薄膜。

步骤202：经过第一时间段后，于第二时间段内停止提供前驱物气体；这里，停止提供前驱物气体，而温度仍保持在第一温度，使得连续薄膜能够通过应力释放形成不同尺寸、不同结构以及不同组分的量子结构或纳米结构；例如，ingan-gan复合量子结构、或ingan-gan复合纳米结构，或ingan-gan复合量子结构和ingan-gan复合纳米结构的混合。较佳的，第一时间段大于第二时间段，从而能够得到更多的不同尺寸、不同结构以及不同组分的量子结构或纳米结构。

步骤203：经第二时间段后，结束有源区的制备。

步骤03：去除或部分减薄衬底，并且在外延层结构两侧分别形成上反射镜和下反射镜、上电极和下电极。

具体的，请参阅图6，在外延层结构两侧分别形成上反射镜27和下反射镜22、上电极26和下电极24。关于上反射镜27、下反射镜22、上电极26和下电极24的制备均可以采用现有工艺，这是本领域技术人员可以知晓的，这里不再赘述。可以先形成下电极24、下反射镜22，然后形成上电极26、上反射镜27。需要说明的是，衬底的去除是在形成下电极之后，其中，可以但不限于采用剥离工艺去除衬底，或者采用化学机械研磨工艺或等离子体干法刻蚀工艺来减薄衬底。

此外，在本发明的其它实施例中，本步骤02中，制备有源区时采用薄膜生长方法可以采用分子束外延（mbe）和金属有机物化学气相外延工艺（mocvd、movpe）制备。利用分子束外延工艺分别形成不同尺寸、不同材料成分和/或不同形貌的纳米结构，或者不同尺寸、不同材料成分和/或不同形貌的纳米结构量子结构；或者，不同尺寸、不同材料成分和/或不同形貌的纳米结构，以及不同尺寸、不同材料成分和/或不同形貌的纳米结构量子结构。

请参阅图7~9，图7为图2所示的可调谐谐振腔面光发射器件在20μa电流下的发光光谱；图8为图2所示的可调谐谐振腔面光发射器件在1ma电流下的发光光谱；图9为图2所示的可调谐谐振腔面光发射器件在20ma电流下的发光光谱。从图7可以看到，在小注入电流20μa下发光光谱，发光主要集中在564nm，为黄绿光。从图8可以看到，在中等注入电流1ma下发光光谱，发光分布在黄绿光（564nm）、蓝绿光（490nm）、紫光（425nm）几个特定的强耦合波长。从图9可以看到，在大等注入电流20ma下发光光谱，发光分布在紫光区域（435nm）。可以看到，从564nm到435nm，波长调谐范围达到了129nm。

因此，本发明中采用不同尺寸、不同结构和/或不同成分的有源区，使得器件洁颜油可调谐增益特性。并且结合谐振腔效应，使得发光波长可调谐输出。发光波长调谐范围从黄绿光到紫光，实现了大范围调谐。相对于传统的可调谐发光器件的制备方法，本发明不需要复杂的材料生长过程和制备工艺，简化了工艺过程、降低了器件制备难度，具有广泛的应用前景。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。