电泵浦深紫外AlGaN半导体激光器及其制备方法与流程

本发明涉及半导体激光器制造技术领域，具体涉及电泵浦深紫外algan半导体激光器及其制备方法。

背景技术：

三元合金algan是直接带隙跃迁半导体，具有宽的带隙，禁带宽度随着al组分含量的变化在3.4ev-6.2ev之间连续可调，是制作波长在210nm-365nm之间紫外(1-380nm)及深紫外(<300nm)发光半导体激光器的理想材料。电泵浦的深紫外algan半导体激光器以其独一无二的时空相干性、高光束质量、高功率密度和快速调制特性，在激光精密加工、高密度存储、纳米光刻、医疗诊断、消毒杀菌、生物化学技术、气敏传感以及材料科学等领域具有十分重要的应用价值。

传统的电泵浦深紫外algan半导体激光器的基本结构主要是由p型高al组分alxgan(x>0.8)限制层、p型中al组分algan波导层、低al组分algan有源层、n型中al组分algan波导层、n型高al组分alxgan(x>0.8)限制层组成。受algan材料外延生长技术和条件的限制，高al组分algan材料的p型掺杂十分困难，导致半导体激光器串联电阻增加、p型载流子注入效率降低，从而引起器件的阈值电流密度升高、内量子效率降低。目前电泵浦深紫外algan半导体激光器的最短波长只能达到336nm，而更短波长的电泵浦深紫外半导体激光器却一直无法实现。因此，采用一种新式器件结构，降低器件的等效电阻，是获取高功率高效率电泵浦深紫外发光algan半导体激光器的有效途径之一。

技术实现要素：

为了解决电泵浦深紫外发光algan半导体激光器无法实现更短发光波长的问题，本发明提供电泵浦深紫外algan半导体激光器及其制备方法。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

电泵浦深紫外algan半导体激光器，包括衬底，还包括：

设置在衬底上的aln缓冲层；

设置在aln缓冲层上的n型algan限制层；

设置在n型algan限制层上的n型algan波导层；

设置在n型algan限制层上的n面电极，所述n面电极与n型algan波导层不连接；

设置在n型algan波导层上的algan有源层；

设置在algan有源层上的p型algan波导层；

设置在p型algan波导层上的p面高反射率限制层；

设置在p型algan波导层上的p面电极，所述p面电极与p型algan波导层不连接。

电泵浦深紫外algan半导体激光器的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、在衬底上进行外延生长，得到深紫外algan半导体激光器结构的芯片，所述芯片具有aln缓冲层、n型algan限制层、n型algan限制层、n型algan波导层、algan有源层、半成品p型algan波导层、初级半成品的n面电极和初级半成品的p面电极，对半成品p型algan波导层进行p型掺杂退火得到p型algan波导层；

步骤二、光刻芯片制备初级半成品的n面电极的电极图形和初级半成品的p面电极的电极图形；

步骤三、刻蚀初级半成品的n面电极的电极图形得到中级半成品的n面电极，刻蚀初级半成品的p面电极的电极图形得到中级半成品的p面电极；

步骤四、在中级半成品的n面电极上沉积金属电极材料得到n面电极，在中级半成品的p面电极上沉积金属电极材料得到p面电极；

步骤五、制备谐振腔面；

步骤六、对谐振腔面的前腔面和后腔面进行膜材料沉积；

如果所述p面高反射率限制层为分布布拉格反射镜或所述p面高反射率限制层采用alxgan材料，则步骤一中所述外延生长得到的芯片还具有p面高反射率限制层，其中x>0.8；如果所述p面高反射率限制层为介质高反膜，则在步骤四和步骤五之间还包括在步骤四所得芯片上沉积介质高反膜材料制备p面高反射率限制层的步骤。

本发明的有益效果是：

1、本发明的电泵浦深紫外algan半导体激光器通过改变器件电极(n面电极和p面电极)接触结构，将p面电极直接从p型algan波导层上表面引入，使注入电流绕过高电阻的p面高反射率限制层而直接进入低电阻的p型algan波导层和algan有源区，从而降低器件的等效电阻，并同时提高p型载流子的注入效率，进而降低器件的阈值密度电流密度、提高器件的内量子效率、降低电泵浦深紫外algan半导体激光器发光波长，发光波长能达到低于280nm。本发明的电泵浦深紫外algan半导体激光器的应用前景广阔。

2、本发明的电泵浦深紫外algan半导体激光器的制备方法通过改变器件的电极接触结构，将p面电极直接从p型algan波导层上表面引入，使注入电流绕过高电阻的p面高反射率限制层而直接进入低电阻的p型algan波导层和algan有源区，通过该方法能够有效降低电泵浦深紫外algan半导体激光器的等效电阻，并同时提高p型载流子的注入效率，减小阈值电流密度、增加内量子效率，为进一步降低器件发光波长和提高器件性能提供了一种有效途径，制得的激光器的发光波长能达到低于280nm。本发明的制备方法具有工艺简单，效果显著，应用前景广阔的优点。

附图说明

图1为本发明的电泵浦深紫外algan半导体激光器的剖视图。

图2为本发明的电泵浦深紫外algan半导体激光器的俯视图。

图中：1、p面高反射率限制层，2、p型algan波导层，3、algan有源层，4、n型algan波导层，5、n型algan限制层，6、aln缓冲层，7、衬底，8、p面电极，9、n面电极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

电泵浦深紫外algan半导体激光器，其剖面结构示意图如图1所示，其俯视图如图2所示，包括衬底7、aln缓冲层6、n型algan限制层5、n型algan波导层4、n面电极9、algan有源层3、p型algan波导层2、p面高反射率限制层1和p面电极8。aln缓冲层6设置在衬底7上。n型algan限制层5设置在aln缓冲层6上。n型algan波导层4和n面电极9都设置在n型algan限制层5上，n面电极9与n型algan波导层4两者不连接，不相互接触。algan有源层3设置在n型algan波导层4上。p型algan波导层2设置在algan有源层3上。p面高反射率限制层1和p面电极8设置在p型algan波导层2上，p面电极8与p型algan波导层2不连接，不相互接触。

本发明的电泵浦深紫外algan半导体激光器为内腔接触式电泵浦深紫外发光水平腔边发射半导体激光器，其电流传输路径如下：p面电极8是内腔接触式电极，注入电流从p面电极8开始，绕过p面高反射率限制层1，直接通过p型algan波导层2进入algan有源层3，再经过n型algan波导层4和n型algan限制层5，最后进入n面电极9，从而实现完整的电流回路。

本发明通过改变器件电极(n面电极9和p面电极8)接触结构，将p面电极8直接从p型algan波导层2上表面引入，使注入电流绕过高电阻的p面高反射率限制层1而直接进入低电阻的p型algan波导层2和algan有源区，从而降低器件的等效电阻，并同时提高p型载流子的注入效率，进而降低器件的阈值密度电流密度、提高器件的内量子效率、降低电泵浦深紫外algan半导体激光器发光波长，发光波长能达到低于280nm。本发明的电泵浦深紫外algan半导体激光器的应用前景广阔。

p面高反射率限制层1的电阻率不受限制，p面高反射率限制层1对algan有源区的发光波长具有高的反射率(本实施方式中反射率≥90％)，能够实现激光在垂直方向上传播的光限制，p面高反射率限制层1又称光限制区。p面高反射率限制层1的材料种类可以有多种选择，如采用alxgan(x>0.8)、采用分布布拉格反射镜(dbr)、采用高反射率介质薄膜材料等。具体为采用单层高al组分alxgan(x>0.8)、aln/algan分布布拉格反射镜(dbr)、介质高反膜。介质高反膜又称高反射率介质薄膜，即采用高反射率介质薄膜材料制成，通常是由两种高低折射率的介质薄膜进行交替沉积，周期越多反射率越高，高反射率介质薄膜的沉积方法通常采用电子束蒸发技术，或者采用等离子体增强化学气相沉积(pecvd)技术。

上述衬底7为常规衬底7，例如蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底、氮化镓衬底、氮化铝衬底、氮化铝衬底等，本实施方式中采用蓝宝石衬底。

本发明电泵浦深紫外发光水平腔边发射半导体激光器的制备方法，由于p面高反射率限制层1的材料的不同，制备方法上存在不同。制备方法包括如下步骤：

步骤一、在衬底7上进行深紫外algan半导体激光器结构的外延生长，得到深紫外algan半导体激光器结构的芯片，芯片具有aln缓冲层6、n型algan限制层5、n型algan限制层5、n型algan波导层4、algan有源层3、p型algan波导层2、初级半成品的n面电极和初级半成品的p面电极，对半成品p型algan波导层进行p型掺杂退火，从而激活受主杂质，实现高效的p型掺杂，p型掺杂退火完成得到p型algan波导层2；

步骤二：将经过步骤一所制得的芯片通过光刻制备初级半成品的n面电极的电极图形、通过光刻制备初级半成品的p面电极的电极图形。

步骤三：刻蚀初级半成品的n面电极的电极图形得到中级半成品的n面电极，刻蚀初级半成品的p面电极的电极图形得到中级半成品的p面电极。

步骤四：在中级半成品的n面电极上沉积金属电极材料得到n面电极9，在中级半成品的p面电极上沉积金属电极材料得到p面电极8。

步骤五：制备步骤四所得的芯片的谐振腔面。

步骤六：对谐振腔面的前腔面和后腔面进行膜材料沉积。

如果电泵浦深紫外发光水平腔边发射半导体激光器的p面高反射率限制层1为分布布拉格反射镜或p面高反射率限制层1采用alxgan材料，则步骤一中外延生长得到的芯片还具有p面高反射率限制层1，其中x>0.8；如果p面高反射率限制层1为介质高反膜，则在步骤四和步骤五之间还包括在步骤四所得芯片上沉积介质高反膜材料制备p面高反射率限制层1的步骤。也就是说，p面高反射率限制层1如果不是采用高反射率介质薄膜材料即不采用介质高反膜，则衬底7上外延生长得到aln缓冲层6、n型algan限制层5、n型algan限制层5、n型algan波导层4、algan有源层3、p型algan波导层2、p面高反射率限制层1、初级半成品的n面电极和初级半成品的p面电极，即外延生长时得到p面高反射率限制层1；p面高反射率限制层1如果采用高反射率介质薄膜材料即采用介质高反膜，则步骤一中仅仅先不制备p面高反射率限制层1，p面高反射率限制层1在步骤四和步骤五之间制备。

下面以介质高反膜作为p面高反射率限制层1作为实施例，进一步详细说明：

步骤一的衬底7是指蓝宝石(sapphire)、碳化硅(sic)、硅(si)、氮化镓(gan)、氮化铝(aln)、氮化铝基板(alntemplate)等常规衬底7。深紫外algan半导体激光器结构的外延生长方法采用金属有机物化学气相沉积(mocvd)技术，或分子束外延(mbe)技术，尤其是高温mocvd技术为最佳。外延生长得到深紫外algan半导体激光器结构的芯片。对芯片的p型掺杂退火，可以选择在外延生长过程中进行原位退火，也可以选择在外延生长之后进行高温快速热退火，从而激活受主杂质，实现高效的p型掺杂。将芯片放置在退火炉中退火，该过程是对芯片的半成品p型algan波导层进行高效的p型掺杂。此时，芯片具有aln缓冲层6、n型algan限制层5、n型algan限制层5、n型algan波导层4、algan有源层3、p型algan波导层2(半成品p型algan波导层进行高效的p型掺杂后成为p型algan波导层2)、p面高反射率限制层1、初级半成品的n面电极和初级半成品的p面电极。

步骤二、对步骤一p型掺杂后的芯片采用光刻技术进行电极图形的制备。光刻胶的选择可以根据光刻掩膜板的设计采用正性光刻胶或者负性光刻胶，或者采用具有反转特性的正性光刻胶。通过光刻制备初级半成品的n面电极的电极图形和初级半成品的p面电极的电极图形。

步骤三、步骤二完成后，进行刻蚀。电极图形刻蚀采用干法刻蚀技术或湿法刻蚀技术，或者采用干法刻蚀和湿法刻蚀相结合的技术。初级半成品的n面电极经过电极图形刻蚀成为中级半成品的n面电极，初级半成品的p面电极经电极图形过刻蚀成为中级半成品的p面电极。

步骤四、沉积金属电极材料制备完成电极的制备，金属电极材料的选择：n型欧姆接接触的材料为tialtiau或tialniau，p型欧姆接接触的材料为niau，需要对p型欧姆接接触电极材料进行退火，从而降低p型欧姆接触电阻。金属电极的沉积方法通常采用磁控溅射(sputter)或电子束蒸发技术。在中级半成品的n面电极上沉积金属电极材料后得到n面电极9，在中级半成品的p面电极上沉积金属电极材料后得到p面电极8。

步骤四’、在p型algan波导层2上沉积介质高反膜材料制备介质高反膜，也就是完成了p面高反射率限制层1的制备。介质高反膜是由两种高低折射率的介质薄膜进行交替沉积，周期越多反射率越高，沉积方法通常采用电子束蒸发技术，或者采用等离子体增强化学气相沉积(pecvd)技术。

步骤五、芯片谐振腔面，是指边发射半导体激光器的水平谐振腔面，通常采用划片的方法获得前后谐振腔面。

步骤六、前后腔面膜材料，前腔面为半反半透膜，反射率一般为90％，后腔面为全反膜，反射率为100％，腔面膜材料通常采用电子束蒸发技术进行沉积。

步骤七、对步骤六所得的芯片进行封装，即管芯封装，可以提高芯片的散热能力，实现激光的连续输出。

下面以单层高al组分alxgan(x>0.8)作为p面高反射率限制层1作为实施例，进一步详细说明，说明如下：

步骤一、采用mocvd进行深紫外algan半导体激光器结构的外延生长，选择c面蓝宝石作为衬底7。由于al原子的迁移率较低，采用两步生长法生长aln缓冲层6，从而提高algan材料外延生长质量。外延生长得到深紫外algan半导体激光器结构的芯片，芯片具有aln缓冲层6、n型algan限制层5、n型algan限制层5、n型algan波导层4、algan有源层3、半成品p型algan波导层、p面高反射率限制层1、初级半成品的n面电极和初级半成品的p面电极。

待在最后一层p面高反射率限制层1生长结束以后，对芯片进行mocvd原位退火。退火过程中，关闭所有h2载气，使用n2载气，n2在高温下可以打破受主mg原子和h2之间形成的mg-h键，激活mg受主，该过程实现半成品p型algan波导层高效的mg掺杂，退火时间为15-30分钟。

步骤二、采用光刻技术在芯片表面制备激光器光限制区图形和电极图形。将步骤一得到的芯片通过光刻制备初级半成品的n面电极和初级半成品的p面电极的电极图形。单管芯腔长为1mm(谐振腔腔长1mm)，光限制区宽为100μm，p面电极8和n面电极9的宽度分别为100μm(初级半成品的n面电极、初级半成品的p面电极、中级半成品的n面电极和中级半成品的p面电极宽度也均为100μm)，光限制区和p面电极8的间距为100μm，光限制区和n面电极9的间距为100μm，单管芯总宽度为500μm，即图1和图2从左至右的宽度为500μm，图2从上至下的长度为1mm。

步骤三、初级半成品的n面电极和初级半成品的p面电极的电极图形的刻蚀采用icp干法刻蚀，刻蚀气体为bcl3，初级半成品的p面电极的刻蚀深度为p面高反射率限制层1的厚度，初级半成品的n面电极的刻蚀深度为p面高反射率限制层1、p型algan波导层2、algan有源层3和n型algan波导层4的总厚度。

刻蚀后的初级半成品的n面电极称为中级半成品的n面电极，刻蚀后的初级半成品的p面电极称为中级半成品的p面电极。

步骤四、采用磁控溅射沉积欧姆接触电极，中级半成品的n面电极沉积tialniau，中级半成品的n面电极沉积为niau。niau要在快速退火炉中进行退火，气体为空气(n2:o2＝4:1)，退火温度为570℃，退火时间为5分钟。对应得到n面电极9和p面电极8。

步骤五：制备芯片的谐振腔面；采用划片机切割出激光器列阵(厘米条)，单条阵列的宽度为1mm，长度为1cm，单条阵列其中包括20个单管芯单元，图2所示即为一个单管芯单元，20个长度为500μm单管芯单元构成长度为1cm的单条阵列。在阵列的条宽方向上会形成激光振荡的谐振腔，谐振腔的两端形成谐振腔面。

步骤六、采用电子束蒸发方法在谐振腔面的前腔面和后腔面沉积腔面膜，对单条阵列沉积前后谐振腔面沉积腔面膜。前腔面沉积半反半透膜，材料为sio2，厚度为47.9nm，反射率为94％；后腔面沉积全反膜，材料为si/sio2，厚度为20.5nm/47.9nm，反射率为100％。

步骤七、采用氮化铝(aln)作为热沉，金锡(au80se20)作为焊料，采用to3管壳进行封装。管芯封装，可以提高芯片的散热能力，实现激光的连续输出。

本发明的制备方法不限于上述实施例，是在常规的电泵浦深紫外algan半导体激光器芯片制备工艺方法(步骤五至七)的基础上，通过改变器件的电极接触结构，将p面电极8直接从p型algan波导层2上表面引入，使注入电流绕过高电阻的p面高反射率限制层1而直接进入低电阻的p型algan波导层2和algan有源区，本发明的制备方法能够有效降低电泵浦深紫外algan半导体激光器的等效电阻，并同时提高p型载流子的注入效率，减小阈值电流密度、增加内量子效率，为进一步降低器件发光波长和提高器件性能提供了一种有效途径，制得的激光器的发光波长能达到低于280nm。本发明的制备方法具有工艺简单，效果显著，应用前景广阔的优点。通过本方法所制备的半导体激光器在实现降低电泵浦深紫外algan半导体激光器发光波长的同时，还能够提高电泵浦深紫外半导体激光器的性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。