专利名称：p型ZnO和n型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器及制备方法
技术领域：
本发明属于半导体发光器件及其制备方法技术领域，特别是涉及基于ZnO基材料的激光器件结构及其制备方法。
背景技术：
GaN系材料在固态照明领域和信息领域已经在广泛的应用。ZnO和GaN的能带间隙和晶格常数十分接近，有相近光电特性。但是，与GaN相比，ZnO具有更高的熔点和激子束缚能、激子增益更高、外延生长温度低、成本低、容易刻蚀而使外延片的后道加工更容易， 使器件的制备更方便等等。因此，ZnO基发光管、激光器等研制成功有可能取代或部分取代 GaN基光电器件，会有更大的应用前景，特别是ZnO紫、紫外光电器件更为人们所重视。由于ZnO单晶薄膜的外延制备目前还不成熟，非常完整的一致连续的ZnO单晶薄膜很难获得，目前制备的ZnO单晶薄膜大多数是C轴取向生长的薄膜，由于晶粒边界和缺陷的存在，使得ZnO同质ρ-η结型的发光器件发光效率非常低，同时往往伴随着和缺陷相关的深能级发光，这一深能级发光波长在可见光波段，它往往比紫外带边发射更强。于是人们开始用薄膜外延制备技术比较成熟的GaN材料和ZnO材料结合制备发光器件。申请人在申请号为2010101289985的专利中提出了几种η型ZnO和ρ型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器器件结构及制备方法。但是，由于目前制备的ρ型GaN外延层载流子浓度偏低，电阻大，因而器件串联电阻也大，器件工作电压高，器件输出功率低。还有，P型GaN由于杂质能级的影响，光子跃迁的能量小于禁带宽度很多，发光波长较长，达不到紫外波段；同时，如将载流子限制在η型 ZnO发光层复合发光，就必须制备一层MgO电流限制层，而MgO是立方结构晶体，和GaN、ZnO 的六角结构晶体不匹配，影响发光层η型SiO的晶体质量。为了克服上述ZnO基发光器件的这一困难，本发明提出几种ρ型ZnO和η型GaN 组合ZnO基垂直腔面发射激光器器件结构及制备方法。
发明内容
本发明的目的为了克服上述ZnO基发光器件的这一困难，提供几种ρ型ZnO和η 型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器及制备方法，以降低器件工作电源，提高器件输出功率，使器件激射波长达到紫外波段。本发明的技术方案是本发明所设计的通常ρ型ZnO和η型GaN组合的ZnO基垂直腔面发射激光器(见附图1和
)，依次由衬底1、衬底1上外延生长的AlGaN/GaN薄膜分布布拉格(DBR) 下反射镜8、下反射镜8上外延制备的GaN外延层2、外延层2上制备的相互分立的电流下限制层3和下电极5、电流下限制层3上制备的ZnO基材料发光层4、发光层4上面制备的宽带隙ZnO基三元系材料电流上限制层7、电流上限制层7上制备的相互分立的上电极6和多层介质薄膜DBR上反射镜9等部件构成，其特征在于GaN外延层2为η型GaN薄膜，ZnO 基发光层4为ρ型ZnO基薄膜，电流下限制层3为Ga2O3薄膜，电流上限制层7为ρ型SiO 基三元薄膜，其禁带宽度大于ZnO基发光层4的禁带宽度。GaN和AKiaN外延层用目前工艺较成熟的常规MOCVD工艺方法制备。ZnO基材料的生长制备方法是用分子束外延(MBE)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、脉冲激光沉积 (PLD)、溅射(Sputtering)、电子束蒸发、喷涂热解和溶胶凝胶(Sol-gel)等方法制备；ZnO 基发光材料包括ai0、ZnMg0、ZnBe0、ZnCdO、ZnNiO等材料。衬底材料是Al2O3单晶衬底或用和GaN材料晶格匹配较好的η型SiC单晶衬底，当然更可以用GaN单晶衬底，这里所说制备的电流上限制层的P型宽带隙ZnO基三元系材料是MgSiO、ZnBeO, ZnCdO, ZnNiO等禁带宽度大于ZnO基材料发光层4禁带宽度的薄膜材料；这里所说的多层介质薄膜DBR上反射镜 9是由两种折射率不同的介质薄膜周期排布而成，如多对Si02/Si3N4、多对Si02/Zr02、多对 Si02/Ti02、多对Ta205/SiA和多对Hf02/SiA等介质薄膜周期排布。上、下电极材料用Au、 Ni-Au、Ti-Au、Zn-Au 和 Pt-Au 等合金材料。在本发明中，为了将注入激光器的电流限制在一个面积较小的区域，本发明也将申请号为2010101289985的专利中提出四种具有电流限制窗口 11的器件结构进行了改进， 具体技术方案是 一种是二氧化硅上电流限制窗口结构ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器(见附图2和
)，由衬底1、衬底1上制备的多层AlfeN/GaN薄膜DBR下反射镜8、下反射镜8上面制备的GaN外延层2、外延层2上制备的相互分立的电流下限制层3和下电极5、电流下限制层3上制备的ZnO基材料发光层4、ZnO发光层4上面制备的电流上限制层7、电流上限制层7上面制备一层二氧化硅电流隔离层10、在二氧化硅电流隔离层10上光刻腐蚀出电流限制窗口 11、再在二氧化硅电流隔离层10和电流限制窗口 11上面制备上电极6、上电极6上开出出光窗口 12、出光窗口 12的面积小于电流限制窗口 11、 出光窗口 12处制备的多层介质薄膜DBR上反射镜9等部件构成，其特征在于GaN外延层 2为η型GaN薄膜，ZnO基发光层4为ρ型ZnO基薄膜，电流下限制层3为(^a2O3薄膜，电流上限制层7为ρ型ZnO基三元薄膜，其禁带宽度大于ZnO基发光层4的禁带宽度。第二种是二氧化硅内电流限制窗口结构ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器(见附图3和
)，由衬底1、衬底1上制备的多层AWaN/GaN薄膜DBR 下反射镜8、下反射镜8上面制备的GaN外延层2、外延层2上制备的相互分立的二氧化硅电流隔离层10和下电极5、在二氧化硅电流隔离层10上光刻腐蚀出电流限制窗口 11、再在二氧化硅电流隔离层10和电流限制窗口 11上面依次制备的电流下限制层3、Zn0基材料发光层4、电流上限制层7、带有出光窗口 12的上电极6和在出光窗口 12处制备的多层介质薄膜DBR上反射镜9等部件构成，其特征在于GaN外延层2为η型GaN薄膜，ZnO基发光层4为ρ型ZnO基薄膜，电流下限制层3为Gii2O3薄膜，电流上限制层7为ρ型ZnO基三元薄膜，其禁带宽度大于ZnO基发光层4的禁带宽度。第三种是离子注入轰击电流限制窗口结构ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器(见附图4和
)，由衬底1、衬底1上制备的多层AlGaN/GaN薄膜DBR 下反射镜8、下反射镜8上面制备的GaN外延层2、外延层2上制备的相互分立的电流下限制层3和下电极5、电流下限制层3上制备的ZnO基材料发光层4、ZnO基发光层4上面制备的电流上限制层7、电流上限制层7上制备带有出光窗口 12的上电极6、在出光窗口 12处制备的多层介质薄膜DBR上反射镜9和在发光层4中具有电流限制窗口 11的离子轰击高阻电流隔离层13等部件构成，其特征在于GaN外延层2为η型GaN薄膜，ZnO基发光层4 为ρ型ZnO基薄膜，电流下限制层3为Gii2O3薄膜，电流上限制层7为ρ型ZnO基三元薄膜， 其禁带宽度大于ZnO基发光层4的禁带宽度。第四种是MgO内电流隔离限制窗口结构P型SiO和η型GaN组合SiO基垂直腔面发射激光器(见附图5和
)，由衬底1、衬底1上制备的多层AKiaN/GaN薄膜DBR 下反射镜8、下反射镜8上面制备的GaN外延层2、外延层2上制备的相互分立的MgO电流隔离层14和下电极5、在MgO电流隔离层14上光刻腐蚀出电流限制窗口 11、再在MgO电流隔离层14和电流限制窗口 11上面依次制备的电流下限制层3、ZnO基材料发光层4、电流上限制层7、带有出光窗口 12的上电极6和在出光窗口 12处制备的多层介质薄膜DBR上反射镜9等部件构成，其特征在于GaN外延层2为η型GaN薄膜，ZnO基发光层4为ρ型SiO 基薄膜，电流下限制层3为Gii2O3薄膜，电流上限制层7为ρ型ZnO基三元薄膜，其禁带宽度大于ZnO基发光层4的禁带宽度。以上所设计的激光器都是顶端出光结构，其出光方向见图中箭头15。在本发明中，为了简化制备工艺过程，提高外延晶体质量，衬底1可以采用导电的 η型SiC单晶衬底和导电的η型GaN单晶衬底，同时，多层AWaN/GaN薄膜DBR下反射镜8 也进行掺杂，制备成η型导电的DBR，这样上述的几种器件的下电极5就可以制备在衬底1 的下面，省去制备下电极5所需的光刻、腐蚀等工艺。我们称这种器件结构为垂直结构，以垂直结构二氧化硅内电流限制窗口结构P型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器为例，将器件结构示意图绘于附图6。这种垂直结构同样适用于其他几种具有电流限制窗口的器件，同时也适用于没有电流限制窗口的通常结构。就是说，我们提出的这样一种垂直结构ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器，适用于附图1所示的通常ρ型 ZnO和η型GaN组合的ZnO基垂直腔面发射激光器结构改进，适用于二氧化硅上电流限制窗口结构P型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器结构改进，适用于二氧化硅内电流限制窗口结构P型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器结构改进，适用于离子注入轰击电流限制窗口结构P型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器结构改进，适用于MgO内电流隔离限制窗口结构ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器结构改进，其特征在于衬底1采用导电的η型SiC单晶和导电的η型GaN单晶，多层的AlGaN/GaN薄膜DBR下反射镜8进行掺杂，制备成η型导电的DBR，下电极5制备在衬底1的下面。在本发明中，由于GaN禁带宽度略大于SiO的禁带宽度，Al2O3衬底对于ZnO材料发光区发出的近紫外光也是透明的，所以以上所述的几种结构ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO 基垂直腔面发射激光器还可以制备成衬底出光结构，为了提高光输出功率这种结构最好要调整下反射镜8和上反射镜9的反射率，使得上反射镜9的反射率大于下反射镜8的反射率，光可以更多的从下反射镜8方向射出。就是说，我们提出的这样一种衬底出光结构ρ型 ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器，适用于附图1所示的通常ρ型ZnO和η型 GaN组合的SiO基垂直腔面发射激光器结构改进，适用于二氧化硅上电流限制窗口结构ρ型 ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器结构改进，适用于二氧化硅内电流限制窗口结构ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器结构改进，适用于离子注入轰击电流限制窗口结构ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器结构改进，适用于 MgO内电流隔离限制窗口结构ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器结构改进，其特征在于上反射镜9的反射率大于下反射镜8的反射率。在本发明中，上述衬底出光结构还可以改进，以简化工艺过程。这种改进是把多层介质薄膜DBR上反射镜9制备成金属反射镜，这种金属上反射镜9可以和上电极6合并一起制备。同样，以二氧化硅内电流限制窗口结构ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器改进为例，将这种器件结构示意图绘于附图7，这种器件结构改进同样适用于其他几种具有电流限制窗口的器件，同时也适用于没有电流限制窗口的通常结构。就是说，这种金属反射镜衬底出光ρ型SiO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器，适用于附图1 所示的通常ρ型ZnO和η型GaN组合的ZnO基垂直腔面发射激光器结构改进，适用于二氧化硅上电流限制窗口结构ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器结构改进， 适用于二氧化硅内电流限制窗口结构ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器结构改进，适用于离子注入轰击电流限制窗口结构P型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器结构改进，适用于MgO内电流隔离限制窗口结构ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO 基垂直腔面发射激光器结构改进，其特征在于上反射镜9制备成金属反射镜，这种金属上反射镜9和上电极6合并一起制备。在本发明中，上述金属反射镜衬底出光结构如果采用能透过ZnO材料带边发射的紫外光，同时导电的η型GaN单晶衬底，还可以简化工艺制备成垂直结构。同样，以二氧化硅内电流限制窗口结构P型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器改进为例，将其器件结构示意图绘于附图8，这种器件结构改进同样适用于其他几种具有电流限制窗口的器件。就是说，这种金属反射镜垂直结构衬底出光ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器，适用于二氧化硅上电流限制窗口结构ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器结构改进，适用于二氧化硅内电流限制窗口结构ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器结构改进，适用于离子注入轰击电流限制窗口结构ρ型ZnO 和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器结构改进，适用于MgO内电流隔离限制窗口结构ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器结构改进。即一种二氧化硅上电流限制窗口结构ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器，由衬底1、衬底1上制备的多层AWaN/GaN薄膜DBR下反射镜8、下反射镜8上面制备的GaN外延层2、外延层2 上制备的电流下限制层3、电流下限制层3上制备的ZnO基材料发光层4、ZnO发光层4上面制备的电流上限制层7、电流上限制层7上面制备一层二氧化硅电流隔离层10、电流隔离层10上光刻腐蚀出电流限制窗口 11、再在二氧化硅电流隔离层10和电流限制窗口 11上面制备上电极6、上电极6上开出出光窗口 12、出光窗口 12的面积小于电流限制窗口 11、 光窗口 12处制备的上反射镜9等部件构成，和一种二氧化硅内电流限制窗口结构ρ型ZnO 和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器，由衬底1、衬底1上制备多层的AWaN/GaN薄膜DBR下反射镜8、下反射镜8上面制备的GaN外延层2、外延层2上制备的二氧化硅电流隔离层10、在二氧化硅电流隔离层10上光刻腐蚀出电流限制窗口 11、再在二氧化硅电流隔离层10和电流限制窗口 11上面依次制备的电流下限制层3、ZnO基材料发光层4、电流上限制层7、带有出光窗口 12的上电极6和在出光窗口 12处制备的上反射镜9等部件构成，和一种是离子注入轰击电流限制窗口结构P型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器，由衬底1、衬底1上制备多层的AKiaN/GaN薄膜DBR下反射镜8、下反射镜8上面制备的GaN外延层2、外延层2上制备的电流下限制层3、电流下限制层3上制备的ZnO基材料发光层4、ZnO发光层4上面制备的电流上限制层7、电流上限制层7上制备带有出光窗口 12的上电极6、在出光窗口 12处制备的上反射镜9和在发光层4中具有电流限制窗口 11的离子轰击高阻电流隔离层13等部件构成，和一种是MgO内电流隔离限制窗口结构ρ型ZnO 和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器，由衬底1、衬底1上制备多层的AWaN/GaN薄膜DBR下反射镜8、下反射镜8上面制备的GaN外延层2、外延层2上制备的MgO电流隔离层14、在MgO电流隔离层14上光刻腐蚀出电流限制窗口 11、再在MgO电流隔离层14和电流限制窗口 11上面依次制备的电流下限制层3、Zn0基材料发光层4、电流上限制层7、带有出光窗口 12的上电极6和在出光窗口 12处制备的上反射镜(9)等部件构成，其特征在于 GaN外延层2为η型GaN薄膜，ZnO基发光层4为ρ型ZnO基薄膜，电流下限制层3为Gii2O3 薄膜，电流上限制层7为ρ型SiO基三元薄膜，其禁带宽度大于ZnO基发光层4的禁带宽度， 上反射镜9制备成金属反射镜，这种金属上反射镜9和上电极6合并一起制备，衬底1采用导电的η型GaN单晶，多层的AWaN/GaN薄膜DBR下反射镜8进行掺杂，制备成η型导电的 DBR，下电极5制备在衬底1的下面，下电极5开有出光窗口 12。在本发明中，上述金属反射镜垂直结构衬底出光结构还可以将衬底剥离去掉，以改进出光效果，同时由于衬底将被剥离去掉，所以对于衬底透光性能和导电性能就可以不要求了，这样也可以采用价格相对便宜的Al2O3衬底或相对成熟的SiC衬底，目前在Al2O3衬底上生长的GaN系材料有较成熟的衬底剥离技术，所以本技术方案目前最好采用Al2O3单晶衬底。同样，以二氧化硅内电流限制窗口结构ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器改进为例，将其器件结构示意图绘于附图9，这种结构改进同样适用于其他几种具有电流限制窗口的器件。就是说，这种衬底剥离金属反射镜垂直结构衬底出光P型ZnO和η 型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器，适用于二氧化硅上电流限制窗口结构ρ型ZnO和 η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器结构改进，适用于二氧化硅内电流限制窗口结构ρ 型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器结构改进，适用于离子注入轰击电流限制窗口结构P型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器结构改进，适用于MgO内电流隔离限制窗口结构ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器结构改进，其特征在于上反射镜9制备成金属反射镜，这种金属上反射镜9和上电极6合并一起制备， 衬底1采用Al2O3单晶衬底并剥离去掉，多层的AWaN/GaN薄膜DBR下反射镜8进行掺杂， 制备成η型导电的DBR，下电极5制备在下反射镜8的下面，下电极5开有出光窗口 12。在本发明中，为了克服多层的AlGaN/GaN薄膜DBR下反射镜8的制备困难，上述衬底剥离金属反射镜垂直结构衬底出光结构还可以将下反射镜8制备成多层介质薄膜DBR反射镜。同样，以二氧化硅内电流限制窗口结构ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器改进为例，将其器件结构示意图绘于附图10，同样适用于其他几种具有电流限制窗口的器件结构改进。就是说，这种衬底剥离介质薄膜下反射镜ρ型ZnO和η型GaN组合 ZnO基垂直腔面发射激光器，适用于二氧化硅上电流限制窗口结构ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器结构改进，适用于二氧化硅内电流限制窗口结构ρ型ZnO和η 型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器结构改进，适用于离子注入轰击电流限制窗口结构ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器结构改进，适用于MgO内电流隔离限制窗口结构P型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器结构改进，其特征在于衬底 1上不生长多层的AWaN/GaN薄膜DBR下反射镜8，直接生长η型GaN外延层2，上反射镜9 制备成金属反射镜，这种金属上反射镜9和上电极6合并一起制备，衬底1采用Al2O3单晶衬底并剥离去掉，下电极5制备在η型GaN外延层2的下面，下电极5开有出光窗口 12，在出光窗口 12处制备多层介质薄膜DBR下反射镜8。在本发明中，为了制备和η型GaN外延层2及ρ型ZnO基材料发光层4都晶格比较匹配的电流下限制层3，可以将电流下限制层3制备成η型AWaN层，这层η型AWaN层 3可以和η型GaN外延层2 —起在GaN材料系MOCVD系统中一次外延完成生长，这种结构和工艺的改进适合上述所有的ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器结构； 这样对于内电流限制窗口结构就需要将二氧化硅内电流限制层10或MgO内电流限制层14 制备在AWaN电流下限制层3的上面，我们以图6所示垂直结构ρ型ZnO和η型GaN组合 ZnO基垂直腔面发射激光器结构为例，将其改进结构绘于图11，这种结构的改进适用图6所示的垂直结构外，同时适用于图3、图5、图7、图8、图9和图10所示的内电流限制窗口结构；同时由于AlGaN层的刻蚀一般需要在专用等离子刻蚀设备中完成，而SiO系材料用酸进行湿法刻蚀即可，所以电流下限制层3是η型AlGaN层时，对于非垂直结构ρ型ZnO和η型 GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器，要将下电极5和电流下限制层3上面制备其它层结构相互分立的制备在η型AWaN电流下限制层3上面；这样η型AWaN电流下限制层3上面的二氧化硅内电流限制层10或MgO内电流限制层14、ρ型ZnO基发光层4、ρ型ZnO基三元薄膜电流上限制层7可以用酸进行一次湿法刻蚀，在露出的η型AWaN电流下限制层 3的区域上面制备下电极5 ；仍以图3所示的二氧化硅内电流限制窗口结构ρ型ZnO和η型 GaN组合SiO基垂直腔面发射激光器改进为例，将其器件结构示意图绘于附图12，这种结构的改进适用图3所示的二氧化硅内电流限制窗口结构外，同时适用于图1、图2、图4、图5和图7所示的非垂直结构；就是说，这种η型AlGaN层电流下限制层ρ型ZnO和η型GaN组合 ZnO基垂直腔面发射激光器，适合上述所有的ρ型SiO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器结构，其特征在于电流下限制层3为η型AWaN层，这层η型AWaN层电流下限制层3和GaN外延层2 —起在GaN材料系MOCVD系统中一次外延完成生长，其中的内电流限制窗口结构的二氧化硅内电流限制层10或MgO内电流限制层14制备在AlGaN电流下限制层3的上面，其中的非垂直结构的下电极5和电流下限制层3上面制备的其它层结构相互分立的制备在η型AWaN电流下限制层3上面。本发明所述的ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器的制备方法， 其特征在于GaN外延层2、作为ZnO发光层4的ρ型ZnO基薄膜、作为电流上限制层7的ρ 型ZnO基三元薄膜均使用MOCVD方法进行制备，电流上限制层7的禁带宽度大于ZnO基发光层4的禁带宽度。本发明的效果和益处是本发明制备了 ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO基激光器，可以降低激光器的串联电阻和工作电压，提高器件输出功率；其中的金属上反射镜衬底出光结构还可以将器件外延层一侧焊接在热沉上进行倒装焊，提高器件的散热能力，进一步提高器件输出功率；这样可以拓展器件的应用范围。
图1是通常ρ型ZnO和η型GaN组合的ZnO基垂直腔面发射激光器结构示意图。图2是上电流限制窗口结构ρ型ZnO和η型GaN组合的ZnO基垂直腔面发射激光器结构示意图。图3是内电流限制窗口结构P型ZnO和η型GaN组合的ZnO基垂直腔面发射激光器结构示意图。图4是离子注入轰击电流限制窗口结构ρ型ZnO和η型GaN组合的ZnO基垂直腔面发射激光器结构示意图。图5是MgO电流隔离限制窗口结构P型SiO和η型GaN组合的SiO基垂直腔面发射激光器结构示意图。 图6是垂直结构ρ型SiO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器结构示意图。图7是金属反射镜衬底出光ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器结构示意图。图8是金属反射镜垂直结构衬底出光ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器结构示意图。图9是衬底剥离金属反射镜垂直结构衬底出光ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器结构示意图。图10是衬底剥离介质薄膜下反射镜ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器结构示意图。图11是垂直结构的η型AlGaN层电流下限制层ρ型ZnO和η型GaN组合SiO基垂直腔面发射激光器中示意图。图12是非垂直结构的η型AWaN层电流下限制层ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO 基垂直腔面发射激光器中示意图。在上述图中1衬底；2GaN外延层；3电流下限制层；4ZnO基材料发光层；5下电极；6上电极；7电流上限制层；8下反射镜；9上反射镜；10 二氧化硅电流隔离层；11电流限制窗口 ；12出光窗口 ；13离子轰击高阻电流隔离层；14MgO电流隔离层；15出光方向箭头。
具体实施例方式以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。实施例1 二氧化硅上电流限制窗口结构ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器。这种上电流限制窗口结构P型ZnO和η型GaN组合的ZnO基垂直腔面发射激光器结构见附图2，其制备方法的特征在于器件GaN外延层2、作为ZnO发光层4的ρ型ZnO基薄膜、 作为电流上限制层7的ρ型ZnO基三元薄膜均使用MOCVD方法进行制备，电流上限制层7 的禁带宽度大于ZnO基发光层4的禁带宽度；以Al2O3衬底为例，用目前成熟的常规MOCVD 制备方法在Al2O3衬底生长多层AlGaN/GaN薄膜DBR下反射镜8，控制其反射的中心波长为设计的激光器激射波长λ，其反射率可在30% 99. 99%，接着生长η型GaN外延层2，载流子浓度为IOw 102°/cm3，其层厚控制为N个二分之一 λ，N为奇数，采用我们已经申请的2010101244166. 6号专利中介绍的两种方法制备Ga2O3电流下限制层3，然后采用MOCVD方法，特别是用02100436. 6号和ZL200410011164. 0号专利所述的ZnO薄膜专用生长MOCVD设备制备P型ZnO基材料发光层4和ρ型MgSiO电流上限制层7，SiO基材料的ρ型制备技术和P型掺杂方法，可采用我们申请并已获批准的ZL 200510119039. 6号、ZL200510046906. 8 号、ZL200810010104. 5号和200810010103. 0号专利方法；生长MgZnO电流上限制层7时， 用二茂镁作为镁源，镁源用氩气携带进入反应室内，与高纯氧进行化学反应生长，电流下限制层3厚度要薄，为3 80纳米，ρ型ZnO发光层4层厚度为100 1000纳米，ρ型MgSiO 电流上限制层7厚为200 3000纳米；电流下限制层3、ρ型ZnO发光层4和ρ型MgSiO 电流上限制层7这三层厚度的具体设计和控制，以使ρ型ZnO发光层4的最高光增益区位于光波的波峰处为准；再用电子束蒸发台或溅射台在ρ型MgSiO电流上限制层7上制备二氧化硅电流隔离层10，厚度为20 500纳米，然后，光刻和刻蚀去掉部分电流下限制层3、 P型ZnO发光层4、ρ型MgSiO电流上限制层7和二氧化硅电流隔离层10，在这个区域露出的η型GaN外延层2区域上制备下电极5 ；同时，光刻刻蚀或用光刻胶剥离工艺刻蚀出电流限制窗口 11，电流限制窗口 11可以是圆形也可以是方形，其直径或边长可在5 500微米之间，然后，蒸镀上电极6，用光刻胶剥离工艺保护下电极5，同时刻蚀出出光窗口 12，出光窗口 12和电流限制窗口 11有同样的圆形或方形，其直径或边长小于电流限制窗口 11可在 3 490微米之间，再用电子束蒸发台蒸镀多层介质薄膜DBR上反射镜9，同样控制其反射的中心波长为设计的激光器激射波长λ，其反射率可在30% 99% ；这种结构器件也可以采用η型SiC单晶衬底。实施例2 二氧化硅内电流限制窗口结构ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器。这种二氧化硅内电流限制窗口结构ρ型ZnO和η型GaN组合的ZnO基垂直腔面发射激光器结构见附图3，其制备方法的特征在于在η型GaN外延层2上面用电子束蒸发台或溅射台制备一层厚度为20 500纳米的二氧化硅电流隔离层10，再光刻腐蚀出电流限制窗口 11，然后如实施例1所述的方法制备Ga2O3电流下限制层3，再用MOCVD方法制备ρ型ZnO发光层4和ρ型MgZnO电流上限制层7，制备方法和厚度要求同实施例1 ；其余各外延层、电极及多层介质薄膜DBR上反射镜9的制备也和实施例1相同。实施例3 离子注入轰击电流限制窗口结构P型ZnO和η型GaN组合的ZnO基垂直腔面发射激光器。这种离子注入轰击电流限制窗口结构ρ型ZnO和η型GaN组合的ZnO基垂直腔面发射激光器结构见附图4，其制备方法的特征在于用离子注入轰击方法在ZnO基材料发光层4中制备出一层高阻电流隔离层13，以形成电流限制窗口 11 ；其制备过程简述如下，在衬底上用MOCVD方法依次生出长多层AWaN/GaN薄膜DBR下反射镜8、η型GaN外延层2、 电流下限制层3、η型ZnO基材料发光层4和电流上限制层7后，采用我们发明的专利号为 ZL93118240. 9的钨丝掩模二次质子轰击垂直腔面发射激光器的制备方法，也可以采用专利号为02144725. X的倾斜离子注入型垂直腔面发射激光器的制备方法制备出高阻电流隔离层13和电流限制窗口 11，同时制备出上电极6和出光窗口 12，注入的离子可以是氢离子 (H+)，也可以是氦离子(He++)，还可以是其他离子，要控制离子注入的能量和剂量使高阻电流隔离层13形成在ZnO基材料发光层4内厚度的中间区域，如图4所示，退火后高阻电流隔离层13上面的外延层还可以导电，这样电流才能从电极6流入到电流限制窗口 11内的区域产生载流子复合发光；然后，光刻刻蚀掉η型GaN外延层2上面的部分区域外延层，在这个区域制备下电极5。实施例4 MgO内电流隔离限制窗口结构P型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器。这种MgO内电流隔离限制窗口结构ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器结构见附图5，其制备方法的特征在于η型GaN外延层2上面生长较厚的MgO电流隔离 14，其厚度为100 2000纳米，之后，在电流限制窗口 11处将MgO电流隔离14完全刻蚀去掉；然后如实施例1所述的方法制备(^a2O3电流下限制层3，再用MOCVD方法制备ρ型ZnO 发光层4和ρ型MgZnO电流上限制层7，制备方法和厚度要求同实施例1 ；其余各外延层、电极及多层介质薄膜DBR上反射镜9的制备也和实施例1相同。实施例5 电流下限制层3为η型AWaN层的衬底剥离金属反射镜垂直结构衬底出光ρ型 ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器，其制备方法叙述如下以Al2O3衬底为例， 用目前成熟的常规GaN材料系MOCVD系统及其制备方法在Al2O3衬底上依次生长η型掺杂的多层AWaN/GaN薄膜DBR下反射镜8、η型GaN外延层2和η型AWaN电流下限制层3， 制备方法和参数要求同实施例1，然后，在η型AKiaN电流下限制层3上面用电子束蒸发台或溅射台制备一层厚度为20 500纳米的二氧化硅电流隔离层10，再光刻腐蚀出电流限制窗口 11，再用MOCVD方法在二氧化硅电流隔离层10和电流限制窗口 11上制备ρ型ZnO发光层4和ρ型MgSiO电流上限制层7，然后，在ρ型MgSiO电流上限制层7上面蒸镀蒸镀上电极6和金属上反射镜9，η型AWaN电流下限制层3、ρ型ZnO发光层4和ρ型MgSiO电流上限制层7这三层厚度的具体设计和控制，以使ρ型ZnO发光层4的最高光增益区位于光波的波峰处为准；然后，将外延片倒装焊接在Si或GaAs衬底片上，即将外延层和上电极6 和金属上反射镜9面向衬底进行焊接；再用目前较成熟的准分子激光衬底剥离工艺将Al2O3 衬底剥离去掉，在AlGaN/GaN薄膜DBR下反射镜8上面蒸镀下电极5，光刻刻蚀或用光刻胶剥离工艺在下电极5上刻蚀出出光窗口 12，出光窗口 12要和电流限制窗口 11对准。
权利要求
1.一种通常ρ型ZnO和η型GaN组合的ZnO基垂直腔面发射激光器，依次由衬底(1)、 衬底(1)上外延生长的MGaN/GaN薄膜DBR下反射镜(8)、下反射镜(8)上外延制备的GaN 外延层0)、GaN外延层( 上制备的相互分立的电流下限制层C3)和下电极(5)、电流下限制层C3)上制备的ZnO基材料发光层0)、发光层(4)上面制备的宽带隙&ι0基三元系材料电流上限制层(7)、电流上限制层(7)上制备的相互分立的上电极(6)和多层介质薄膜DBR 上反射镜(9)等部件构成；一种二氧化硅上电流限制窗口结构P型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器，由衬底(1)、衬底⑴上制备多层的AKiaN/GaN薄膜DBR下反射镜(8)、下反射镜⑶上面制备的GaN外延层Q)、GaN外延层( 上制备的相互分立的电流下限制层(；3)和下电极 (5)、电流下限制层(3)上制备的ZnO基材料发光层(4)、ZnO发光层4上面制备的电流上限制层(7)、电流上限制层(7)上面制备一层二氧化硅电流隔离层(10)、电流隔离层(10)上光刻腐蚀出电流限制窗口(11)、再在二氧化硅电流隔离层(10)和电流限制窗口(11)上面制备上电极(6)、上电极(6)上开出出光窗口(12)、出光窗口(12)的面积小于电流限制窗口(11)、光窗口(12)处制备的多层介质薄膜DBR上反射镜(9)等部件构成；一种二氧化硅内电流限制窗口结构P型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器，由衬底(1)、衬底⑴上制备多层的AKiaN/GaN薄膜DBR下反射镜(8)、下反射镜⑶上面制备的GaN外延层O)、外延层( 上制备的相互分立的二氧化硅电流隔离层(10)和下电极(5)、在二氧化硅电流隔离层(10)上光刻腐蚀出电流限制窗口(11)、再在二氧化硅电流隔离层(10)和电流限制窗口(11)上面依次制备的电流下限制层(3)、ZnO基材料发光层 G)、电流上限制层(7)、带有出光窗口(12)的上电极(6)和在出光窗口(12)处制备的多层介质薄膜DBR上反射镜(9)等部件构成；一种是离子注入轰击电流限制窗口结构ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器，由衬底(1)、衬底(1)上制备多层的AlGaN/GaN薄膜DBR下反射镜(8)、下反射镜 (8)上面制备的GaN外延层(2)、GaN外延层(2)上制备的相互分立的电流下限制层(3)和下电极(5)、电流下限制层C3)上制备的SiO基材料发光层(4)、ZnO发光层(4)上面制备的电流上限制层(7)、电流上限制层(7)上制备带有出光窗口(12)的上电极(6)、在出光窗口 (12)处制备的多层介质薄膜DBR上反射镜(9)和在发光层中具有电流限制窗口(11) 的离子轰击高阻电流隔离层(13)等部件构成；一种是MgO内电流隔离限制窗口结构ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器，由衬底(1)、衬底(1)上制备多层的AKiaN/GaN薄膜DBR下反射镜(8)、下反射镜⑶ 上面制备的GaN外延层O)、GaN外延层(2)上制备的相互分立的MgO电流隔离层(14)和下电极(5)、在MgO电流隔离层(14)上光刻腐蚀出电流限制窗口(11)、再在MgO电流隔离层(14)和电流限制窗口(11)上面依次制备的电流下限制层(3)、ZnO基材料发光层、 电流上限制层(7)、带有出光窗口(12)的上电极(6)和在出光窗口(12)处制备的多层介质薄膜DBR上反射镜(9)等部件构成；其特征在于GaN外延层O)为η型GaN薄膜，ZnO基发光层⑷为ρ型ZnO基薄膜，电流下限制层(3)为Ga2O3薄膜，电流上限制层(7)为ρ型ZnO基三元薄膜，其禁带宽度大于 ZnO基发光层的禁带宽度。
2.根据权利要求1所述的ρ型ZnO和η型GaN组合的ZnO基垂直腔面发射激光器，其特征在于衬底(1)采用导电的η型SiC单晶和导电的η型GaN单晶，多层的AKiaN/GaN薄膜DBR下反射镜⑶进行掺杂，制备成η型导电的DBR，下电极(5)制备在衬底⑴的下面。
3.根据权利要求1所述的ρ型ZnO和η型GaN组合的ZnO基垂直腔面发射激光器，其特征在于上反射镜(9)的反射率大于下反射镜(8)的反射率。
4.根据权利要求1所述的ρ型ZnO和η型GaN组合的ZnO基垂直腔面发射激光器，其特征在于上反射镜(9)制备成金属反射镜，这种金属上反射镜(9)和上电极(6)合并一起制备。
5.一种二氧化硅上电流限制窗口结构ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器，由衬底(1)、衬底(1)上制备的多层AKiaN/GaN薄膜DBR下反射镜(8)、下反射镜⑶ 上面制备的GaN外延层(2)、GaN外延层(2)上制备的电流下限制层(3)、电流下限制层(3) 上制备的ZnO基材料发光层G)、ZnO发光层4上面制备的电流上限制层(7)、电流上限制层(7)上面制备一层二氧化硅电流隔离层(10)、电流隔离层(10)上光刻腐蚀出电流限制窗口(11)、再在二氧化硅电流隔离层(10)和电流限制窗口(11)上面制备上电极(6)、上电极 (6)上开出出光窗口(12)、出光窗口 (12)的面积小于电流限制窗口(11)、光窗口 (12)处制备的上反射镜(9)等部件构成；一种二氧化硅内电流限制窗口结构ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器，由衬底(1)、衬底(1)上制备多层的AKiaN/GaN薄膜DBR下反射镜(8)、下反射镜(8)上面制备的GaN外延层O)、外延层(2)上制备的二氧化硅电流隔离层(10)、在二氧化硅电流隔离层(10)上光刻腐蚀出电流限制窗口(11)、再在二氧化硅电流隔离层(10)和电流限制窗口(11)上面依次制备的电流下限制层(3)、Zn0基材料发光层G)、电流上限制层(7)、带有出光窗口(12)的上电极(6)和在出光窗口(12)处制备的上反射镜(9)等部件构成；一种是离子注入轰击电流限制窗口结构ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器，由衬底(1)、衬底(1)上制备多层的AKiaN/GaN薄膜DBR下反射镜(8)、下反射镜(8)上面制备的GaN外延层O)、GaN外延层(2)上制备的电流下限制层(3)、电流下限制层C3)上制备的ZnO基材料发光层0)、ZnO发光层(4)上面制备的电流上限制层(7)、电流上限制层(7)上制备带有出光窗口(12)的上电极(6)、在出光窗口 (12)处制备的上反射镜(9)和在发光层⑷中具有电流限制窗口(11)的离子轰击高阻电流隔离层(13)等部件构成；一种是MgO内电流隔离限制窗口结构ρ型ZnO和η型GaN组合 ZnO基垂直腔面发射激光器，由衬底(1)、衬底(1)上制备多层的AKiaN/GaN薄膜DBR下反射镜(8)、下反射镜(8)上面制备的GaN外延层O)、GaN外延层(2)上制备的MgO电流隔离层(14)、在MgO电流隔离层(14)上光刻腐蚀出电流限制窗口(11)、再在MgO电流隔离层 (14)和电流限制窗口(11)上面依次制备的电流下限制层(3)、Zn0基材料发光层、电流上限制层(7)、带有出光窗口(12)的上电极(6)和在出光窗口(12)处制备的上反射镜(9) 等部件构成，其特征在于GaN外延层⑵为η型GaN薄膜，ZnO基发光层(4)为ρ型ZnO基薄膜，电流下限制层⑶为Ga2O3薄膜，电流上限制层(7)为ρ型ZnO基三元薄膜，其禁带宽度大于ZnO基发光层(4)的禁带宽度，上反射镜(9)制备成金属反射镜，这种金属上反射镜 (9)和上电极(6)合并一起制备，衬底(1)采用导电的η型GaN单晶，多层的AKiaN/GaN薄膜DBR下反射镜(8)进行掺杂，制备成η型导电的DBR，下电极(5)制备在衬底(1)的下面， 下电极(5)开有出光窗口(12)。
6.根据权利要求5所述的ρ型ZnO和η型GaN组合的ZnO基垂直腔面发射激光器，其特征在于上反射镜(9)制备成金属反射镜，这种金属上反射镜(9)和上电极(6)合并一起制备，衬底(1)采用Al2O3单晶衬底并剥离去掉，多层的AKiaN/GaN薄膜DBR下反射镜(8) 进行掺杂，制备成η型导电的DBR，下电极(5)制备在下反射镜(8)的下面，下电极(5)开有出光窗口(12)。
7.根据权利要求5所述的ρ型ZnO和η型GaN组合的ZnO基垂直腔面发射激光器，其特征在于衬底(1)上不生长多层的AKiaN/GaN薄膜DBR下反射镜(8)，直接生长η型GaN 外延层O)，上反射镜(9)制备成金属反射镜，这种金属上反射镜(9)和上电极(6)合并一起制备，衬底(1)采用Α1203单晶衬底并剥离去掉，下电极(5)制备在η型GaN外延层(2) 的下面，下电极(5)开有出光窗口(12)，在出光窗口(12)处制备多层介质薄膜DBR下反射镜(8)。
8.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7所述的ρ型ZnO和η型GaN组合的ZnO基垂直腔面发射激光器，其特征在于电流下限制层⑶为η型AKiaN层，这层η型AKiaN电流下限制层(3)和GaN外延层(2) —起在GaN材料系MOCVD系统中一次外延完成生长，其中的内电流限制窗口结构的二氧化硅内电流限制层(10)、Mg0内电流限制层(14)制备在AlGaN电流下限制层(3)的上面，其中的非垂直结构的下电极( 和电流下限制层C3)上面制备的其它层结构相互分立的制备在η型AKiaN电流下限制层(3)上面。
9.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7和8所述的ρ型ZnO和η型GaN组合的ZnO基垂直腔面发射激光器制备方法，其特征在于GaN外延层O)、作为ZnO发光层(4)的ρ型ZnO基薄膜、作为电流上限制层(7)的ρ型ZnO基三元薄膜均使用MOCVD方法进行制备，电流上限制层(7)的禁带宽度大于ZnO基发光层的禁带宽度。
全文摘要
一种p型ZnO和n型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器及制备方法，属于半导体发光器件及其制备方法技术领域。器件由衬底1、衬底1上依次制备的AlGaN/GaN薄膜DBR下反射镜8、GaN外延层2、相互分立的电流下限制层3和下电极5、电流下限制层3上制备的ZnO基材料发光层4、电流上限制层7、上电极6和多层介质薄膜DBR上反射镜9等部件构成，其特征在于GaN外延层2为n型GaN薄膜，ZnO基发光层4为p型ZnO基薄膜，电流下限制层3为Ga2O3薄膜，电流上限制层7为p型ZnO基三元薄膜，其禁带宽度大于ZnO基发光层4的禁带宽度。本发明的效果和益处是可以降低激光器的串联电阻和工作电压，提高输出功率和散热能力，进一步拓展其应用范围。
文档编号H01S5/32GK102263372SQ20101018647
公开日2011年11月30日 申请日期2010年5月25日 优先权日2010年5月25日
发明者夏晓川, 杜国同, 梁红伟, 赵旺 申请人:大连理工大学