专利名称：p-ZnO和n-GaN组合的ZnO基端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技术领域，特别是涉及基于ZnO基材料的 P-ZnO和n-GaN组合的ZnO基端发射激光器及制备方法。
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(60meV)、外延生长温度低、成本低、容易刻蚀而使芯片的后道加工更容易，使其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p-n结型发光器件的发光效率非常低，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材料组合制备发光器件(包括发光管和激光器)。H. Zhu等人在文献“Adv. Mater. 21，1613 (2009)，，就报道了一种GaN材料和ZnO 材料组合的激光器件。这种激光器结构如图1所示，由Al2O3衬底1，衬底1上外延生长的ρ 型GaN外延层2，外延层2上制备的相互分立的MgO电流下限制层3和下电极5，在电流下限制层3上制备的η型ZnO发光层4，在ZnO发光层4上面制备的上电极6等部件构成。为了克服ρ型GaN外延层载流子浓度偏低，电阻大，因而激光器串联电阻大，工作电压高，输出功率低的问题。我们在申请号为2010101244166.6的专利中提出了几种ρ型 ZnO和η型GaN组合的ZnO基发光器件及其制备方法。但是，由于这些发光器件都没有制备可控谐振腔，即使激射，一般也是由随机散射谐振腔或是ZnO纳米晶粒的微腔选模作用引起的，因而激光器输出功率非常低，激光的方向性也不好。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述ZnO基发光器件的这一困难，提供一种基于ZnO 基材料的P-ZnO和n-GaN组合的ZnO基端发射激光器及制备方法，以提高激光器输出功率， 改善激光的方向性。本发明的技术方案是本发明所设计的ZnO和GaN组合的ZnO基端面发射激光器(见附图2和
)，其芯片依次由衬底1、衬底1上制备的P型GaN外延层2、GaN外延层2上制备的 Zn1^xMgxO(χ值可在0. 05 1之间选择设定)电流下限制层3、电流下限制层3上制备的η 型ZnO基材料发光层4、η型ZnO基材料发光层4上面制备的上电极6构成，其特征在于衬底1是导电的GaAs晶体片、导电的hP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2的导电类型相同，同时在衬底1的下面制备有下电极5 ；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8和后反射镜9出光。进一步为了克服P型GaN外延层载流子浓度偏低，电阻大的问题，本发明结合 2010101244166. 6专利提出一种ρ型ZnO和η型GaN组合的ZnO基端面发射激光器(仍见附图2和
)，其芯片依次由衬底1、衬底1上制备的η型GaN外延层2、GaN外延层2 上制备的Ga2O3或η型AWaN电流下限制层3、电流下限制层3上制备的ρ型ZnO基材料发光层4、ZnO基材料发光层4上面制备的上电极6构成，其特征在于衬底1是导电的GaAs 晶体片、导电WhP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2的导电类型相同，同时在衬底1的下面制备有下电极5 ；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8和后反射镜9出光。进一步地为了简化工艺，本发明又结合2010101244166. 6的专利提出一种没有电流下限制层的ρ型ZnO和η型GaN组合的ZnO基端面发射激光器(见附图3和
)， 其芯片依次由衬底1、衬底1上外延生长的η型GaN外延层2、GaN外延层2上制备的ρ型 ZnO基材料发光层4、在ZnO基材料发光层4上面制备的上电极6构成，其特征在于衬底1 是导电的GaAs晶体片、导电的hP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2的导电类型相同，同时在衬底1的下面制备有下电极5 ；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8和后反射镜9出光。进一步的为了把光和载流子更好的限制在ZnO基材料发光层4中，本发明提出一种具有电流上限制层的ZnO和GaN组合的ZnO基端面发射激光器(见附图4和
)， 其芯片依次由衬底1、衬底1上制备的P型GaN外延层2、GaN外延层2上制备的^vxMgxO (χ 值可在0. 05 1之间选择设定)电流下限制层3、电流下限制层3上制备的η型ZnO基材料发光层4、ΖηΟ基材料发光层4上面制备的上电极6构成，其特征在于衬底1是导电的ρ 型GaAs晶体片、导电的ρ型hP晶体片、导电的ρ型SiC晶体片或导电的ρ型GaN晶体片， 同时在衬底1的下面制备有下电极5，在η型ZnO基材料发光层4和上电极6之间制备有η 型宽带隙ZnO基三元系材料电流上限制层7 ；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8和后反射镜9出光。同样也可以将申请号为2010101244166. 6的专利中有电流上限制层的ρ型ZnO和 η型GaN组合的ZnO基发光器件结构改进成激光器，即提出一种具有电流上限制层的ρ型 ZnO和η型GaN组合的ZnO基端面发射激光器(仍见附图4和
)，其芯片依次由衬底1、衬底1上外延生长的η型GaN外延层2、GaN外延层2上制备的(^a2O3或η型AlGaN电流下限制层3、电流下限制层3上制备的ρ型ZnO基材料发光层4、在ZnO基材料发光层4 上面制备的ρ型宽带隙ZnO基三元系材料电流上限制层7、电流上限制层7上面制备的上电极6构成，其特征在于衬底1是导电的GaAs晶体片、导电的M3晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2的导电类型相同，同时在衬底1的下面制备有下电极5 ；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8和后反射镜9出光。GaN和AlGaN外延层用目前工艺较成熟的常规MOCVD (金属有机物化学气相沉积) 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基材料发光层的材料包括ai0、aiMg0、aiBe0、SiCdO JnNiO等。 衬底材料是GaN单晶衬底或用与GaN材料晶格匹配较好的SiC单晶衬底，也可以是GaAs晶体片衬底和hP晶体片衬底，这里所说的宽带隙ZnO基三元系材料是ZnMg0、ZnBe0、ZnCd0、 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；利用GaAs晶体片衬底和 InP晶体片衬底在(110)晶面容易解理的特性，以及GaN单晶衬底和SiC单晶衬底在(1，ι
,0,0) (1，1，2，0)两个晶面容易解理的特性，将芯片减薄后解理，解理后的端面成很好的镜面，构成激光器的前反射镜8和后反射镜9，上、下电极材料用Au、Ni-Au, Ti-Au, Zn-Au和 Pt-Au等合金材料。进一步地，为了将注入激光器的电流限制在一个面积较小的条形区域，本发明提出四种具有条形电流限制窗口 11的激光器结构和制备方法。一种是二氧化硅外条形电流限制窗口结构ZnO和GaN组合ZnO基端面发射激光器 (见附图5和
)，其芯片依次由衬底1、衬底1上制备的ρ型GaN外延层2、GaN外延层2上制备的SvxMgxO (χ值可在0. 05 1之间选择设定)电流下限制层3、电流下限制层 3上制备的η型ZnO基材料发光层4、ZnO基材料发光层4上面制备的一层η型宽带隙ZnO 基三元系材料电流上限制层7、电流上限制层7上制备的上电极6构成，其特征在于衬底1 是导电的GaAs晶体片、导电的hP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2导电类型相同，同时在衬底1的下面制备有下电极5，在电流上限制层 7和上电极6之间制备有一层二氧化硅电流隔离层10，在二氧化硅电流隔离层10上光刻腐蚀出条形电流限制窗口 11，即在二氧化硅电流隔离层10和条形电流限制窗口 11上制备上电极6，上电极6通过条形电流限制窗口 11接触到电流上限制层7，从而进行电流注入；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8和后反射镜9出光，条形电流限制窗口 11的条形方向和芯片解理的前、后端面相垂直。同样，这种结构也适用于P型ZnO和η型GaN组合的ZnO基发光器件结构的改进， 即提出一种二氧化硅外条形电流限制窗口结构P型ZnO和η型GaN组合ZnO基端面发射激光器(仍见附图5和
)，其芯片依次由衬底1、在衬底1上外延生长的η型GaN外延层2、在GaN外延层2上制备的Ga2O3或η型AlGaN电流下限制层3、电流下限制层3上制备的P型ZnO基材料发光层4、在ZnO基材料发光层4上面制备的ρ型宽带隙ZnO基三元系材料电流上限制层7、电流上限制层7上制备的电极6构成，其特征在于衬底1是导电的GaAs晶体片、导电的hP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和 GaN外延层2导电类型相同，同时在衬底1的下面制备有下电极5，在电流上限制层7和上电极6之间制备有一层二氧化硅电流隔离层10，在二氧化硅电流隔离层10上光刻腐蚀出条形电流限制窗口 11，即在二氧化硅电流隔离层10和条形电流限制窗口 11上制备上电极6， 上电极6通过条形电流限制窗口 11接触到电流上限制层7，从而进行电流注入；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8和后反射镜9出光，条形电流限制窗口 11的条形方向和芯片解理的前、后端面相垂直。
第二种是二氧化硅内条形电流限制窗口结构ZnO和GaN组合ZnO基端面发射激光器(见附图6和
)，其芯片依次由衬底1、衬底1上制备的ρ型GaN外延层2、GaN 外延层2上制备的SvxMgxO (χ值可在0. 05 1之间选择设定)电流下限制层3、电流下限制层3上制备的η型ZnO基材料发光层4、ΖηΟ基材料发光层4上面制备的η型宽带隙ZnO 基三元系材料电流上限制层7、电流上限制层7上制备的上电极6构成，其特征在于衬底 1是导电的GaAs晶体片、导电的hP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2导电类型相同，同时在衬底1的下面制备有下电极5，在GaN外延层 2和电流下限制层3之间制备有二氧化硅电流隔离层10，在二氧化硅电流隔离层10上光刻腐蚀出条形电流限制窗口 11，即在二氧化硅电流隔离层10和条形电流限制窗口 11上制备电流下限制层3 ；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜 8和后反射镜9出光，条形电流限制窗口 11的条形方向和芯片解理的前、后端面相垂直。这种结构也适用于电流下限制层3是Ga2O3材料的ρ型ZnO和η型GaN组合的ZnO 基发光器件结构的改进，即一种(^a2O3下限制层二氧化硅内条形电流限制窗口结构P型ZnO 和η型GaN组合ZnO基端面发射激光器(仍见附图6和
)，其芯片依次由衬底1、 衬底1上制备的η型GaN外延层2、GaN外延层2上制备的(^a2O3电流下限制层3、电流下限制层3上制备的ρ型ZnO基材料发光层4、ZnO基材料发光层4上面制备的ρ型宽带隙ZnO 基三元系材料电流上限制层7、电流上限制层7上制备的上电极6构成，其特征在于衬底 1是导电的GaAs晶体片、导电的hP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2导电类型相同，同时在衬底1的下面制备有下电极5，在GaN外延层 2和电流下限制层3之间制备有二氧化硅电流隔离层10，在二氧化硅电流隔离层10上光刻腐蚀出条形电流限制窗口 11，即在二氧化硅电流隔离层10和条形电流限制窗口 11上制备电流下限制层3 ；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜 8和后反射镜9出光，条形电流限制窗口 11的条形方向和芯片解理的前、后端面垂直。对于电流下限制层3是η型AWaN层的激光器结构，由于η型AWaN层电流下限制层3是和η型GaN外延层2是在GaN材料系MOCVD中一次外延完成生长的，所以二氧化硅电流隔离层10要制备在η型AWaN层电流下限制层3上面，即一种AWaN下限制层二氧化硅内条形电流限制窗口结构ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO基端面发射激光器(见附图7 和
)，其芯片依次由衬底1、衬底1上制备的η型GaN外延层2、GaN外延层2上制备的η型AlGaN电流下限制层3、电流下限制层3上制备的ρ型ZnO基材料发光层4、ZnO基材料发光层4上面制备的ρ型宽带隙ZnO基三元系材料电流上限制层7、电流上限制层7上制备的上电极6构成，其特征在于衬底1是导电的GaAs晶体片、导电的^iP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2导电类型相同，同时在衬底 1的下面制备有下电极5，在η型AWaN电流下限制层3和ρ型ZnO基材料发光层4之间制备有二氧化硅电流隔离层10，在二氧化硅电流隔离层10上光刻腐蚀出条形电流限制窗口 11，即在二氧化硅电流隔离层10和条形电流限制窗口 11上制备P型ZnO基材料发光层4 ； 由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8和后反射镜9 出光，条形电流限制窗口 11的条形方向和芯片解理的前、后端面垂直。 第三种是离子注入轰击条形电流限制窗口结构ZnO和GaN组合ZnO基端面发射激光器(见附图8和
)，其芯片依次由衬底1、衬底1上制备的ρ型GaN外延层2、GaN
6外延层2上制备的SvxMgxO (χ值可在0. 05 1之间选择设定)电流下限制层3、电流下限制层3上制备的η型ZnO基材料发光层4、ΖηΟ基材料发光层4上面制备的η型宽带隙ZnO 基三元系材料电流上限制层7、电流上限制层7上制备的上电极6构成，其特征在于衬底1 是导电的GaAs晶体片、导电的hP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2导电类型相同，同时在衬底1的下面制备有下电极5，在ZnO基材料发光层4中用离子注入轰击的方法制备出一层高阻电流隔离层12，并形成条形电流限制窗口 11，具体制备方法可以采用钨丝掩模质子轰击的制备方法；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8和后反射镜9出光，条形电流限制窗口 11的条形方向和芯片解理的前、后端面垂直。同样，这种结构也适用ρ型ZnO和η型GaN组合的ZnO基发光器件结构的改进，即提出一种离子注入轰击条形电流限制窗口结构ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO基端面发射激光器(仍见附图8和
)，其芯片依次由衬底1、衬底1上制备的η型GaN外延层2、 GaN外延层2上制备的Ga2O3或η型AWaN电流下限制层3、电流下限制层3上制备的ρ型 ZnO基材料发光层4、ΖηΟ基材料发光层4上制备的ρ型宽带隙ZnO基三元系材料电流上限制层7、电流上限制层7上制备的上电极6构成，其特征在于衬底1是导电的GaAs晶体片、 导电的hP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2导电类型相同，同时在衬底1的下面制备有下电极5，在ZnO基材料发光层4中用离子注入轰击方法制备出一层高阻电流隔离层12，并形成条形电流限制窗口 11，具体制备方法可以采用钨丝掩模质子轰击的制备方法；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9， 激光器在前反射镜8和后反射镜9出光，条形电流限制窗口 11的条形方向和芯片解理的前、后端面垂直。第四种是MgO隔离内条形电流限制窗口结构ZnO和GaN组合ZnO基端面发射激光器(见附图9和
)，其芯片依次由衬底1、衬底1上制备的ρ型GaN外延层2、GaN 外延层2上制备的SvxMgxO (χ值可在0. 05 1之间选择设定)电流下限制层3、电流下限制层3上制备的η型ZnO基材料发光层4、ΖηΟ基材料发光层4上面制备的η型宽带隙ZnO 基三元系材料电流上限制层7、电流上限制层7上制备的上电极6构成，其特征在于衬底 1是导电的GaAs晶体片、导电的hP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2导电类型相同，同时在衬底1的下面制备有下电极5，在GaN外延层 2和电流下限制层3之间制备有厚度为100 2000纳米的MgO电流隔离层13，在MgO电流隔离层13上光刻腐蚀出条形电流限制窗口 11，即在MgO电流隔离层13和条形电流限制窗口 11上制备电流下限制层3 ；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8和后反射镜9出光，条形电流限制窗口 11的条形方向和芯片解理的前、后端面垂直。这种结构也适用于电流下限制层3是Gii2O3材料的ρ型ZnO和η型GaN组合的ZnO 基发光器件结构的改进，即一种Ga2O3下限制层MgO隔离内条形电流限制窗口结构ρ型ZnO 和η型GaN组合ZnO基端面发射激光器(仍见附图9和
)，其芯片依次由衬底1、 衬底1上制备的η型GaN外延层2、GaN外延层2上制备的(^a2O3电流下限制层3、电流下限制层3上制备的ρ型ZnO基材料发光层4、ZnO基材料发光层4上面制备的ρ型宽带隙ZnO 基三元系材料电流上限制层7、电流上限制层7上制备的上电极6构成，其特征在于衬底1是导电的GaAs晶体片、导电的hP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2导电类型相同，同时在衬底1的下面制备有下电极5，在GaN外延层 2和电流下限制层3之间制备有厚度为100 2000纳米的MgO电流隔离层13，在MgO电流隔离层13上光刻腐蚀出条形电流限制窗口 11，即在MgO电流隔离层13和条形电流限制窗口 11上制备电流下限制层3 ；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8和后反射镜9出光，条形电流限制窗口 11的条形方向和芯片解理的前、后端面垂直。对于电流下限制层3是η型AWaN层的激光器结构，由于η型AWaN层电流下限制层3是和η型GaN外延层2是在GaN材料系MOCVD中一次外延完成生长的，所以MgO电流隔离层13要制备在η型AWaN层电流下限制层3上面，即一种AWaN下限制层MgO隔离内条形电流限制窗口结构ρ型ZnO和η型GaN组合ZnO基端面发射激光器(见附图10和
)，其芯片依次由衬底1、衬底1上制备的η型GaN外延层2、GaN外延层2上制备的η型AWaN电流下限制层3、电流下限制层3上制备的ρ型ZnO基材料发光层4、ZnO基材料发光层4上面制备的ρ型宽带隙ZnO基三元系材料电流上限制层7、电流上限制层7上制备的上电极6构成，其特征在于衬底1是导电的GaAs晶体片、导电的^iP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2导电类型相同，同时在衬底 1的下面制备有下电极5，在η型AWaN电流下限制层3和ρ型ZnO基材料发光层4之间制备有一层厚度为100 2000纳米的MgO电流隔离层13，在MgO电流隔离层13上光刻腐蚀出条形电流限制窗口 11，即在MgO电流隔离层13和条形电流限制窗口 11上面制备ZnO基材料发光层4 ；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8 和后反射镜9出光，条形电流限制窗口 11的条形方向和芯片解理的前、后端面垂直。本发明所述的ZnO和GaN组合ZnO基端面发射激光器的制备方法，其特征在于 GaN外延层2、作为ZnO基材料发光层4的ZnO基薄膜、作为电流上限制层7的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 ZnO和GaN组合ZnO基激光器的可控谐振腔，可以降低激光器的阈值电流，提高激光器输出功率，使激光的方向变好，进一步拓展了激光器的应用范围。
图1 :GaN材料和ZnO材料组合的激光器结构示意图；图2 =ZnO和GaN组合的ZnO基端面发射激光器结构示意图；图3 没有电流下限制层的ρ型ZnO和η型GaN组合的ZnO基端面发射激光器结构示意图；图4 具有上限制层的ZnO和GaN组合的ZnO基端面发射激光器结构示意图；图5 二氧化硅外条形电流限制窗口结构ZnO和GaN组合ZnO基端面发射激光器结构示意图；图6 二氧化硅内条形电流限制窗口结构ZnO和GaN组合ZnO基端面发射激光器结构示意图7下限制层二氧化硅内条形电流限制窗口结构ρ型ZnO和η型GaN组合 ZnO基端面发射激光器结构示意图；图8 离子注入轰击条形电流限制窗口结构ZnO和GaN组合ZnO基端面发射激光器结构示意图；图9 :MgO隔离内条形电流限制窗口结构ZnO和GaN组合ZnO基端面发射激光器结构示意图；图10 =AWaN下限制层MgO隔离内条形电流限制窗口结构ρ型SiO和η型GaN组合ZnO基端面发射激光器结构示意图；图中各部分的名称为衬底l、GaN外延层2、电流下限制层3、Ζη0基材料发光层4、 下电极5、上电极6、电流上限制层7、前反射镜8、后反射镜9、二氧化硅电流隔离层10、条形电流限制窗口 11、高阻电流隔离层12、MgO电流隔离层13。
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和实施工艺。实施例1 没有电流下限制层的ρ型ZnO和η型GaN组合的ZnO基端面发射激光器。这种没有电流下限制层的ρ型ZnO和η型GaN组合的ZnO基端面发射激光器见附图3。其制备过程为，以SiC晶体片衬底为例，采用η型SiC晶体片为衬底，用目前成熟的常规MOCVD工艺在 SiC晶体片衬底上生长1 10微米包括缓冲层的η型(如掺Si)GaN外延层2，载流子浓度为IO18 102°/cm3，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设备在η型GaN外延层2上直接制备ρ型ZnO基材料发光层4，ρ型ZnO基材料发光层4的厚度为10纳米 5微米，ZnO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、ZL 200510046906. 8 号、ZL200810010104. 5号和ZL 200810010103. 0号专利方法；然后，用热蒸发台或电子束蒸发台蒸镀金属在ZnO基材料发光层4上面制备的上电极6 ；再将衬底减薄至60 150微米， 再在衬底下面蒸镀金属下电极5，然后在惰性气体保护下合金退火；芯片制备好后，沿(1，ι ,0,0)或(1，1，2，0)面将芯片解理成宽度为100微米 2毫米的巴条，再将巴条锯切成宽 100微米 500微米的管芯，这样就制备成了长方型(矩形)的激光器管芯；芯片解理的前、 后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8和后反射镜9出光，原来的巴条宽度就是激光器谐振腔的腔长；上、下电极材料可用AU、Ni-AU、Ti-AU、ai-AU或Pt-Au等合金材料中的一种或两种，其厚度为100 600纳米。这种结构激光器的衬底还可以采用导电的GaAs晶体片、导电的^iP晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2的导电类型相同，采用GaAs或hP晶体为衬底时解理面应当为(110)晶面。实施例2 ZnO和GaN组合的ZnO基端面发射激光器。这种ZnO和GaN组合的ZnO基端面发射激光器见附图2，其芯片依次由衬底1、衬底1上制备的ρ型GaN外延层2，外延层2上制备的SvxMgxO (χ值可在0. 05 1之间选择设定)电流下限制层3、电流下限制层3上制备的η型ZnO基材料发光层4、ΖηΟ基材料发光层4上面制备的上电极6构成，其特征在于衬底1是导电的GaAs晶体片、导电的hP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2的导电类型相同，同时在衬底1的下面制备有下电极5 ；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8和后反射镜9出光。其制备过程为，仍以SiC晶体片衬底为例，采用ρ型SiC晶体片为衬底，用目前成熟的常规MOCVD工艺在SiC晶体片衬底上生长1 10微米的ρ型(如掺Mg)GaN外延层2，载流子浓度为IO17 IO1Vcm3,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设备在η型GaN外延层2上制备ZrvxMgxO (χ值可在0. 05 1之间选择设定)电流下限制层3，电流下限制层3的厚度在 10 200nm之间，厚度可根据Mg含量χ值的不同需适当调整，χ值大，厚度应适当减小，χ 值小，厚度应适当增大，接着制备η型ZnO基材料发光层4，η型ZnO基材料发光层4的厚度为10纳米 5微米，其后的蒸镀上、下电极，合金退火、减薄、解理等工艺同实施例1。这种结构激光器衬底还可以采用导电的GaAs晶体片、导电的^iP晶体片或导电的GaN晶体片， 其导电类型和GaN外延层2的导电类型相同，采用GaAs或InP晶体为衬底时解理面应当为 (110)晶面。实施例3 ρ型ZnO和η型GaN组合的ZnO基端面发射激光器。这种ρ型SiO和η型GaN组合的ZnO基端面发射激光器仍见附图2。其芯片依次由衬底1、衬底1上制备的η型GaN外延层2、外延层2上制备的Ga2O3或η型AWaN电流下限制层3、电流下限制层3上制备的ρ 型ZnO基材料发光层4、ΖηΟ基材料发光层4上面制备的上电极6构成，其特征在于衬底1 是导电的GaAs晶体片、导电的hP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2的导电类型相同，同时在衬底1的下面制备有下电极5 ；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8和后反射镜9出光。对于电流下限制层3是η型MGaN的激光器其制备过程为，仍以SiC晶体片衬底为例，采用η型SiC晶体片为衬底，用目前成熟的常规MOCVD工艺在SiC晶体片衬底上生长 1 10微米包括缓冲层的η型(如掺Si)GaN外延层2，载流子浓度为IOw 102°/cm3，n型 GaN外延层2上接着生长η型AlxGai_xN电流下限制层3，χ值为0. 01 0. 5，其载流子浓度为IO18 102°/cm3，然后再采用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设备在η型Α1Χ(^_ΧΝ电流下限制层3上制备ρ型 ZnO基材料发光层4，ρ型ZnO基材料发光层4的厚度为10纳米 5微米，ZnO基材料的 P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、ZL 200510046906. 8 号、ZL 200810010104. 5 号和 ZL 200810010103. 0 号专利方法；其后的蒸镀上、下电极，合金退火、减薄、解理等工艺同实施例1。这种结构激光器也可以采用导电的 GaAs晶体片、导电的hP晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2的导电类型相同，采用GaAs或InP晶体为衬底时解理面应当为(110)晶面。对于电流下限制层3是Gii2O3薄膜材料的激光器其制备过程主要是Gii2O3材料薄膜电流下限制层3的制备工艺过程不同，其余工艺制备过程均同上。Ga2O3材料薄膜电流下限制层3的制备工艺有两种方法一种是用MOCVD方法制备，Ga源用三甲基镓(TMGa)和三乙基镓(TEGa)均可，用氩气或氮气携带进入MOCVD系统反应室，同时将氧源通入MOCVD系统反应室，生长时衬底的加热温度为100 900°C，Ga2O3材料薄膜厚度为5纳米 3微米。
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另一种是掺杂夹层方法制备，即采用我们申请已获批准的2008100504 . 6号专利方法，在η型GaN外延层2上面溅射上一层GaAs薄膜，然后生长ZnO基材料发光层4，再退火，使GaAs薄膜中的As扩散到SiO中进行掺杂，使ZnO基材料发光层4变成ρ型，GaAs 薄膜中的( 被氧化成Gii2O3留在η型GaN外延层2上面，形成Gii2O3材料薄膜电流下限制层 3。实施例4 具有电流上限制层的ZnO和GaN组合的SiO基端面发射激光器和具有电流上限制层的P型ZnO和η型GaN组合的ZnO基端面发射激光器，这两种激光器结构均见附图4。具有电流上限制层的ZnO和GaN组合的ZnO基端面发射激光器的制备工艺过程和实施例2的区别是多制备一层电流上限制层7，其余制备工艺工程完全一样；具有电流上限制层的ρ型 ZnO和η型GaN组合的ZnO基端面发射激光器的制备工艺过程和实施例3的区别是多制备一层电流上限制层7，其余制备工艺过程完全一样。电流上限制层7可以是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，其导电类型和发光层4相同，其制备方法是采用MOCVD方法，在02100436. 6号和ZL200410011164. 0号专利所述的ZnO薄膜专用生长MOCVD设备中，在完成ZnO发光层4生长后，接着生长。实施例5 二氧化硅外条形电流限制窗口结构ZnO和GaN组合ZnO基端面发射激光器和二氧化硅外条形电流限制窗口结构P型ZnO和η型GaN组合ZnO基端面发射激光器。这两种激光器结构均见附图5，其特征在于衬底1是导电的GaAs晶体片、导电的^iP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2导电类型相同，同时在衬底 1的下面制备有下电极5，在电流上限制层7上面制备一层二氧化硅电流隔离层10，光刻腐蚀出条形电流限制窗口 11，再在二氧化硅电流隔离层10上面制备上电极6，上电极6通过条形电流限制窗口 11接触到电流上限制层7，进行电流注入；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8和后反射镜9出光，条形电流限制窗口 11的条形方向和芯片解理的前、后端面垂直。和实施例4相对应的器件制备工艺相比较，其制备工艺的区别是在电流上限制层 7上面，用用电子束蒸发台或溅射台在电流上限制层7上制备二氧化硅电流隔离层10，厚度为20 900纳米，光刻刻蚀或用光刻胶剥离工艺刻蚀出宽度为2 100微米，间距为的 200 1000微米的条形电流限制窗口 11，条形电流限制窗口 11的条形方向和芯片解理的前、后端面垂直。其余制备工艺过程和实施例4相对应的器件制备工艺基本一样，不同之处是再将巴条锯切成管芯时，管芯的宽度要和条形电流限制窗口 11的间距一致，为200 1000微米。实施例6 离子注入轰击条形电流限制窗口结构ZnO和GaN组合ZnO基端面发射激光器和离子注入轰击条形电流限制窗口结构P型ZnO和η型GaN组合ZnO基端面发射激光器。这两种激光器结构均见附图8，其特征在于衬底1是导电的GaAs晶体片、导电的^iP晶体片、 导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层2导电类型相同，同时在衬底1的下面制备有下电极5，在ZnO基材料发光层4中用离子注入轰击方法制备出一层高阻电流隔离层12，以形成条形电流限制窗口 11 ；具体制备方法可以采用钨丝掩模质子轰击的制备方法；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9，激光器在前反射镜8 和后反射镜9出光，条形电流限制窗口 11的条形方向和芯片解理的前、后端面垂直。
和实施例4相对应的器件制备工艺相比较，其制备工艺的区别是在ZnO基材料发光层4中用离子注入轰击方法制备出一层高阻电流隔离层12，并形成条形电流限制窗口 11 ；具体的制备方法是在各外延层和上电极6制备好后，用钨丝掩模进行离子注入(钨丝掩模是用直径5 50微米的钨丝，排成间距200 1000微米做成的钨丝网)，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12形成在ZnO基材料发光层4内的中间，如图8所示，最好使高阻电流隔离层12上面的外延层在退火后还可以导电，这样有利于上电极6和电流上限制层7形成良好的欧姆接触，有利于减少激光器串联电阻；用钨丝做掩模时应将钨丝的方向和芯片解理方向垂直，这样形成的条形电流限制窗口 11的宽度约为5 50微米，间距200 1000 微米，形成的条形电流限制窗口 11的条形方向就能和芯片解理的前、后端面垂直。其余制备工艺过程和实施例4相对应的器件制备工艺基本一样，不同之处是再将巴条锯切成管芯时，管芯的宽度要和钨丝网中钨丝的间距一致，为200 1000微米。
权利要求
1.一种P-ZnO和n-GaN组合的ZnO基端发射激光器，其芯片依次由衬底(1)、衬底(1) 上外延生长的η型GaN外延层( 、n型在GaN外延层( 上制备的ρ型ZnO基材料发光层 G)、在P型ZnO基材料发光层(4)上面制备的上电极(6)构成，其特征在于衬底(1)是导电的GaAs晶体片、导电的^iP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层O)的导电类型相同，同时在衬底(1)的下面制备有下电极(5)；由芯片解理的前、后端面构成前反射镜(8)和后反射镜(9)，激光器在前反射镜(8)和后反射镜(9)出光。
2.如权利要求1所述的一种P-SiO和n-GaN组合的SiO基端发射激光器，其特征在于 在η型GaN外延层⑵和ρ型ZnO基材料发光层⑷间制备有Gei2O3或η型AlGaN电流下限制层⑶。
3.如权利要求1所述的一种P-SiO和n-GaN组合的SiO基端发射激光器，其特征在于 ρ型ZnO基材料发光层(4)的材料为SiO、ZnMgO, ZnBeO, ZnCdO或SiNiO。
4.权利要求1、2或3所述的一种p-ZnO和n-GaN组合的ZnO基端发射激光器的制备方法，其特征在于n型GaN外延层(2)、p型ZnO基材料发光层(4)均使用MOCVD方法进行制备。
全文摘要
本发明属于半导体发光器件及其制备技术领域，涉及几种p-ZnO和n-GaN组合的ZnO基端发射激光器及其制备方法。其芯片由衬底、在衬底上依次制备的n型GaN外延层、p型ZnO基材料发光层、上电极构成，其特征在于衬底是导电的GaAs晶体片、导电的InP晶体片、导电的SiC晶体片或导电的GaN晶体片，其导电类型和GaN外延层的导电类型相同，衬底下面制备有下电极，由芯片解理的前、后端面构成前反射镜和后反射镜，器件在前反射镜和后反射镜出光。本发明制备了ZnO基激光器的可控谐振腔，可以降低激光器的阈值电流，提高器件输出功率，使激光的方向变好，进一步拓展了器件的应用范围。
文档编号H01S5/10GK102263369SQ20111017343
公开日2011年11月30日 申请日期2010年10月9日 优先权日2010年10月9日
发明者夏晓川, 张宝林, 杜国同, 梁红伟, 赵旺 申请人:吉林大学