基于多孔DBR的GaN基VCSEL芯片及制备方法与流程

本发明属于激光光源领域，具体涉及一种GaN基VCSEL(垂直腔面发射激光器)，特别涉及一种基于多孔DBR底部反射镜的GaN基VCSEL芯片及制备方法。

背景技术：

GaN半导体基激光器在高密度光存储、激光照明、激光显示、可见光通信等领域展现出了巨大的应用前景和市场需求，近年来在国际科研和产业界备受关注。目前，GaN基边发射激光器已实现了商品化，而性能更为优异的垂直腔面发射激光器(VCSEL)尚未达到实用化水平。和传统的边发射激光器相比，GaN基VCSEL具有良好的动态单模特性和空间发射模特性，且工作阈值低、光束发散角小，具有制作成本低、温度稳定性高等优点，还可以实现高密度的二维阵列集成和更高功率的光输出。因此，GaN基VCSEL的应用前景更为广阔。

不过，对于已报道的GaN基VCSEL，其难点是获得高品质因子的光学谐振腔，特别是构成谐振腔的高反射性底部反射镜的实现。通常，其顶部反射镜可采用工艺成熟的介质DBR，如SiO₂/TiO₂体系DBR，而底部反射镜则需要在VCSEL的外延结构中直接在衬底一侧生长嵌入，如外延AlN/GaN系的氮化物DBR层，且底镜反射率一般要求越高越好。由于AlN/GaN的晶格失配和热膨胀系数差异，实际过程中制备高质量A1N/GaN系DBR困难极大。同时，由于AlN/GaN的折射率差较小，往往需要增加更多DBR的周期数并引入超晶格插入层来实现反射镜的高反射率，这将进一步增加AlN/GaN系DBR的外延难度。因此，以AlN/GaN系为代表的氮化物DBR生长程序复杂，外延条件极为苛刻且重复率不高。

另一种可替代方案是通过激光剥离使外延层从衬底上脱落，然后在剥离GaN面沉积介质DBR层或金属反射镜再与其它衬底热压键合或电镀铜衬底。该方法规避了外延氮化物DBR的难题，可以实现高反射率的底部反射镜，有利于获得高品质因子的谐振微腔。不过激光剥离的方法成本较高，且剥离后的外延层底部很不平整，需要经过化学磨抛以实现剥离面的平坦化，从而降低散射损耗。此外，为了尽量减轻激光剥离对有源区的影响，往往需要采用较长的谐振腔长使有源区远离剥离面，但这会降低谐振腔的品质因子。因此，通过剥离衬底再沉积介质DBR底部反射镜的方法，其器件工艺复杂且成本昂贵，对于实用化GaN基VCSEL并不理想。

横向多孔DBR可以从根本上突破谐振腔高反射率底部反射镜的技术壁垒。通过电化学腐蚀非掺杂层(或轻掺杂层)和重掺杂层交替堆叠的周期性GaN外延结构，可选择性的在重掺杂层内形成横向空气孔道，从而改变该层材料的有效折射率，而非掺杂层(或轻掺杂层)则不受腐蚀影响。空气隙的引入将使多孔GaN层与非多孔层产生一定的折射率差，从而形成多孔GaN层和非多孔层交替堆叠的DBR复合结构。在此基础上，以介质DBR层作为顶部反射镜，制备GaN基VCSEL。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种基于多孔DBR的GaN基VCSEL芯片及制备方法，其是以横向多孔DBR作为GaN基VCSEL的底部反射镜，通过在VCSEL外延结构中直接生长交替堆叠的轻重掺杂层，并经横向电化学腐蚀将其转变为多孔层与非多孔层交替堆叠的DBR结构，从而实现VCSEL底部反射镜的高质量嵌入。在此基础上，以介质DBR层作为顶部反射镜，采用VCSEL常规工艺完成器件制备。

为达到上述目的，本发明提供一种基于多孔DBR的GaN基VCSEL芯片，包括：

一衬底，该衬底的材料为蓝宝石、硅或碳化硅；

一缓冲层，其制作在衬底的上表面；

一底部多孔DBR层，其制作在缓冲层的上表面；

一n型掺杂GaN层，其制作在底部多孔DBR层的上表面，所述n型掺杂GaN层的外围向下刻蚀形成有台面，所述台面的深度小于所述n型掺杂GaN层的厚度，所述n型掺杂GaN层的中间为凸起部分；

一有源层，其制作在所述n型掺杂GaN层的凸起部分上；

一电子阻挡层，其制作在所述有源层的上表面；

一p型掺杂GaN层，其制作在所述电子阻挡层的上表面；

一电流限制层，为绝缘介质，其制作在所述p型掺杂GaN层的上表面及侧面，该电流限制层的中心形成有电流窗口，且该电流限制层覆盖有源层、电子阻挡层和n型掺杂GaN层凸起部分的侧壁，并覆盖部分台面；

一透明电极，其制作在所述p型掺杂GaN层上面的电流限制层及电流窗口处；

一n电极，其制作在n型掺杂GaN层的台面上；

一p电极，其制作在所述透明电极上面的四周，中间形成有凹缺；

一介质DBR层，其制作在所述p电极凹缺内透明电极的上表面。

本发明还提供一种基于多孔DBR的GaN基VCSEL芯片的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在一衬底上依次生长缓冲层、交替堆叠的轻重掺杂层、n型掺杂GaN层、有源层、电子阻挡层和p型掺杂GaN层，所述衬底的材料为蓝宝石、硅或碳化硅；

步骤2：采用电化学腐蚀的方法对交替堆叠的轻重掺杂层进行横向腐蚀，将其转变为多孔层和非多孔层交替堆叠的底部多孔DBR层；

步骤3：在p型掺杂GaN层上的四周向下刻蚀，刻蚀深度到达n型掺杂GaN层内，在n型掺杂GaN层的四周形成台面；

步骤4：在p型掺杂GaN层、台面、有源层和电子阻挡层的侧壁制备电流限制层；

步骤5：采用光刻、腐蚀技术在电流限制层上开一电流窗口并去掉台面上的部分电流限制层；

步骤6：在p型掺杂GaN层上的电流窗口处制备一透明电极；

步骤7：在去掉部分电流限制层的台面上和透明电极的四周分别制备n电极和p电极，该p电极的中间形成有凹缺；

步骤8：在p电极的凹缺内透明电极的上表面制备介质DBR层，完成器件制备。

本发明的有益效果是，由于多孔DBR只需外延掺杂浓度周期调制的GaN层，并采用电化学腐蚀的方法制备，不存在晶格失配问题，且实现过程简单、可重复性高，可以直接嵌入在芯片底部，利于实际应用。同时，以高反射性多孔DBR为底部反射镜，以技术成熟的介质DBR为顶部反射镜构成光学谐振腔，有利于获得高品质因子的GaN基电泵浦VCSEL器件，从而满足光存储、光通信及显示等领域对于高功率输出、高密度集成的光源需求。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图对本发明做进一步详细说明。这里以绿光多孔DBR及其VCSEL作为优选实施例进行说明。其中：

图1为本发明一实施例的结构示意图；

图2为本发明的制备流程图；

图3为图1的底部多孔DBR扫描电子显微镜图片；

图4为图3对应的反射谱图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明提供一种基于多孔DBR的GaN基VCSEL芯片，包括：

一衬底10，为平面或图形衬底，该衬底10的材料为蓝宝石、硅或碳化硅；

一缓冲层11，其制作在衬底10的上表面，该缓冲层由低温GaN形核层和非故意掺杂GaN层构成，以高纯纯氨气作为氮源，三甲基镓或三乙基镓作为Ga源，先低温生长GaN形核层，再高温生长非故意掺杂GaN层。可用作形核层的材料还包括AlN、ZnO或石墨烯；

一底部多孔DBR层12，其制作在缓冲层11的上表面，所述底部多孔DBR层12的材料为GaN、AlGaN、InGaN或AlInGaN，或以上材料组合的多孔层和非多孔层交替堆叠构成的多周期DBR；

其中，所述底部多孔DBR层12通过电化学腐蚀交替堆叠的轻重掺杂层获得，其中重掺杂层的典型掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3，轻掺杂层的典型浓度5×10¹⁶cm^-3，底部多孔DBR层12的周期数为12；

所述底部多孔DBR层12和缓冲层11之间还生长有一层n型GaN层，作为专用于电化学腐蚀形成底部多孔DBR层12的电流扩展层；

一n型掺杂GaN层13，掺杂剂为硅烷，典型掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3，其制作在底部多孔DBR层12的上表面，所述n型掺杂GaN层13的外围向下刻蚀形成有台面13’，所述台面13’的深度小于所述n型掺杂GaN层13的厚度，所述n型掺杂GaN层13的中间为凸起部分13”；

一有源层14，其制作在所述n型掺杂GaN层13的凸起部分13”上，该有源层14为InGaN/GaN多量子阱结构，其发光峰位于520nm附近，与底部多孔DBR层12的高反带对应，以实现发光波长与谐振波长的匹配；

一电子阻挡层15，其制作在所述有源层14的上表面，该电子阻挡层15为AlGaN材料，可进行p型掺杂，掺杂剂为二茂镁；

一p型掺杂GaN层16，其制作在所述电子阻挡层15的上表面；

一电流限制层17，为绝缘介质，其制作在所述p型掺杂GaN层16的上表面及侧面，该电流限制层17的中心形成有电流窗口17’，以实现载流子窄化，典型的电流窗口为直径在10-30μm的圆孔图形；该电流限制层17覆盖有源层14、电子阻挡层15和n型掺杂GaN层13凸起部分13”的侧壁，并覆盖部分台面13’以实现侧壁钝化，减小器件的漏电通道；

其中所述电流限制层17的材料为SiO₂、SiN_x、HfO₂或Al₂O₃；

一透明电极18，其制作在所述p型掺杂GaN层16上面的电流限制层17及电流窗口17’处，可用作透明电极的材料包括为掺铟氧化锡ITO，石墨烯、ZnO薄膜、透明金属或纳米银线，或以上复合薄膜材料；

一n电极20，其制作在n型掺杂GaN层13的台面13’上；

一p电极21，其制作在所述透明电极18上面的四周，中间形成有凹缺；

其中所述n电极20和p电极21所用金属材料为Cr/Al/Ti/Au、Cr/Pt/Au、Ni/Au、Ni/Ag/Pt/Au、Ti/Au或Ti/Pt/Au；

一介质DBR层19，其制作在所述p电极21凹缺内的透明电极18的上表面作为顶部反射镜，该介质DBR层19为多周期SiO₂/TiO₂、SiO₂/Ta₂O₅、TiO₂/Al₂O₃或ZrO₂/SiO₂结构；该介质层中靠近透明电极18一侧还包含一相位调整层，以调整VCSEL中的电场分布，尽可能降低透明导电层18的吸收损耗。

其中介质DBR层19和底部多孔DBR层12分别构成VCSEL芯片的上、下反射镜，且底部多孔DBR层12在有源层14发光峰附近的反射率在95％以上并高于介质DBR层19，以使VCSEL器件从顶部介质DBR层一侧出光。

请参阅图2并结合参阅图1所示，本发明提供一种基于多孔DBR的GaN基VCSEL芯片的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在一衬底10上依次生长缓冲层11、交替堆叠的轻重掺杂层、n型掺杂GaN层13、有源层14、电子阻挡层15和p型掺杂GaN层16；

其中所述衬底10的材料为蓝宝石、硅或碳化硅，所述底部多孔DBR层12的材料为氮化物多孔层和非多孔层交替堆叠构成的多周期DBR，其构成材料为GaN、AlGaN、InGaN或AlInGaN，或以上材料的组合材料，所述底部多孔DBR层12和缓冲层11之间还生长有一层n型GaN层，作为专用于电化学腐蚀形成多孔DBR的电流扩展层；

步骤2：采用电化学腐蚀的方法对交替堆叠的轻重掺杂层进行横向腐蚀，将其转变为多孔层和非多孔层交替堆叠的底部多孔DBR层12；

步骤3：在p型掺杂GaN层16上的四周向下刻蚀，刻蚀深度到达n型掺杂GaN层13内，并在n型掺杂GaN层13的四周形成台面13’；

步骤4：在p型掺杂GaN层16、台面13’、有源层14和电子阻挡层15的侧壁制备电流限制层17，以实现载流子窄化和侧壁钝化，减小器件的漏电通道；其中所述电流限制层17的材料为SiO₂、SiN_x、HfO₂或Al₂O₃；

步骤5：采用光刻、腐蚀技术在电流限制层17上开一电流窗口17’并去掉台面13’上的部分电流限制层17；

步骤6：在p型掺杂GaN层16上的电流窗口17’处制备一透明电极18；

步骤7：在去掉部分电流限制层17的台面13’上和透明电极18的四周分别制备n电极20和p电极21，该p电极21的中间形成有凹缺；

其中所述n电极20和p电极21所用金属材料为Cr/Al/Ti/Au、Cr/Pt/Au、Ni/Au、Ni/Ag/Pt/Au、Ti/Au或Ti/Pt/Au；

步骤8：在p电极21的凹缺内透明电极18的上表面制备介质DBR层19，完成器件制备，该介质DBR层19为多周期SiO₂/TiO₂、SiO₂/Ta₂O₅、TiO₂/Al₂O₃或ZrO₂/SiO₂结构。

请参阅图3并结合参阅图4所示，本发明提供一种GaN基底部多孔DBR层12的扫描电子显微镜图片及其对应的反射谱图。其中，图3内的多孔层为经电化学腐蚀后的重掺杂GaN层，而未腐蚀的GaN层为轻掺杂层。两层材料由于空气隙的引入存在折射率差，并交替堆叠构成底部多孔DBR层。图4反射谱中的横坐标为波长，纵坐标为反射率，从反射谱图可以看出，该底部多孔DBR层12在520nm附近具有极高的反射率以及较宽的高反射带，可以满足GaN基绿光VCSEL对于高反射率底部反射镜的要求。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。