本發(fā)明涉及半導體垂直腔面發(fā)射激光器領域，特別涉及一種垂直腔面發(fā)射激光器及其制備方法。

背景技術：

1、光技術與信息社會的發(fā)展息息相關，在網絡、存儲器方面有非常重要的應用。要使得系統(tǒng)能充分利用光的并行性，能夠大規(guī)模地進行二維集成化的并列光器件十分重要。垂直腔面發(fā)射激光器，簡稱vcsel，是一種光從垂直于半導體襯底表面的方向射出的半導體激光器，其一大特征是在同一襯底上可以二維集成許多這樣的器件。并且閾值低、發(fā)散角小、調制速率高、輸出光束呈圓對稱、器件壽命長、易與光纖耦合等優(yōu)點。而基于gainasp的vcsel已經在世界范圍內得到了非常廣泛的應用。

2、氮化鎵垂直腔面發(fā)射激光器，簡稱gan?vcsel，是一種基于gan材料的垂直腔面發(fā)射激光器。氮化鎵，簡稱gan，具有3.4ev的帶隙，是寬直接帶隙半導體，其本征發(fā)光波長約為367nm，使得紫外發(fā)光二極管成為可能。此外gan具有擊穿電場高、熱導率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強等優(yōu)勢?；趃an的垂直腔面發(fā)射激光器可以實現高質量的藍紫激光，在照明、生物醫(yī)療、海洋探測和通信等領域具有廣泛的應用前景。

3、然而，gan?vcsel的研究仍面臨一些挑戰(zhàn)。其中包括gan和藍寶石襯底之間的晶格失配問題、高質量和高反射率的gan分布式布拉格反射鏡的制備問題，gan?vcsel的電注入問題，以及由于量子阱中內置極化場、富含in的團簇引起的相分離導致的線寬增寬等問題。

技術實現思路

1、本發(fā)明為了解決現有技術存在gan和藍寶石襯底之間的晶格失配的問題，提出了一種垂直腔面發(fā)射激光器及其制備方法，采用高對比度光柵與分布式布拉格反射鏡相結合，具有高反射率，避免了gan和藍寶石襯底之間的晶格失配。

2、為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是：

3、本發(fā)明一方面公開了一種垂直腔面發(fā)射激光器，由若干個單元器件組成陣列。

4、其中單個單元器件包括從上到下依次連接的n端電極、犧牲層、n型gan、ingan多量子阱、p型gan、sio2電流阻擋層、ito導電透明薄膜、p端電極、底端介質dbr、鍵合金屬硅襯底。

5、所述介質dbr的外部設有環(huán)形的p端電極，p端電極的上端與ito導電透明薄膜連接，下端與鍵合金屬連接。

6、所述n端電極為環(huán)形中空結構，n端電極的中空部分設有hcg反射鏡。

7、本發(fā)明另一方面公開了一種垂直腔面發(fā)射激光器的制備方法，包括：

8、在n型gan上沉積ingan多量子阱作為有源區(qū)。

9、在有源區(qū)上沉積p型gan，在p型gan上沉積一層sio2，進行掩膜光刻，用反應離子束刻蝕方法刻蝕掉部分sio2層后，剩下的sio2作為sio2電流阻擋層。

10、在sio2電流阻擋層上沉積一層ito透明導電薄膜，ito透明導電薄膜與p型gan形成歐姆接觸，在ito透明導電薄膜上沉積介質dbr作為p型gan這端的反射鏡；其中，dbr為分布式布拉格反射器。

11、對發(fā)光區(qū)域以外的介質dbr進行刻蝕并蒸鍍p端電極，再通過金屬鍵合到硅襯底上。

12、進行光學仿真，得到諧振腔長，利用激光剝離藍寶石襯底，將n型gan與藍寶石襯底分離，通過拋光減薄、刻蝕控制n型gan的厚度，將器件倒置，在n型gan層上制備微納結構hcg光子晶體，并定義器件的諧振腔，得到hcg反射鏡；其中，hcg為高對比度光柵；

13、制備n端電極，得到垂直腔面發(fā)射激光器。

14、進一步地，通過仿真軟件仿真ingan多量子阱的每層厚度，并將仿真的多量子阱結構發(fā)光調整到所需波長，根據仿真的結果進行ingan多量子阱的沉積。

15、進一步地，sio2電流阻擋層的位置、厚度、形狀進行仿真，通過仿真器件的電流、電場情況以及載流子的分布，確定sio2電流阻擋層的位置、厚度及形狀。

16、進一步地，對發(fā)光區(qū)域以外的介質dbr進行刻蝕并蒸鍍p端電極的方法包括：

17、進行掩膜光刻，用電感耦合等離子體刻蝕方法進行介質dbr的刻蝕，再進行一次套刻將蒸鍍金屬電極進行剝離，刻出每個單元器件的p端電極。

18、進一步地，介質dbr的介質材料影響折射率，介質dbr的反射帶寬由相鄰材料的折射率和折射率差決定；

19、通過仿真的結果確定介質dbr的介質材料與每一層的膜厚，以此控制介質dbr的反射帶位于發(fā)光波長之中。

20、進一步地，所述器件的諧振腔為hcg反射鏡到介質dbr之間的結構。

21、更進一步地，進行光學仿真，得到諧振腔長具體包括：

22、通過仿真軟件進行光學仿真，仿真所需波長的高對比度光柵光子晶體的周期和占空比，得到反射率和光柵周期、占空比的關系，并通過仿真使最終有源區(qū)的發(fā)光波長滿足諧振腔的諧振條件。

23、諧振條件為：k*d＝2*π*m，k是傳播波矢，d是腔長，m是非負整數。

24、進一步地，利用仿真軟件仿真器件的光場分布，使器件的光學腔模處于有源區(qū)的發(fā)光波長，并使得形成的光場駐波波結位于ito區(qū)域，波腹位于有源區(qū)。

25、進一步地，制備微納結構高對比度光柵光子晶體的方法包括：

26、在n型gan上沉積一層犧牲層，再在上面沉積一層本征gan；接著在之上刻出高對比度光柵光子晶體結構，通過蒸鍍制備n端電極，并刻蝕掉犧牲層。

27、本發(fā)明的有益效果：

28、1.采用介質dbr和hcg反射鏡，gan和藍寶石襯底之間的晶格失配。

29、2.利用ito透明導電膜作為p型歐姆接觸，并利用激光剝離和拋光減薄的技術實現具備介質dbr和hcg反射鏡的垂直腔面發(fā)射激光器結構，實現了高反射率，高輸出功率。

技術特征：

1.一種垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于，由若干個單元器件組成陣列；

2.一種垂直腔面發(fā)射激光器的制備方法，采用如權利要求1所述的一種垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于，包括：

3.根據權利要求2所述的一種垂直腔面發(fā)射激光器的制備方法，其特征在于，通過仿真軟件仿真ingan多量子阱的每層厚度，并將仿真的多量子阱結構發(fā)光調整到所需波長，根據仿真的結果進行ingan多量子阱的沉積。

4.根據權利要求2所述的一種垂直腔面發(fā)射激光器的制備方法，其特征在于，sio2電流阻擋層的位置、厚度、形狀進行仿真，通過仿真器件的電流、電場情況以及載流子的分布，確定sio2電流阻擋層的位置、厚度及形狀。

5.根據權利要求2所述的一種垂直腔面發(fā)射激光器的制備方法，其特征在于，對發(fā)光區(qū)域以外的介質dbr進行刻蝕并蒸鍍p端電極的方法包括：

6.根據權利要求2所述的一種垂直腔面發(fā)射激光器的制備方法，其特征在于，介質dbr的介質材料影響折射率，介質dbr的反射帶寬由相鄰材料的折射率和折射率差決定；

7.根據權利要求2所述的一種垂直腔面發(fā)射激光器的制備方法，其特征在于，所述器件的諧振腔為hcg反射鏡到介質dbr之間的結構。

8.根據權利要求7所述的一種垂直腔面發(fā)射激光器的制備方法，其特征在于，進行光學仿真，得到諧振腔長具體包括：

9.根據權利要求2所述的一種垂直腔面發(fā)射激光器的制備方法，其特征在于，利用仿真軟件仿真器件的光場分布，使器件的光學腔模處于有源區(qū)的發(fā)光波長，并使得形成的光場駐波波結位于ito區(qū)域，波腹位于有源區(qū)。

10.根據權利要求2所述的一種垂直腔面發(fā)射激光器的制備方法，其特征在于，制備微納結構hcg光子晶體的方法包括：

技術總結
本發(fā)明公開了一種垂直腔面發(fā)射激光器及其制備方法，其中垂直腔面發(fā)射激光器包括：由若干個單元器件組成陣列；其中單個單元器件包括從上到下依次連接的n端電極、犧牲層、n型GaN層、InGaN多量子阱、p型GaN層、SiO<subgt;2</subgt;電流阻擋層、ITO導電透明薄膜、介質DBR、鍵合金屬、硅襯底；所述介質DBR的外圈設有p端電極，p端電極的上端與ITO導電透明薄膜連接，下端與鍵合金屬連接；所述n端電極為環(huán)形中空結構，n端電極的中空部分設有HCG反射鏡；本發(fā)明避免了GaN和藍寶石襯底之間的晶格失配。

技術研發(fā)人員：朱海,王競卓,王亞琪,王潤晨
受保護的技術使用者：中山大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/10/21