基于多孔DBR的GaN基回音壁激光器、其制备方法及应用
阅读说明：本技术 基于多孔DBR的GaN基回音壁激光器、其制备方法及应用 (GaN-based echo wall laser based on porous DBR (distributed Bragg Reflector), and preparation method and application thereof ) 是由 赵丽霞 林杉 李婧 李晓东 于 2019-10-24 设计创作，主要内容包括：一种基于多孔DBR的GaN基回音壁激光器、其制备方法及应用,该GaN基回音壁激光器包括一衬底；一缓冲层,其设置在衬底上,缓冲层的外围向下刻蚀形成一凸起部分；一多孔DBR层,其设置在所述凸起部分上,起光场限制作用；一n型掺杂GaN层,其设置在多孔DBR层上；一有源层,其设置在n型掺杂GaN层上；一电子阻挡层,其设置在有源层上；以及一p型掺杂GaN层,其设置在电子阻挡层上。本发明采用的底部多孔DBR反射镜对回音壁微腔的光场有很好的垂直方向的限制作用,不会造成部分光场向衬底方向的泄露,制备的回音壁激光器阈值功率密度较低。(A GaN-based echo wall laser based on porous DBR, its preparation method and application, the GaN-based echo wall laser includes a substrate; the buffer layer is arranged on the substrate, and the periphery of the buffer layer is etched downwards to form a convex part; a porous DBR layer disposed on the convex portion for optical field confinement; an n-type doped GaN layer disposed on the porous DBR layer; an active layer disposed on the n-type doped GaN layer; an electron blocking layer disposed on the active layer; and a p-type doped GaN layer disposed on the electron blocking layer. The bottom porous DBR reflector adopted by the invention has good limiting effect in the vertical direction on the optical field of the echo wall microcavity, does not cause leakage of part of the optical field to the substrate direction, and the prepared echo wall laser has lower threshold power density.)
技术领域
本发明属于激光光源领域，具体涉及一种基于多孔DBR的GaN基回音壁激光器、其制备方法及应用。
背景技术
随着信息的高速发展，电子芯片的集成度不断提高，但由此引发的互联寄生效应会导致信号的延迟，是进一步提高信息传输处理不可忽视的瓶颈。利用光作为载体进行信息处理的光电子集成由于不受电互联寄生效应的影响，可以更好地快速进行信息处理。对于光电子集成技术而言，片上集成的激光器可以为光系统提供高效光源以保证信号的正常传输，为了满足光电集成高集成度、低功耗的要求，需要一种小尺寸、低功耗的片上光源。回音壁激光器以其小体积、低阈值、高品质因子、低功耗、制备简单的优势成为一种理想的光源。
目前，GaN(氮化镓)基回音壁激光器距离成为片上集成光源还有很多问题需要解决，如何降低激射阈值是其中最为重要的课题之一。由于激射阈值与激光器本身器件结构对有源区光场的限制能力直接相关，高光场限制能力导致激射阈值降低。因而优化设计激光器器件结构提高其光场限制作用有助于低阈值光泵甚至电泵GaN基回音壁激光器的实现。为了提高GaN基回音壁谐振腔的限光能力主要有两种技术途径：一种是利用外延生长GaN/AlXGa1-xN(铝镓氮)超晶格作为布拉格反射镜，然而由于GaN与AlN(氮化铝)存在2.4％的晶格失配，外延难度比较大，且在高Al组分下，该问题更为严重。此外，为了实现反射镜的高反射率，低折射率差往往需要通过增加DBR(氮化铝)的周期数来弥补，而外延多个周期的GaN/AlGaN DBR将进一步增加外延难度。除此之外，可以借助氮化镓选择性腐蚀在有源区下方引入空气隙来增加垂直界面的折射率差异，但仍存在一些问题。首先，对于衬底为蓝宝石的回音壁谐振腔，需要在有源区下方额外设计InGaN(铟镓氮)超晶格，超晶格的设计需兼顾腐蚀与外延带来的应力作用，这又增加了外延难度。其次，连接微盘与衬底的支撑材料与微盘的接触面积十分小，电学和热学接触差，不利于后期实现电学器件。同时部分模式也会沿着支撑材料泄露进衬底。
近年来，基于横向多孔GaN材料的DBR及其在氮化物光电器件中的应用引起人们的关注。多孔GaN-DBR只需调控氮化镓不同外延周期的掺杂浓度，再利用电化学的方法对重掺杂区域进行选择性腐蚀，从而形成横向多孔GaN，导致折射率的改变。这样和未腐蚀的轻掺杂GaN层可以形成较大的折射率差，从而获得周期性多孔GaN-DBR结构，有望实现高品质因子GaN基回音壁谐振腔。另外，这种新型回音壁谐振腔由于只需外延掺杂浓度轻重交替的GaN层，不仅不存在晶格失配问题，还有利于释放外延结构中的应力。除此之外，多孔GaN-DBR底部反射镜与有源区可以形成较好的电学与热学接触，有利于实现电泵器件。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种基于多孔DBR的GaN基回音壁激光器、其制备方法及应用，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种基于多孔DBR的GaN基回音壁激光器，包括：
一衬底；
一缓冲层，其设置在衬底上，缓冲层的外围向下刻蚀形成一凸起部分；
一多孔DBR层，其设置在所述凸起部分上，起光场限制作用；
一n型掺杂GaN层，其设置在多孔DBR层上，用于提供电子；
一有源层，其设置在n型掺杂GaN层上；
一电子阻挡层，其设置在有源层上，用于阻挡电子过冲、提高量子阱辐射复合的均匀性；以及
一p型掺杂GaN层，其设置在电子阻挡层上，用于提供空穴。
作为本发明的另一个方面，还提供了一种如上所述激光器的制备方法，包括：
作为本发明的又一个方面，还提供了一种如上所述的激光器或如上所述制备方法得到的激光器在光电子集成领域的应用。
基于上述技术方案可知，本发明的基于多孔DBR的GaN基回音壁激光器、其制备方法及应用相对于现有技术至少具有以下优势之一：
1、本发明采用的底部多孔DBR反射镜对回音壁微腔的光场有很好的垂直方向的限制作用，不会造成部分光场向衬底方向的泄露，因而该发明制备的回音壁激光器阈值功率密度较低；
2、本发明由于多孔DBR下反射镜是嵌入在整个外延结构中，其相比于支柱结构，与有源层的接触面积更大，力学性能更好，散热性能更优良；
3、本发明由于多孔DBR包含n型GaN叠层，导电性能更好，有利于电泵回音壁激光器的实现。
附图说明
图1为本发明实施例的回音壁光泵激光器的结构示意图；
图2为本发明实施例的回音壁光泵激光器的制备流程图；
图3为本发明实施例的回音壁光泵激光器俯视图；
图4为本发明实施例的回音壁光泵激光器的多孔DBR扫描电子显微镜图片。
附图标记说明：
1-衬底；2-缓冲层；3-DBR层；4-n型掺杂GaN层；5-有源层；6-电子阻挡层；7-p型掺杂GaN层，8-电流扩展层。
具体实施方式
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，对本发明作进一步的详细说明。
本发明的目的在于提供一种有利于光电子集成的低阈值(小于80kw/cm2)GaN基回音壁光泵激光器，同时提供了制备上述器件的方法，通过在回音壁激光器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，从而实现回音壁激光器底部反射镜的高质量嵌入。在此基础上，采用普通光刻、蒸镀金属、等离子刻蚀的工艺制备出回音壁激光器的器件制备。
本发明公开了一种回音壁光泵激光器，包括：
一衬底；
一缓冲层，其设置在衬底上，缓冲层的外围向下刻蚀形成一凸起部分；
一多孔DBR层，其设置在所述凸起部分上，起光场限制作用；
一n型掺杂GaN层，其设置在多孔DBR层上，用于提供电子；
一有源层，其设置在n型掺杂GaN层上；
一电子阻挡层，其设置在有源层上，用于阻挡电子过冲、提高量子阱辐射复合的均匀性；以及
一p型掺杂GaN层，其设置在电子阻挡层上，用于提供空穴。
其中，所述衬底为平面衬底或图形衬底；
其中，所述衬底采用的材料包括蓝宝石、硅、氮化镓或碳化硅中的任一种。
其中，所述缓冲层包括GaN形核层和非故意掺杂GaN层。
其中，所述凸起部分的高度小于缓冲层的厚度；
其中，所述凸起部分为圆柱或圆环台面。
其中，所述多孔DBR层构成GaN基回音壁激光器的下反射镜；
其中，所述多孔DBR层的结构包括氮化物多孔层和非多孔层交替堆叠构成的DBR；
其中，所述多孔DBR层采用的材料包括GaN、AlGaN中的任一种或两种组合。
其中，所述激光器还包括用于电化学腐蚀形成多孔DBR层的电流扩展层，所述电流扩展层设置在多孔DBR层和缓冲层之间；
其中，所述电流扩展层采用的材料包括n型掺杂的GaN。
其中，所述n型掺杂GaN层的掺杂剂包括硅烷；
其中，所述有源层采用的材料包括InGaN/GaN多量子阱结构；
其中，所述电子阻挡层采用的材料包括无掺杂的AlGaN或p型掺杂的AlGaN；
其中，所述p型掺杂的AlGaN的掺杂剂包括二茂镁。
本发明还公开了一种如上所述激光器的制备方法，包括：
(1)在衬底上依次生长缓冲层、交替堆叠的掺杂层、n型掺杂GaN层、有源层、电子阻挡层和p型掺杂GaN层；
(2)对交替堆叠的掺杂层进行横向腐蚀形成多孔DBR层；
(3)在步骤(2)得到的器件顶部设置掩膜版；
(4)以步骤(3)得到的掩膜版为模板刻蚀p型掺杂GaN层、电子阻挡层、有源层、n型掺杂层、多孔DBR层至缓冲层；
(5)除去步骤(4)中的掩膜版，得到的器件即为所述激光器。
其中，步骤(2)中所述腐蚀形成多孔DBR层的腐蚀方法包括采用电化学腐蚀法；
其中，步骤(3)中所述掩膜版的图案形状包括圆形或圆环；
其中，步骤(3)掩膜版的制备方法包括：在所述步骤(2)得到的多孔DBR层表面旋涂光刻胶，然后采用光刻技术在旋涂的光刻胶层上定义上圆形或环形图案，然后在光刻胶上蒸镀金属镍，利用蓝膜剥去金属，形成金属镍的圆盘或圆环，最后去除残留的光刻胶；
其中，步骤(4)中所述刻蚀方法包括等离子增强刻蚀法。
本发明还公开了如上所述的激光器或如上所述制备方法得到的激光器在光电子集成领域的应用。
在本发明的一个示例性实施例中，一种基于多孔DBR的GaN基回音壁光泵激光器，包括：
一衬底，该衬底的材料为蓝宝石、硅、氮化镓或碳化硅；
一缓冲层，位于衬底的上表面，所述缓冲层的外围向下刻蚀形成有圆柱或圆环台面，所述台面的深度小于所述缓冲层的厚度，所述缓冲层中间为凸起部分；
一底部多孔DBR层，位于缓冲层的凸起部分上；
一n型掺杂GaN层，位于底部多孔DBR层的上表面；
一有源层，位于所述n型掺杂GaN层的上表面；
一电子阻挡层，位于所述有源层的上表面；
一p型掺杂GaN层，位于所述电子阻挡层的上表面。
其中，所述底部多孔DBR层构成GaN基回音壁激光器的下反射镜。
其中，所述底部多孔DBR层的结构为氮化物多孔层和非多孔层交替堆叠构成的DBR。
本发明还提供了一种基于多孔DBR的GaN基回音壁光泵激光器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：在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、氮化镓或碳化硅；
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：在所述步骤2得到的多孔DBR层表面旋涂光刻胶，然后采用光刻技术在旋涂的光刻胶层上定义上圆形或环形图案，然后在光刻胶上蒸镀金属镍，利用蓝膜剥去金属，形成金属镍的圆形或圆环，最后去除残留的光刻胶；
步骤4：以金属镍的圆盘或圆环为掩膜版，采用等离子增强刻蚀技术向下依次刻蚀p型掺杂GaN层、电子阻挡层、有源层、n型掺杂层、底部多孔DBR层直至缓冲层，从而将所述步骤3中定义出的图形转移至衬底以上的其它层中；
步骤5：去除金属掩膜，得到圆盘或圆环的微腔结构，即为所述激光器，完成器件制备。
其中，所述底部多孔DBR层构成GaN回音壁激光器的下反射镜。
其中，所述底部多孔DBR层的结构为氮化物多孔层和非多孔层交替堆叠构成的DBR。
以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
请参阅图1，本实施例的一种基于多孔DBR的GaN基回音壁光泵激光器，包括：
一衬底1，为平面或图形衬底，该衬底1的材料为蓝宝石、硅、氮化镓或碳化硅；
一缓冲层2，位于衬底1的上表面，该缓冲层由低温(小于750℃)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(大于800℃)生长非故意掺杂GaN层。所述缓冲层的外围向下刻蚀形成有圆柱或圆环台面，所述台面的深度小于所述缓冲层的厚度，所述缓冲层中间为凸起部分；
一底部多孔DBR层3，位于缓冲层2的上凸起部分上，所述底部多孔DBR层3的材料为GaN、AlGaN，或氮化物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3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3的周期数为20；
所述底部多孔DBR层3和缓冲层2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3的电流扩展层；
一n型掺杂GaN层4，掺杂剂为硅烷，典型掺杂浓度为1×1018cm-3，位于底部多孔DBR层3的上表面；
一有源层5，其制作在所述n型掺杂GaN层4的上表面，该有源层5为InGaN/GaN多量子阱结构；
一电子阻挡层6，位于所述有源层5的上表面，该电子阻挡层6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7，位于所述电子阻挡层6的上表面；
请参阅图2并结合参阅图1及图3所示，本发明提供一种基于多孔DBR的GaN基回音壁光泵激光器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：在一衬底1上依次生长缓冲层2、交替堆叠的轻重掺杂层(轻掺杂浓度不大于1×1018cm-3，重掺杂浓度在5×1018-1×1020cm-3)、n型掺杂GaN层4、有源层5、电子阻挡层6和p型掺杂GaN层7，电流扩展层8；如图2中a图所示。
其中所述衬底1的材料为蓝宝石、硅、氮化镓或碳化硅，所述交替堆叠的轻重掺杂层和缓冲层2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3，如图2中b图所示。
所述底部多孔DBR层3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，或以上材料的组合材料，DBR层的扫描电子显微镜图如图4所示。
步骤3：在所述步骤2得到的多孔化GaN晶片表面旋涂光刻胶，光刻胶为负性光刻胶，然后采用光刻技术在旋涂的光刻胶层上定义上圆形或圆环形图案，再利用电子束蒸镀的技术在旋涂有光刻胶的晶片上蒸镀金属镍，随后将蓝膜贴敷在金属上，利用蓝膜与金属的粘附力，剥去不需要的金属，形成金属镍的圆盘或圆环，最后去除残留的光刻胶，形成掩膜版，如图2中c图所示。
步骤4：采用等离子增强刻蚀的技术，以所述步骤3制备的金属图形为硬质掩膜刻蚀所述步骤2得到的多孔化GaN外延晶片，从上至下依次刻蚀包含p型掺杂GaN层7、电子阻挡层6、有源层5、n型掺杂层4、底部多孔DBR层3直至缓冲层2，其中所述缓冲层2的刻蚀深度小于所述缓冲层的厚度。刻蚀完成后，所述步骤3中定义出的图形转移至衬底以上的其它层中，如图2中d图所示。
步骤5：将蓝膜贴敷在步骤4得到的晶片蒸镀有金属的一面，用力撕去蓝膜，除定义的图形外的多余金属大部分被剥离掉，使用去膜剂去除多余光刻胶，最终得到GaN基回音壁光泵激光器，如图2中e图所示；所述p型掺杂GaN层7和缓冲层2暴露在空气中，俯视图呈圆形(如图3中A图所示)或圆环图案(如图3中B图所示)。
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，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。
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