一种基于电介质布拉格反射镜的垂直腔面发射硅衬底GaN激光器及其制备方法与流程

本发明涉及信息材料与器件领域，尤其是一种基于电介质布拉格反射镜的垂直腔面发射硅衬底gan激光器及其制备方法。

背景技术：

垂直腔面发射激光器(vcsel)是一种极具发展前景的新型半导体激光器，是光子学器件在集成化方面的重大突破。垂直腔面发射激光器不同于常规的端面发射激光器，端面发射激光器侧向出光，而垂直腔面发射激光器的出射光与谐振腔表面垂直。这种光腔取向的不同使得垂直腔面发射激光器的性能远远优于常规的端面发射激光器。激光垂直出射使得垂直腔面发射激光器易于形成二维平面阵列；发散角小和圆形对称的远、近场分布使其与光纤的耦合效率显著提高；光学谐振腔长度极短，使得纵模间距拉大，能够让其在较宽的温度范围内进行单纵模工作；动态调制频率高，腔体积小使其自发辐射因子高出常规端面发射激光器几个数量级，从而使得激光器的许多物理特性大为改善，如实现极低阈值甚至无阈值激射、功耗低、热能耗低等。此外，垂直腔面发射激光器易于测试、制备成本低、工艺也与平面硅工艺兼容，便于与电子器件实现光电子集成。

从材料角度看，氮化物材料尤其是gan材料，具有较高的折射率(～2.5)，在可见光、近红外波段透明，是一种优异的光学材料。传统的氮化镓外延层均是在蓝宝石衬底或碳化硅衬底上生长形成的。但蓝宝石衬底由于硬度高、导电性和导热性差等原因，对后期器件加工和应用带来很多不便，碳化硅衬底同样存在硬度高以及成本昂贵等不足之处。相比而言，硅衬底不仅价格便宜，而且有着优良的导热导电性能和成熟的器件加工工艺等优势，因此硅衬底氮化镓基晶圆受到业界的普遍关注，其制造技术也日益成熟，已经逐步走向市场。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于电介质布拉格反射镜的垂直腔面发射硅衬底gan激光器及其制备方法，能够解决现有gan垂直腔面发射激光器通常采用生长方式获得的半导体布拉格反射镜工艺复杂、耗时且不易获得高质量反射镜的问题；硅衬底氮化物晶圆相比现有gan激光器通常采用的蓝宝石衬底具有很大的成本优势，易于加工，更有利于大规模量产。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于电介质布拉格反射镜的垂直腔面发射硅衬底gan激光器，以硅衬底氮化物晶圆作为载体，包括硅衬底层、设置在硅衬底层上的aln层、设置在aln层上的algan层、设置在algan层上的垂直谐振微腔、以及绝缘隔离层、n型电极和p型电极。

优选的，垂直谐振微腔由n-gan层、设置在所述n-gan层上的ingan多量子阱层、设置在所述ingan多量子阱层上的p-gan层、设置在所述p-gan层上的顶部反射镜和设置在所述n-gan层下表面的底部反射镜构成。

优选的，p型电极由相连的p型电极导电区和p型电极键合区组成。

优选的，硅衬底氮化物晶圆上表面刻蚀有阶梯状台阶，阶梯状台阶包含上台面和下台面，上台面为p-gan层上表面，下台面为刻蚀后暴露的n-gan层上表面；n型电极设置在下台面上；顶部反射镜、p型电极导电区和绝缘隔离层设置在上台面上；p型电极键合区设置在绝缘隔离层上；n-gan层下方有贯穿硅衬底层、aln层、algan层至n-gan层中的空气腔。

优选的，顶部反射镜和底部反射镜的反射谱匹配ingan多量子阱有源层的电致发光谱，通过调整谐振微腔长度参数，顶部反射镜和底部反射镜的厚度参数，来调控垂直微腔的谐振波长，从而获得出射激光波长可调的硅衬底gan激光器。

优选的，调整顶部反射镜(10)和底部反射镜(11)的配对参数可进行调整来调控反射镜的反射谱，从而控制激光从顶部反射镜(10)出射或是从底部反射镜出射，实现激光出射方向可控的硅衬底gan激光器。

相应的，基于电介质布拉格反射镜的垂直腔面发射硅衬底gan激光器的制备方法，包括如下步骤：

(1)从背后对硅衬底氮化物晶圆的硅衬底层进行减薄抛光；

(2)在硅衬底氮化物晶圆的p-gan层上表面旋涂一层光刻胶，使用曝光技术在光刻胶层上定义出台阶区域；

(3)使用电感耦合等离子体反应离子刻蚀技术刻蚀台阶区域，随后剥离残余光刻胶，获得阶梯状台阶；

(4)在硅衬底氮化物晶圆上表面旋涂一层光刻胶，使用光刻对准及曝光技术在光刻胶层上定义顶部反射镜窗口区域和绝缘隔离层窗口区域；

(5)使用电子束蒸发技术在硅衬底氮化物晶圆上表面沉积电介质布拉格反射镜，剥离残余光刻胶后获得顶部反射镜和绝缘隔离层；

(6)在硅衬底氮化物晶圆上表面旋涂一层光刻胶，使用光刻对准及曝光技术在光刻胶层上定义p型电极窗口区域和n型电极窗口区域；

(7)使用磁控溅射技术蒸镀pd/pt/au，实现欧姆接触，剥离残余光刻胶后获得p型电极导电区、p型电极键合区与n型电极；

(8)在硅衬底氮化物晶圆上表面旋涂一层光刻胶作为器件保护层，在硅衬底氮化物晶圆的硅衬底层的下表面旋涂一层光刻胶，利用光刻背后对准及曝光技术在光刻胶层上定义出一个对准并完全覆盖垂直谐振微腔的背后刻蚀窗口；

(9)使用深硅刻蚀技术，以aln层为刻蚀阻挡层，通过硅衬底层的下表面的背后刻蚀窗口将所述硅衬底层完全剥离至aln层下表面；

(10)使用电感耦合等离子体反应离子刻蚀技术，从背后向上刻蚀掉全部aln层、全部algan层和部分n-gan层，形成一个空气腔；

(11)使用电子束蒸发技术在硅衬底氮化物晶圆下表面沉积电介质布拉格反射镜，获得底部反射镜；

(12)剥离硅衬底氮化物晶圆上表面的光刻胶，获得垂直腔面发射硅衬底gan激光器。

优选的，步骤(5)中顶部反射镜和绝缘隔离层使用一步电子束蒸发工艺同时沉积实现，沉积使用的材料为sio2/tio2，沉积温度为130℃；所述绝缘隔离层避免了p型电极键合区和p-gan上表面的接触，有利于提高激光器的电流注入密度，提升激光器的电光性能。

优选的，步骤(7)中蒸镀的pd/pt/au，结合蒸镀工艺、剥离工艺和温度控制在580±5℃的压缩空气退火技术获得；pd/pt/au厚度分别为60nm/90nm/550nm，电极厚度满足电泵浦激光器的大电流注入要求；p型电极导电区和p型电极键合区相互连接形成p型电极。

优选的，步骤(11)中底部反射镜使用电子束蒸发工艺沉积实现，沉积使用的材料为sio2/tio2，沉积温度为130℃。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提出的基于电介质布拉格反射镜的垂直腔面发射硅衬底gan激光器基于硅衬底gan晶圆实现，现有的gan垂直腔面发射激光器通常采用蓝宝石衬底gan晶圆实现；蓝宝石衬底由于硬度高、导电性和导热性差等原因，给后期器件加工和应用带来很多不便，硅衬底则有着优良的导热导电性能、成熟的器件加工工艺、衬底易剥离以及巨大的成本优势，更有利于激光器的大规模量产；

(2)在晶圆尺寸方面，硅衬底比蓝宝石衬底更适合于大尺寸外延；蓝宝石衬底技术从2寸转向6寸、8寸时技术壁垒非常高，生产成本不降反升；但硅衬底技术，

从2寸转向6寸到12寸衬底时则较为顺畅；基于硅衬底gan晶圆实现垂直腔面发射激光器有利于获得更大规模的激光器阵列；

(3)本发明提出的基于电介质布拉格反射镜的垂直腔面发射硅衬底gan激光器，使用电子束蒸发技术沉积电介质布拉格反射镜作为顶部反射镜和底部反射镜，现有的gan基激光器通常以生长方式获得inaln/gan或algan/gan等结构的半导体布拉格反射镜作为顶部反射镜和底部反射镜；从工艺角度看，沉积电介质布拉格反射镜工艺成熟且简单，生长半导体布拉格反射镜工艺复杂且耗时；从反射镜的质量看，电介质布拉格反射易于获得99％以上的高反射率，而半导体布拉格反射镜由于其半导体层之间的低折射率比、应力累积、晶格失配以及结晶度差等原因，导致半导体布拉格反射镜的反射率不高；

(4)本发明提出的基于电介质布拉格反射镜的垂直腔面发射硅衬底gan激光器，可以通过调整谐振微腔长度参数，顶部反射镜和底部反射镜的厚度参数，来调控垂直微腔的谐振波长，通过调整顶部反射镜和底部反射镜的配对参数调控反射镜的反射谱，来控制激光从顶部反射镜出射或是从底部反射镜出射，实现射激光波长可调、激光出射方向可控的硅衬底gan激光器；

(5)本发明提出的基于电介质布拉格反射镜的垂直腔面发射硅衬底gan激光器，使用电介质布拉格反射镜作为p型电极键合区和p-gan上表面之间的绝缘隔离层，所述绝缘隔离层和顶部反射镜使用一步电子束蒸发工艺同时沉积实现，减少了工艺步骤，节省了加工成本；现有的垂直腔面发射激光器通常需要单独的一步工艺步骤来沉积sio2作为绝缘隔离层，无法整合在其他加工步骤中同时完成。

附图说明

图1为本发明的激光器主视图。

图2为本发明的激光器左视图。

图3为本发明的激光器俯视图。

图4为本发明的激光器制备方法流程示意图。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，一种基于电介质布拉格反射镜的垂直腔面发射硅衬底gan激光器，以硅衬底氮化物晶圆作为载体，包括硅衬底层1、设置在硅衬底层1上的aln层2、设置在aln层2上的algan层3、设置在algan层3上的垂直谐振微腔14、以及绝缘隔离层12、n型电极7和p型电极。

垂直谐振微腔14由n-gan层4、设置在n-gan层4上的ingan多量子阱层5、设置在ingan多量子阱层5上的p-gan层6、设置在p-gan层6上的顶部反射镜10和设置在n-gan层4下表面的底部反射镜11构成。p型电极由相连的p型电极导电区8和p型电极键合区9组成。硅衬底氮化物晶圆上表面刻蚀有阶梯状台阶，阶梯状台阶包含上台面和下台面，上台面为p-gan层6上表面，下台面为刻蚀后暴露的n-gan层4上表面。n型电极7设置在下台面上。顶部反射镜10、p型电极导电区8和绝缘隔离层12设置在上台面上。p型电极键合区9设置在绝缘隔离层12上。n-gan层4下方有贯穿硅衬底层1、aln层2、algan层3至n-gan层4中的空气腔13。空气腔13正对垂直谐振微腔14。

基于电介质布拉格反射镜的垂直腔面发射硅衬底gan激光器采用的硅衬底gan晶圆从上至下依次包括p-gan层6、ingan多量子阱层5、n-gan层4、algan层3、aln层2和硅衬底层1。

电介质布拉格反射镜的垂直腔面发射硅衬底gan激光器在硅衬底gan晶圆的gan外延层上实现。

基于电介质布拉格反射镜的垂直腔面发射硅衬底gan激光器中，顶部反射镜10和绝缘隔离层11使用一步电子束蒸发工艺同时沉积完成。

基于电介质布拉格反射镜的垂直腔面发射硅衬底gan激光器中，激光器的p型电极导电区8、p型电极键合区9和n型电极7沉积使用的金属材料均为钯-铂-金合金。

本发明的基于电介质布拉格反射镜的垂直腔面发射硅衬底gan激光器中，所述顶部反射镜10和底部反射镜11的反射谱匹配ingan多量子阱有源层5的电致发光谱，可以通过调整谐振微腔长度参数，顶部反射镜10和底部反射镜11的厚度参数，来调控垂直微腔的谐振波长，从而获得出射激光波长可调的硅衬底gan激光器。

本发明的基于电介质布拉格反射镜的垂直腔面发射硅衬底gan激光器中，可以通过调整顶部反射镜10和底部反射镜11的配对参数来调控反射镜的反射谱，从而控制激光从顶部反射镜10出射或是从底部反射镜出射，实现激光出射方向可控的硅衬底gan激光器。

图4给出了基于电介质布拉格反射镜的垂直腔面发射硅衬底gan激光器的制备方法，包括以下步骤：

步骤(1)从背后对硅衬底氮化物晶圆的硅衬底层1进行减薄抛光；

步骤(2)在硅衬底氮化物晶圆的p-gan层6上表面旋涂一层光刻胶，使用曝光技术在光刻胶层上定义出台阶区域；

步骤(3)使用电感耦合等离子体反应离子刻蚀技术刻蚀台阶区域，随后剥离残余光刻胶，获得阶梯状台阶；

步骤(4)在硅衬底氮化物晶圆上表面旋涂一层光刻胶，使用光刻对准及曝光技术在光刻胶层上定义顶部反射镜10窗口区域和绝缘隔离层12窗口区域；

步骤(5)使用电子束蒸发技术在硅衬底氮化物晶圆上表面沉积电介质布拉格反射镜，剥离残余光刻胶后获得顶部反射镜10和绝缘隔离层12；

步骤(6)在硅衬底氮化物晶圆上表面旋涂一层光刻胶，使用光刻对准及曝光技术在光刻胶层上定义p型电极窗口区域和n型电极窗口区域；

步骤(7)使用磁控溅射技术蒸镀pd/pt/au，实现欧姆接触，剥离残余光刻胶后获得p型电极导电区8、p型电极键合区9与n型电极7；

步骤(8)在硅衬底氮化物晶圆上表面旋涂一层光刻胶作为器件保护层，在硅衬底氮化物晶圆的硅衬底层1的下表面旋涂一层光刻胶，利用光刻背后对准及曝光技术在光刻胶层上定义出一个对准并完全覆盖垂直谐振微腔14的背后刻蚀窗口；

步骤(9)使用深硅刻蚀技术，以aln层2为刻蚀阻挡层，通过硅衬底层1的下表面的背后刻蚀窗口将所述硅衬底层1完全剥离至aln层2下表面；

步骤(10)使用电感耦合等离子体反应离子刻蚀技术，从背后向上刻蚀掉全部aln层2、全部algan层3和部分n-gan层4，形成一个空气腔13；

步骤(11)使用电子束蒸发技术在硅衬底氮化物晶圆下表面沉积电介质布拉格反射镜，获得底部反射镜11；

步骤(12)剥离硅衬底氮化物晶圆上表面的光刻胶，获得垂直腔面发射硅衬底gan激光器。

本发明制备方法中，所述步骤(5)中顶部反射镜10和绝缘隔离层12使用一步电子束蒸发工艺同时沉积实现，沉积使用的材料为sio2/tio2，沉积温度为130℃。所述绝缘隔离层12避免了p型电极键合区9和p-gan上表面的接触，有利于提高激光器的电流注入密度，提升激光器的电光性能。

本发明制备方法中，所述步骤(7)中蒸镀的pd/pt/au，结合蒸镀工艺、剥离工艺和温度控制在580±5℃的压缩空气退火技术获得。pd/pt/au厚度分别为60nm/90nm/550nm，电极厚度满足电泵浦激光器的大电流注入要求。所述p型电极导电区8和p型电极键合区9相互连接形成p型电极。

本发明制备方法中，所述步骤(11)中底部反射镜11使用电子束蒸发工艺沉积实现，沉积使用的材料为sio2/tio2，沉积温度为130℃。

本发明的基于电介质布拉格反射镜的垂直腔面发射硅衬底gan激光器，使用电感耦合等离子体反应离子刻蚀技术从背面刻蚀掉富含缺陷的aln层2、algan层3，只留下高质量的gan外延层，有利于制备高质量垂直光学谐振微腔。绝缘隔离层12和顶部反射镜10通过一部电子束蒸发工艺实现，简化了加工步骤，降低了加工成本。根据ingan多量子阱层5的电致发光光谱，精确设计垂直谐振微腔14长度以及顶部反射镜10和底部反射镜11的厚度参数和配对参数，实现出射激光波长可调、激光出射方向可控的电泵浦硅衬底gan激光器。