[發明專利]一種低電阻、低熱阻的氮化物半導體微腔激光器結構及其制備方法

有效

• 申請號: 201810373946.0
• 申請日: 2018-04-24
• 公開（公告）號: CN108718030B
• 公開（公告）日: 2021-07-06
• 發明（設計）人: 孫錢;馮美鑫;周宇;高宏偉;楊輝
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所南昌研究院;中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所
• 主分類號: H01S5/042
• 分類號: H01S5/042;H01S5/32
• 代理公司: 南京利豐知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 32256
• 代理人: 王鋒

本發明提供一種半導體微腔激光器結構及其制備方法，將在氮化物半導體的氮面制備微腔激光器，(0001)鎵面的p型歐姆接觸采用整面接觸的方式，大幅降低微腔激光器的串聯電阻；微腔激光器的熱量直接傳導到高熱導率的熱沉中，在氮面制備微腔激光器，采用濕法腐蝕的方法制作微腔激光器的側壁，可以大幅提升微腔激光器的穩定性，采用AlInGaN、ITO、AZO、IGZO、多孔GaN、Ag、Al、ZnO、MgO、Si、SiO₂、SiNx、TiO₂、ZrO₂、AlN、Al₂O₃、Ta₂O₅、HfO₂、HfSiO₄、AlON材料作為微腔激光器的光學限制層，提供強的光學限制。本發明提出的新型氮化物半導體微腔激光器結構具有電阻小、熱阻低、易實現電注入和穩定性及可靠性好等優點，可大幅增強氮化物半導體微腔激光器的性能和壽命。

技術領域

本發明涉及一種低電阻、低熱阻的氮化物半導體微腔激光器結構 及其制備方法，特別涉及一種電阻小、熱阻低且易實現電注入激射的 III-V族氮化物半導體微腔激光器結構及其制備方法，屬于半導體光 電技術領域。

背景技術

III-V族氮化物半導體被稱為第三代半導體材料，具有禁帶寬度 大、化學穩定性好、抗輻照性強等優點；其禁帶寬度涵蓋從深紫外、 整個可見光、到近紅外范圍，可用于制作發光二極管和激光器等?；?音壁模式(Whispering-gallery Mode)微腔激光器具有模式體積小、 品質因子高、閾值低等優點?；贗II-V族氮化物半導體材料的微腔 激光器，可用于光纖通信、光學存儲和化學生物探測等等，不僅如此， 生長在Si襯底上的III-V族氮化物半導體微腔激光器還可以用于光 電集成?；诖?，III-V族氮化物半導體微腔激光器受到了學術界和 產業界的廣泛關注。

常規氮化物半導體微腔激光器通常生長在藍寶石襯底、自支撐 GaN襯底或Si襯底上，為了增強微腔激光器的光學限制，通常采用 空氣作為上、下光學限制層，即采用“蘑菇”狀結構。對于生長在藍 寶石襯底或自支撐GaN襯底上的氮化物半導體微腔激光器，需在量子 阱有源區下方生長InGaN/InGaN的超晶格犧牲層結構，通過光輔助的 電化學腐蝕來刻蝕微腔激光器邊沿下方的InGaN/InGaN超晶格，從而 形成空氣下光學限制層。對于生長在Si襯底上的氮化物半導體微腔 激光器，需干法刻蝕到Si襯底，然后采用濕法腐蝕暴露出來的Si， 從而形成空氣下光學限制層。

另外，為制作電注入激射的氮化物半導體微腔激光器，還需生長 p型氮化物半導體層。對于III-V族氮化物半導體，通常采用二茂鎂 (CP₂Mg)作為p型摻雜劑，由于Mg受主在氮化物中的電離能較高(GaN: 170meV,AlN:470meV)，通常不到10％的Mg受主發生電離，因此p 型氮化物半導體中的空穴濃度較低。同時由于p型層中的Mg受主摻 雜濃度較高，且空穴有效質量較大，p型層中空穴的遷移率較低，因 此p型層的電阻較大。對于常規電注入激射的氮化物半導體微腔激光 器，為了形成較強的光場限制，所需的p型AlGaN層較厚(500nm)， 因此常規電注入激射的氮化物半導體微腔激光器的串聯電阻很大，熱 功率很大，導致激光器結溫很高，嚴重影響了微腔激光器的閾值電流 密度、壽命等。這種問題在紫外微腔激光器中更嚴重，紫外微腔激光 器中p型AlGaN光學限制層中的Al組分更高，Mg受主的電離能更大， p型AlGaN光學限制層中空穴濃度更低，紫外微腔激光器的電阻更大， 熱功率更大，微腔激光器的結溫更高，對微腔激光器器件性能和可靠 性的影響更大。

傳統的氮化物半導體微腔激光器均采用正裝的方式封裝，熱量需 通過約3μm厚的激光器結構和約100μm厚的襯底傳導到熱沉中， 激光器熱量的傳導路徑很長，且由于襯底熱導率較低，導致激光器的 熱阻很大。而激光器的熱功率較大，因此器件的結溫較高，嚴重影響 了器件的性能和壽命。