本技术涉及半导体光电子器件领域,特别是一种高效低损耗的微纳米GaN基垂直腔面发射激光器(VCSEL),该技术省去了电子阻挡层,简化了结构。该VCSEL由N型GaN层构成,直接位于衬底之上,通过优化设计减少了电子复合过程中的能量损耗,提升了器件性能。
背景技术
垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)是一种出光方向垂直于器件表面的半导体激光器。与边发射激光器相比,具有输出光束易与光纤耦合、阈值低、单纵模发射、易阵列化、制造成本低等优点。基于AlGaAs/GaAs材料体系的红外VCSEL早已发展成熟并实现商业化。并应用于光互联、光通信、光存储、量子精密测量等领域。但基于GaN材料体系的可见光VCSEL还存在较大的制造难度,目前尚处于实验室研究阶段。主要原因在于材料兼容性差,缺少与GaN晶格匹配的分布布拉格反射镜(DistributedBragg Reflector,DBR)材料,AlN和GaN之间的晶格失配高达2.4%,随着AlGaN/GaN DBR对数的增加,会由于应变弛豫而产生大量的缺陷。此外,AlGaN/GaN材料体系的P型掺杂较为困难,也阻碍了GaN基可见光VCSEL的产业化进程。
为了解决GaN基VCSEL中存在的问题,研究人员提出了采用介质膜DBR替代III族氮化物DBR的方案。基于此思路,研究人员首先提出了复合式DBR结构的VCSEL,即采用氮化物DBR作为下反射镜,介质DBR分别作为上反射镜,介质材料包括Ta2
O5
/SiO2
、Nb2
O5
/SiO2
、SiO2
/Si3
N4
等。这种方案避免了p型掺杂难以实现的困难,但作为下反射镜的氮化物DBR仍然存在极高的应变积累,产生大量缺陷,这些缺陷会影响后续外延生长过程,导致有源区的缺陷密度增加,降低VCSEL的辐射复合效率和内量子效率,增加了内损耗。此外,介质膜DBR作为上反射镜增加了芯片制备的工艺难度,也不利于产业化进程。在激光剥离技术的产生和推动下,研究人员进一步提出了双介质膜DBR的VCSEL结构,即上下两面反射镜均采用介质膜DBR。这种结构完全避免了DBR材料不兼容的问题,同时也避免了P型掺杂难以实现的问题,但进一步提高了芯片工艺难度,不利于产业化实施。
但是,不论是复合DBR结构的VCSEL,还是双介质膜DBR结构的VCSEL,均有高浓度P型掺杂的电子阻挡层存在。这一电子阻挡层处于VCSEL谐振腔中,光子在谐振腔中往返传播时,会被电子阻挡层中的空闲吸收,增加了器件的损耗。近年来,GaN微纳米柱阵列生长技术的逐渐成熟,轴向异质结构纳米柱可以形成完整的VCSEL外延结构,为GaN基VCSEL的制备提供了一种新的可能途径,即基于GaN基轴向异质结微纳米柱的微纳级VCSEL因此,有必要对VCSEL的结构进行进一步改进,以简化制备工艺,减小器件损耗,扩展器件的波长范围。
实现思路