本发明涉及半导体照明、光电子技术领域，尤其涉及基于导电氧化物dbr的氮化物垂直腔面发射激光器的制作方法。
背景技术：
垂直腔面发射激光器(vcsel)相对于传统的边发射激光器而言，具有更窄的线宽、更低的阈值电流以及单纵模工作等优点，其圆形的光斑能够实现与光纤更高效的对准，而垂直的结构则允许其通过简单的工艺实现密集的二维集成。由于其在应用上的广阔前景，近年来成为了国际研究的热点领域。
氮化物材料包含氮化镓(gan)、氮化铟(inn)、氮化铝(aln)等，在具有优良的理化特性的基础上，作为一种宽禁带直接带隙半导体，具有很高的辐射复合效率。通过对禁带宽度的调节，其发光波长可以覆盖红外、可见光以及深紫外波段。是制作高效率半导体发光器件的主要材料之一。氮化物垂直腔面发射激光器以其结构简单、腔长易控制以及高复合效率等优点，在全彩显示、高分辨率打印、高密度光存储、医疗应用、人脸识别以及3d成像等领域受到了广泛的关注。
在现有的氮化物垂直腔面发射激光器结构中，谐振腔的上下反射镜通常是由外延生长的氮化物或沉积制备的氧化物介质膜分布式布拉格反射镜(dbr)构成[1-3]。相对于成熟的砷化物体系而言，在氮化物体系中，寻找合适的dbr材料相对而言较难，很难找到两种具有高折射率对比度且晶格匹配的氮化物合金。目前，在氮化物体系中常用的dbr材料主要有aln/gan、alinn/gan、algan/gan等，但是由于这些材料间折射率差异较低，需要更多的对数来达到所需的反射率，这进一步加剧了外延材料中的应力积累，造成材料质量的下降。另一方面，介质膜dbr的导电性较差，造成器件工艺复杂等问题，这对于整个器件的稳定性与寿命具有负面的影响。另外，由于外延生长p型氮化物电导率较低，金属/半导体接触电阻偏高，往往需要增加透明电流扩展层，并在dbr下方制备环形电极，以实现有效的腔内接触和电流注入[4-6]。这增加了高精度光刻、高质量材料生长等步骤，使制备工艺更加复杂。
因此，在氮化物垂直腔面发射激光器中，找到一种能导电，且具有更高折射率差异的dbr材料体系，能够有效地简化制备工艺，并提高器件稳定性。
在目前使用的dbr方案主要包括氧化物材料与氮化物材料的方案。其中，氮化物dbr具有能够导电的优点，但缺点在于外延生长质量控制较为困难。目前常用的sio2、ti3o5、hfo等氧化物dbr在生长制备技术上较为成熟，但其缺点是上述氧化物无法导电，这会增加器件结构的复杂程度。所以，本专利选用具有导电性的氧化物(包括：ga2o3、zno、cdo、nio、cuo、cu2o等)dbr作为器件的上下反射镜，能够有效规避现有氮化物dbr生长困难以及氧化物dbr不导电的问题，提供一个在制备难度和导电性上都有优势的方案。
参考文献
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技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种工艺简单、器件稳定性佳、能够有效规避现有氮化物dbr生长困难以及氧化物dbr不导电的问题的基于导电氧化物dbr的氮化物垂直腔面发射激光器的制作方法。
为了实现上述的技术目的，本发明所采用的技术方案为：
一种基于导电氧化物dbr的氮化物垂直腔面发射激光器，其包括依序层叠设置的支撑基板、第一反射镜、电流限制层、p型层、有源区、n型层、第二反射镜以及n电极；
其中，
所述的第一反射镜由p型导电性氧化物dbr构成；
所述的第二反射镜由n型导电性氧化物dbr构成；
由于导电性氧化物dbr具备导电性，其可以直接与谐振腔接触，作为电极使用。
该基于导电氧化物dbr的氮化物垂直腔面发射激光器为采用无特殊的透明电流扩展层以及腔内接触电极结构。
所述的第一反射镜和第二反射镜均为高导电性氧化物分布式布拉格反射镜。
作为一种可能的实施方式，进一步，所述第一反射镜使用空穴导电性氧化物dbr，其为具有p型导电性的氧化镍、氧化铜或氧化亚铜中的任意两种交叉排布构成；
所述第二反射镜使用导电性氧化物dbr，其为具有n型导电性的氧化锌、氧化镉或氧化镓中的任意两种交叉排布构成。
这些构成第一反射镜和第二反射镜的氧化物材料之间的折射率差均大于传统的氮化物dbr的折射率差(～0.085)。
同时，这些氧化物介质膜dbr在保持高反射率、宽反射带的同时也具有良好导电性能，可以直接作为接触电极使用。
作为一种较优的实施选择，优选的，所述第一反射镜的交叉排布对数为10～20对；
所述第二反射镜的交叉排布对数为5～10对；
所述的第一反射镜和/或第二反射镜为正方形或圆形。
作为一种可能的实施方式，进一步，所述支撑基板为金属导电材料或非金属导电材料制成，如掺杂半导体。
作为一种较优的实施选择，优选的，所述支撑基板为高热导率材料制成。
作为一种较优的实施选择，优选的，所述的电流限制层为sio2、aln或al2o3制成；
所述的n电极为cr、au、ni、au、ti、au中的一种以上层叠制成，例如，cr/au、ni/au、ti/au。
基于上述的激光器结构，本发明还提供一种基于导电氧化物dbr的氮化物垂直腔面发射激光器的制作方法，其包括如下步骤：
s1、在原始衬底上生长pin结构的半导体外延层；
s2、对半导体外延层表面进行刻蚀出预设区域以用于沉积电流限制层；
s3、在刻蚀形成的预设区域上进行沉积电流限制层；
s4、在沉积有电流限制层的半导体外延层上层叠制备第一反射镜；
s5、在第一反射镜上层叠制备兼做第一电极的支撑基板，同时使其覆盖第一反射镜远离半导体外延层的表面，获得第一坯体；
s6、将第一坯体倒置，去除原始衬底；
s7、在第一坯体上依序层叠制备第二反射镜和第二电极，完成激光器的制备。
作为一种可能的实施方式，进一步，步骤s1中，采用mocvd或者mbe方式生长pin结构的半导体外延层。
作为一种可能的实施方式，进一步，所述的半导体外延层包括依序层叠的n型层、有源区和p型层；
所述的第一反射镜由p型导电性氧化物dbr构成；
所述的第二反射镜由n型导电性氧化物dbr构成。
作为一种可能的实施方式，进一步，步骤s5中，支撑基板为金属导电材料或非金属导电材料，该支撑基板通过电镀或者金属键合的方式制取。
采用上述的技术方案，本发明与现有技术相比，其具有的有益效果为：本发明使用具有导电性的氧化物材料(zno、cdo、ga2o3、nio、cuo及cu2o)制作分布式布拉格反射镜，作为氮化物垂直腔面发射激光器的反射镜，相对于氮化物材料体系或介质膜材料体系，该反射镜具有优良的导电性能，能够同时作为激光器电极使用。
因此，在本发明的垂直腔面发射激光器(vcsel)结构中不需要使用透明电流扩展层以及腔内接触电极结构，从而显著地简化了激光器结构以及制备工艺；此外，由于这些氧化物之间有相对于常用的氮化物dbr材料体系更大的折射率差，有效减少了实现高反射率所需的dbr对数，提高了器件的散热性能，优化了有源区产生的热量传导到金属衬底的通道，有助于提高器件的性能与寿命。
在兼具如上所提及的优点情况下，本发明所公开的制作方法还可以实现氮化物垂直腔面发射激光器的制备，且制备工艺简单，与标准半导体制备工艺兼容，可以满足大规模光电器件制备与集成的需要，有着广泛的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的简要剖面结构示意图；
图2为本发明具体实施例的制作方法流程图；
图3为本发明方案在衬底上生长半导体外延层后的样品结构示意图；
图4为在外沿片上刻蚀出用于电流限制层沉积的位置后的结构示意图；
图5为本发明方案进行制备电流限制层后的结构示意图；
图6为本发明方案进行制备其中一氧化物dbr(第一反射镜)后的结构示意图；
图7为本发明方案进行制备支撑基板之后的样品结构示意图；
图8为本发明方案进行将样品倒置并去除原始衬底之后的样品结构示意图；
图9为本发明方案进行制备另一氧化物dbr(第二反射镜)与电极之后的样品结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明一种基于导电氧化物dbr的氮化物垂直腔面发射激光器，其包括依序层叠设置的支撑基板7、第一反射镜6、电流限制层5、p型层4、有源区3、n型层2、第二反射镜8以及n电极9；
其中，
所述的第一反射镜6由p型导电性氧化物dbr构成；
所述的第二反射镜8由n型导电性氧化物dbr构成。
本方案中，所述支撑基板8为高导热性的金属材料或其他材料，其作为支撑基板提供支撑性的同时，也作为电极使用。
其中，该支撑基板7可以是铜、铝或者其他导热性良好的金属材料或其他非金属材料制成，如半导体等制成，其厚度为几十至几百微米；支撑基板7的厚度过薄(小于几十微米时)可能会出现无法有效覆盖器件底部的情况，影响导电性；另外，支撑基板7作为器件的主要散热通道，厚度过薄也会对其实现散热性能造成影响。厚度过厚(大于几百微米)则可能会在制备过程中，产生过高的应力，进而造成位于其顶部的器件弯曲乃至断裂，降低器件制备的良品率，影响器件性能。
本方案中，所述的第一反射镜6和第二反射镜7均为高导电性氧化物分布式布拉格反射镜。
其中，作为一种可能的实施方式，进一步，所述第一反射镜6使用空穴导电性氧化物dbr，其为具有p型导电性的氧化镍、氧化铜或氧化亚铜中的任意两种交叉排布构成；
所述第二反射镜7使用导电性氧化物dbr，其为具有n型导电性的氧化锌、氧化镉或氧化镓中的任意两种交叉排布构成。
另外，第一反射镜6和第二反射镜8构成的具体材料可以按照器件发光波长需求进行。上分布式布拉格反射镜(第二反射镜8)对数略少于下分布式布拉格反射镜(第一反射镜6)，以提高出光功率，并允许激光从顶部出射。
本实施例中，作为一种较优的实施选择举例，优选的，所述第一反射镜6的交叉排布对数为10～20对；所述第二反射镜8的交叉排布对数为5～10对；所述的第一反射镜和/或第二反射镜为正方形或圆形。
这些构成第一反射镜6和第二反射镜7的氧化物材料之间的折射率差均大于传统的氮化物dbr的折射率差(～0.085)。
同时，这些氧化物介质膜dbr在保持高反射率、宽反射带的同时也具有良好导电性能，可以直接作为接触电极使用。
本方案中，所述电流限制层5为绝缘性材料，通过限制注入电流的横向扩散，提高注入载流子密度和发光功率。同时，也对横向高阶光模式进行限制，提高基态模式的出光功率。作为一种较优的实施选择，优选的，所述的电流限制层为sio2、aln或al2o3制成；其可以改善器件整体的散热性能。
本方案中，所述p型层4、有源区3和n型层2均可以采用现有的p型层、有源区和n型层结构，此已是非常成熟的现有技术，便不再进行叙述。
其中，所述n电极9的材料可以为cr/au、ni/au、ti/au或者其它电导率良好的金属电极材料或不同金属材料叠层构成。
基于上述的激光器结构，结合图2所示，本方案还提供一种基于导电氧化物dbr的氮化物垂直腔面发射激光器的制作方法，其包括如下步骤：
s1、在原始衬底上生长pin结构的半导体外延层；
s2、对半导体外延层表面进行刻蚀出预设区域以用于沉积电流限制层；
s3、在刻蚀形成的预设区域上进行沉积电流限制层；
s4、在沉积有电流限制层的半导体外延层上层叠制备第一反射镜；
s5、在第一反射镜上层叠制备兼做第一电极的支撑基板，同时使其覆盖第一反射镜远离半导体外延层的表面，获得第一坯体；
s6、将第一坯体倒置，去除原始衬底；
s7、在第一坯体上依序层叠制备第二反射镜和第二电极，完成激光器的制备。
结合图3所示，步骤s01中，可以使用mocvd或者mbe方法在原始衬底1上生长pin结构半导体外延层，具体为：在原始衬底1上依次生长n型层2、有源区3、以及p型层4，形成半导体外延片；而原始衬底1的材料一般使用gan、蓝宝石、si、sic等衬底。
结合图4所示，步骤s02中，可以使用光刻、电感耦合等离子体刻蚀等工艺在外延片表面进行刻蚀，留出供电流限制层沉积的位置。
结合图5所示，步骤s03中，可以使用磁控溅射或者原子层沉积工艺，在步骤s2中留下的位置内沉积电流限制层5，电流限制层材料可以为sio2，也可选用具有更高导热性的aln或者al2o3。
结合图6所示，步骤s04中，可以使用溅射、蒸镀等工艺在外延片上表面制备氧化物dbr，以作为第一反射镜6。本实施例中，氧化物dbr由p型氧化镍(分子式为nio)与氧化铜(分子式为cuo)层交叉排布构成，对数为10-20对，其形状可为正方形、圆形或者其他几何图形，尺寸可以为几至几百微米。
结合图7所示，步骤s05中，可以使用电镀或者金属键合的方法在介质膜dbr(即，第一反射镜6)上表面制备支撑基板7，其厚度可以为几十至几百微米，支撑基板7的材料可以为铜、铝或者其他导热导电性良好的金属或其他材料如半导体，其亦作为p电极使用。
结合图8所示，步骤s06中，可以将步骤s5形成的第一坯体倒置并使用激光剥离、抛光或者刻蚀的方法去除外延生长时的原始衬底1。去除原始衬底1后，基板7起到对半导体外延层的支撑作用。
步骤s06中所使用的激光剥离、抛光与刻蚀技术均有其优缺点。激光剥离能够通过分解gan的方式，高效地将样品与原始衬底剥离开，但其对转移衬底的支撑性以及激光功率等都有较高的要求，并可能在剥离开的样品表面留下残留。抛光可以使剥离后样品具有更平滑的表面，但需要较长的时间，还可能造成样品表面的倾斜。刻蚀技术能够在短时间内实现对衬底的快速减薄与剥离，但会对样品表面造成较大的损伤，影响样品性能。因而，在具体的制备中，可以根据具体需求，选取合适的技术或者通过多技术协同进行，来实现衬底的分离。
结合图9所示，步骤s07中，可以使用沉积、蒸镀等方式制备第二反射镜8和n电极9，本实施列中采用导电性氧化物dbr作为第二反射镜8，该氧化物dbr由n型氧化锌(分子式为zno)与氧化镉(分子式为cdo)层交叉排布构成，对数为5-10对，其反射率小于下反射镜(即，第一反射镜6)。之后使用溅射或者蒸镀等方式在氧化物dbr上表面制备n电极9，其材料可以为cr、ni、pt、ti、au或者其它电导率良好的金属电极材料或不同金属材料叠层构成。
本方案由于导电氧化物dbr的存在，将其作为第一反射镜、第二反射镜，能够允许使用无电流扩展层及内腔电极结构制备氮化物垂直腔面发射激光器。由氧化物制成的dbr能够在保证高反射率的基础上，起到电流注入的作用。这解决了传统氮化物以及介质膜dbr的电流注入难题，极大地简化了制备工艺。另外，由于这些氧化物之间相对于传统的氮化物dbr材料之间具有较大的折射率差异，能够使用较少的对数实现所需的反射率和反射带宽，相较于传统氮化物垂直腔面发射激光器使用的氮化物dbr，散热性能有所提高，使有源层中产生的热量能够顺利传递至支撑基板，实现器件整体的优异散热性能。
本发明使用光刻、刻蚀、电镀、沉积等工艺制备，可实现氮化物垂直腔面发射激光器的制备，所有制备工艺与标准半导体制备工艺兼容，满足大规模光电器件制备与集成的需要，有着广泛的应用前景。
尽管结合实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，包括仅将导电性氧化物dbr作为上或下反射镜在内的，从形式上和细节上对本发明所做出的各种变化，均为本发明的保护范围。
1.一种基于导电氧化物dbr的氮化物垂直腔面发射激光器，其特征在于，其包括依序层叠设置的支撑基板、第一反射镜、电流限制层、p型层、有源区、n型层、第二反射镜以及n电极；
其中，
所述的第一反射镜由p型导电性氧化物dbr构成；
所述的第二反射镜由n型导电性氧化物dbr构成。
2.如权利要求1所述的基于导电氧化物dbr的氮化物垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述第一反射镜为具有p型导电性的氧化镍、氧化铜或氧化亚铜中的任意两种交叉排布构成；
所述第二反射镜为具有n型导电性的氧化锌、氧化镉或氧化镓中的任意两种交叉排布构成。
3.如权利要求2所述的基于导电氧化物dbr的氮化物垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述第一反射镜的交叉排布对数为10～20对；
所述第二反射镜的交叉排布对数为5～10对；
所述的第一反射镜和/或第二反射镜为正方形或圆形。
4.如权利要求1所述的基于导电氧化物dbr的氮化物垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述支撑基板为金属导电材料或非金属导电材料制成。
5.如权利要求4所述的基于导电氧化物dbr的氮化物垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述支撑基板为高热导率材料制成。
6.如权利要求1所述的基于导电氧化物dbr的氮化物垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述的电流限制层为sio2、aln或al2o3制成；
所述的n电极为cr、au、ni、au、ti、au中的一种以上层叠制成。
7.基于导电氧化物dbr的氮化物垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，其包括如下步骤：
s1、在原始衬底上生长pin结构的半导体外延层；
s2、对半导体外延层表面进行刻蚀出预设区域以用于沉积电流限制层；
s3、在刻蚀形成的预设区域上进行沉积电流限制层；
s4、在沉积有电流限制层的半导体外延层上层叠制备第一反射镜；
s5、在第一反射镜上层叠制备兼做第一电极的支撑基板，同时使其覆盖第一反射镜远离半导体外延层的表面，获得第一坯体；
s6、将第一坯体倒置，去除原始衬底；
s7、在第一坯体上依序层叠制备第二反射镜和第二电极，完成激光器的制备。
8.如权利要求7所述的基于导电氧化物dbr的氮化物垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，步骤s1中，采用mocvd或者mbe方式生长pin结构的半导体外延层。
9.如权利要求8所述的基于导电氧化物dbr的氮化物垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，所述的半导体外延层包括依序层叠的n型层、有源区和p型层；
所述的第一反射镜由p型导电性氧化物dbr构成；
所述的第二反射镜由n型导电性氧化物dbr构成。
10.如权利要求7所述的基于导电氧化物dbr的氮化物垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，步骤s5中，支撑基板为金属导电材料或非金属导电材料，该支撑基板通过电镀或者金属键合的方式制取。
技术总结