n型ZnO和p型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器及制备方法技术

一种n型ZnO和p型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器及制备方法，属于半导体发光器件及其制备方法技术领域。激光器件由衬底1，p型GaN外延层2，外延层2上制备的相互分立的电流下限制层3和下电极5，电流下限制层3上制备的n型ZnO基材料发光层4，上电极6等部件构成，其特征是在衬底1和p型GaN外延层2之间生长制备多层AlGaN/GaN薄膜DBR下反射镜8，n型ZnO发光层4上而制备一层n型宽带隙ZnO基三元系材料电流上限制层7，再在电流上限制层7上制备相互分立的上电极6和多层介质薄膜DBR上反射镜9。本发明专利技术的效果和益处是有可控谐振腔，可以提高器件输出功率，使激光的方向变好，进一步拓展了器件的应用范围。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体发光器件及其制备方法
，特别是涉及基于ZnO基材料的激光器件结构及其制备方法。
技术介绍
GaN系材料在固态照明领域和信息领域已经在广泛的应用。ZnO和GaN的能带间隙和晶格常数十分接近，有相近光电特性。但是，与GaN相比，ZnO具有更高的熔点和激子束缚能、激子增益更高、外延生长温度低、成本低、容易刻蚀而使外延片的后道加工更容易， 使器件的制备更方便等等。因此，ZnO基发光管、激光器等研制成功有可能取代或部分取代 GaN基光电器件，会有更大的应用前景，特别是ZnO紫、紫外光电器件更为人们所重视。由于ZnO单晶薄膜的外延制备目前还不成熟，非常完整的一致连续的ZnO单晶薄膜很难获得，目前制备的ZnO单晶薄膜大多数是C轴取向生长的薄膜，由于晶粒边界和缺陷的存在，使得ZnO同质ρ-η结型的发光器件发光效率非常低，同时往往伴随着和缺陷相关的深能级发光，这一深能级发光波长在可见光波段，它往往比紫外带边发射更强。于是人们开始用薄膜外延制备技术比较成熟的GaN材料和ZnO材料结合制备发光器件。H. Zhu等人在文献“Adv. Mater. 21，1613 (2009) ”就报道了一种GaN材料和ZnO材料结合的激光器件。这种器件结构如图1所示，由Al2O3衬底1，衬底1上外延生长的ρ型GaN外延层2，外延层2 上制备的相互分立的MgO电流下限制层3和下电极5，电流下限制层3上制备的η型ZnO发光层4，ZnO发光层4上面制备的上电极6等部件构成。但是，由于这种激光器件没有制备可控谐振腔，其激射一般是由随机散射谐振腔或是ZnO纳米晶粒的微腔选模作用引起的，因而器件输出功率非常低，激光的方向性也不好。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述ZnO基发光器件的这一困难，提供一种η型ZnO 和ρ型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器及制备方法，以提高器件输出功率，改善激光的方向性。本专利技术的技术方案是本专利技术所设计的η型ZnO和ρ型GaN组合的ZnO基垂直腔面发射激光器(见附图 2和附图说明)，由衬底1，ρ型GaN外延层2，外延层2上制备的相互分立的电流下限制层3 和下电极5，电流下限制层3上制备的η型ZnO基材料发光层4，上电极6等部件构成，其特征是在衬底1和ρ型GaN外延层2之间生长制备多层AlGaN/GaN薄膜DBR下反射镜8，η型 ZnO发光层4上面制备一层η型宽带隙ZnO基三元系材料电流上限制层7，再在电流上限制层7上制备相互分立的上电极6和多层介质薄膜DBR上反射镜9。GaN和AKkiN外延层用目前工艺较成熟的常规MOCVD工艺方法制备。ZnO基材料的生长制备方法是用分子束外延(MBE)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、脉冲激光沉积 (PLD)、溅射(Sputtering)、电子束蒸发、喷涂热解和溶胶凝胶(Sol-gel)等方法制备；ZnO 基发光材料包括ai0、ZnMg0、ZnBe0、ZnCdO、ZnNiO等材料。衬底材料是Al2O3单晶衬底或用和GaN材料晶格匹配较好的η型SiC单晶衬底，这里所说的η型宽带隙ZnO基三元系材料是MgSiO、ZnBeO, ZnCdO, ZnNiO等禁带宽度大于ZnO基材料发光层4禁带宽度的薄膜材料； 这里所说的多层介质薄膜DBR上反射镜9是由两种折射率不同的介质薄膜周期排布而成， 如多对 Si02/Si3N4、多对 Si02/Zr02、多对 Si02/Ti02、多对 iTa2CVSiA 和多对 Hf02/Si02 等介质薄膜周期排布。上、下电极材料用Au、Ni-Au, Ti-Au, Zn-Au和Pt-Au等合金材料。进一步地，为了将注入激光器的电流限制在一个面积较小的区域，本专利技术提出四种具有电流限制窗口 11的器件结构和制备方法。一种是二氧化硅上电流限制窗口结构η型ZnO和ρ型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器(见附图3和附图说明)，由衬底1，衬底1上制备多层的AlfeN/GaN薄膜DBR下反射镜8，下反射镜8上面制备的ρ型GaN外延层2，外延层2上制备的相互分立的电流下限制层3和下电极5，电流下限制层3上制备的η型ZnO基材料发光层4，ZnO发光层4上面制备的电流上限制层7，电流上限制层7上制备相互分立的上电极6和多层介质薄膜DBR 上反射镜9构成，其特征是在电流上限制层7上面制备一层二氧化硅电流隔离层10，光刻腐蚀出电流限制窗口 11，再在二氧化硅电流隔离层10上面制备上电极6，上电极6上开出出光窗口 12，出光窗口 12的面积小于电流限制窗口 11，这样上电极6可以接触到电流上限制层7，进行电流注入，多层介质薄膜DBR上反射镜9制备在光窗口 12处。第二种是二氧化硅内电流限制窗口结构η型ZnO和P型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器(见附图4和附图说明)，由衬底1，衬底1上制备多层的AWaN/GaN薄膜DBR 下反射镜8，下反射镜8上面制备的ρ型GaN外延层2，外延层2上制备的相互分立的电流下限制层3和下电极5，电流下限制层3上制备的η型ZnO基材料发光层4，ZnO发光层4上面制备的电流上限制层7，电流上限制层7上制备的上电极6和多层介质薄膜DBR上反射镜 9构成，其特征是在ρ型GaN外延层2上面制备一层二氧化硅电流隔离层10，光刻腐蚀出电流限制窗口 11，再在二氧化硅电流隔离层10和电流限制窗口 11上面依次制备电流下限制层3、η型ZnO基材料发光层4、电流上限制层7、带有出光窗口 12的上电极6和在出光窗口 12处制备多层介质薄膜DBR上反射镜9。第三种是离子注入轰击电流限制窗口结构η型ZnO和ρ型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器(见附图5和附图说明)，由衬底1，衬底1上制备多层的AlGaN/GaN薄膜DBR 下反射镜8，下反射镜8上面制备的ρ型GaN外延层2，外延层2上制备的相互分立的电流下限制层3和下电极5，电流下限制层3上制备的η型ZnO基材料发光层4，ZnO发光层4上面制备的电流上限制层7，电流上限制层7上制备带有出光窗口 12的上电极6和在出光窗口 12处制备多层介质薄膜DBR上反射镜9构成，其特征是用离子注入轰击方法在ZnO基材料发光层4中制备出一层高阻电流隔离层13，以形成电流限制窗口 11 ；具体制备方法可以采用我们专利技术的专利号为ZL 93118240. 9的钨丝掩模二次质子轰击垂直腔面发射激光器的制备方法，也可以采用专利号为02144725. X的倾斜离子注入型垂直腔面发射激光器的制备方法。第四种是MgO电流隔离限制窗口结构η型ZnO和ρ型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器(见附图6和附图说明)，由衬底1，衬底1上制备多层的AlfeN/GaN薄膜DBR下反射镜8，下反射镜8上面制备的ρ型GaN外延层2，外延层2上制备的相互分立的电流下限制层3和下电极5，电流下限制层3上制备的η型ZnO基材料发光层4，ZnO发光层4上面制备的电流上限制层7，电流上限制层7上制备带有出光窗口 12的上电极6和在出光窗口 12处制备多层介质薄膜DBR上反射镜9构成，其特征是用MgO电流隔离层14作电流隔离以形成电流限制窗口 11，因为MgO的禁带宽度约7. :3eV，是一个绝缘介质材料，只有在其很薄的时候才能通过电流而作为电本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种ｎ型ＺｎＯ和ｐ型ＧａＮ组合ＺｎＯ基垂直腔面发射激光器，由衬底（１），ｐ型ＧａＮ外延层（２），外延层（２）上制备的相互分立的电流下限制层（３）和下电极（５），电流下限制层（３）上制备的ｎ型ＺｎＯ基材料发光层（４），上电极（６）等部件构成，其特征是在衬底（１）和ｐ型ＧａＮ外延层（２）之间生长制备多层ＡｌＧａＮ／ＧａＮ薄膜ＤＢＲ下反射镜（８），ｎ型ＺｎＯ发光层（４）上面制备一层ｎ型宽带隙ＺｎＯ基三元系材料电流上限制层（７），再在电流上限制层（７）上制备相互分立的上电极（６）和多层介质薄膜ＤＢＲ上反射镜（９）。

【技术特征摘要】
1.一种η型ZnO和ρ型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器，由衬底(1)，ρ型GaN外延层0)，外延层( 上制备的相互分立的电流下限制层( 和下电极(5)，电流下限制层(3)上制备的η型ZnO基材料发光层0)，上电极(6)等部件构成，其特征是在衬底(1)和 P型GaN外延层(2)之间生长制备多层AWaN/GaN薄膜DBR下反射镜(8)，n型ZnO发光层(4)上面制备一层η型宽带隙ZnO基三元系材料电流上限制层(7)，再在电流上限制层(7) 上制备相互分立的上电极(6)和多层介质薄膜DBR上反射镜(9)。2.—种η型ZnO和ρ型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器，由衬底(1)，衬底(1)上制备多层的AWaN/GaN薄膜DBR下反射镜(8)，下反射镜(8)上面制备的ρ型GaN外延层 0)，外延层( 上制备的相互分立的电流下限制层( 和下电极(5)，电流下限制层(3) 上制备的η型ZnO基材料发光层0)，ZnO发光层(4)上面制备的电流上限制层(7)，电流上限制层(7)上制备相互分立的上电极(6)和多层介质薄膜DBR上反射镜(9)构成，其特征是在电流上限制层(7)上面制备一层二氧化硅电流隔离层(10)，光刻腐蚀出电流限制窗口(11)，再在二氧化硅电流隔离层(10)上面制备上电极(6)，上电极(6)上开出出光窗口 (12)，出光窗口(12)的面积小于电流限制窗口(11)，这样上电极(6)可以接触到电流上限制层(7)，进行电流注入，多层介质薄膜DBR上反射镜(9)制备在光窗口(1 处。3.—种η型ZnO和ρ型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器，由衬底(1)，衬底(1)上制备多层的AWaN/GaN薄膜DBR下反射镜(8)，下反射镜(8)上面制备的ρ型GaN外延层 O)，外延层( 上制备的相互分立的电流下限制层C3)和下电极( ，电流下限制层(3)上制备的η型SiO基材料发光层(4)，ZnO发光层(4)上面制备的电流上限制层(7)，电流上限制层(7)上制备的上电极(6)和多层介质薄膜DBR反射镜(9)构成，其特征是在ρ型GaN 外延层( 上面制备一层二氧化硅电流隔离层(10)，光刻腐蚀出电流限制窗口(11)，再在二氧化硅电流隔离层(10)和电流限制窗口(11)上面依次制备电流下限制层(3)、n型SiO 基材料发光层G)、上限制层(7)、带有出光窗口(12)的上电极(6)和在出光窗口(12)处制备多层介质薄膜DBR上反射镜(9)。4.一种η型ZnO和ρ型GaN组合ZnO基垂直腔面发射激光器，由衬底(1)，衬底(1)上制备多层的AWaN/GaN薄膜DBR下反射镜(8)，下反射镜(8)上面制备的ρ型GaN外延层 O)，外延层( 上制备的相互分立的电流下限制层C3)和下电极( ，电流下限制层(3)上制备的η型Zn...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜国同，梁红伟，夏晓川，赵旺，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：91