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CN120814128A - 面发射激光器 - Google Patents

面发射激光器

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CN120814128A
CN120814128A CN202380095308.6A CN202380095308A CN120814128A CN 120814128 A CN120814128 A CN 120814128A CN 202380095308 A CN202380095308 A CN 202380095308A CN 120814128 A CN120814128 A CN 120814128A
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CN
China
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vcsel
layer
group iii
iii nitride
dbr
Prior art date
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Application number
CN202380095308.6A
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English (en)
Inventor
斯里尼瓦斯·甘德罗图拉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sanoh Industrial Co Ltd
Original Assignee
Sanoh Industrial Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Sanoh Industrial Co Ltd filed Critical Sanoh Industrial Co Ltd
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Abstract

一种扩展型垂直腔面发射激光器(VCSEL)，包含：横向外延过生长的半导体区段，所述半导体区段由位于空穴注入III族氮化物层与电子注入III族氮化物层之间的III族氮化物有源区构成；位于空穴注入侧的倾斜p型镜；以及包含位于电子注入侧的纳米多孔层和位于n侧的非多孔层的平面镜，所述纳米多孔层和所述非多孔层相对于所述III族氮化物有源区倾斜。

Description

面发射激光器
技术领域
本发明涉及一种具有多孔氮化镓分布式布拉格反射器的III族氮化物垂直腔面发射激光器(VCSEL)。
背景技术
本申请引用了多篇专利或非专利文献，并在说明书中以方括号[]内的参考编号加以标示。在下文标题为“非专利文献”或“专利文献”的部分可以看到按照这些参考编号排序的文献列表。
引用列表
非专利文献
非专利文献1：Appl.Phys.Lett.92,141102(2008)
非专利文献2：Appl.Phys.Express 12,044004(2019)
非专利文献3：Sci.Rep.8,10350(2018)
非专利文献4：Jpn.J.Appl.Phys.58,SC0806(2019)
非专利文献5：Appl.Phys.Express 11,112101(2018)
非专利文献6：Appl.Phys.Lett.101,151113(2012)
非专利文献7：ACS Photonics,2 980-986(2015)
非专利文献8：Sci.Rep.7,45344(2017)
非专利文献9：Appl.Phys.Lett.112,041109(2018)
非专利文献10：Scr.Mater,156,10-13(2018)
非专利文献11：Appl.Phys.Express 2012,5,092104
非专利文献12：Optics Express,27,24717(2019)
非专利文献13：Appl.Phys.Express,13,041003(2020)
非专利文献14：Appl.Phys.Express,14,031002(2021)
非专利文献15：Applied Phys.Lett.119,142103(2021)
非专利文献16：Crystals,11(12)1563,(2021)
非专利文献17：M.B.Stern and T.R.Jay,“Dry etching for coherentrefractive microlens arrays,”Opt.Eng.33,3547-3551(1994)
面发射激光器被称为垂直腔面发射激光器(VCSEL)。VCSEL包括设置于n侧半导体区域与p侧半导体区域之间的半导体有源区(active region)，以及作为高反射镜的两个分布式布拉格反射器(DBR)。半导体有源区(亦称为增益介质)位于两个DBR之间以形成光学腔。n侧区域和p侧区域分别向有源区注入载流子(即电子和空穴)，这些载流子在有源区内复合以产生光。由此产生的光或电磁辐射在光学腔内被DBR多次反射，从而实现激光振荡。VCSEL的其中一个DBR具有较低反射率，并用于发射激光束。
氮化镓VCSEL因其能够在可见光和紫外波段(UV)发射光，近年来受到越来越多的研究关注。这开辟了显示器、固态照明(包括汽车照明和家用照明)、传感及通信等多个应用领域。其中最令人期待的应用之一是，蓝光发射氮化镓VCSEL与荧光粉装置结合，整体用作自然光源和数据传输设备。这是由于VCSEL消耗的能量更少并具有高调变率。这一应用将在每个发光像素中添加通信功能，从而为AR/VR应用、智能手机和普通显示屏提供新的发展方向。
基于砷化镓的红外VCSEL采用了成熟的制造技术，而基于III族氮化物的VCSEL仍然缺乏工业可行性。在77K温度下，通过电注入实现的氮化镓VCSEL在462nm波长处的连续波(CW)激射最早于2008年被首次报道[非专利文献1]。自那以来，在输出功率、效率、阈值电流、激射波长及室温稳定性方面均取得了显著进展。然而，其尚未实现工业可行性。其中一个问题在于n侧DBR镜，其通常采用电介质DBR，这会导致器件运行中的热不稳定问题。传统上，电介质DBR在VCSEL的n侧沉积之前，需要进行繁琐的抛光以去除主衬底(hostsubstrate)。可在主衬底上方形成外延DBR、纳米多孔氮化镓DBR等替代方案，且已有文献提出长光学氮化镓腔体VCSEL，以改善热稳定性。
这些方法在一定程度上很好，但仍需要解决一些问题，例如昂贵的氮化镓衬底，在外延DBR生长时间增加的同时保持器件层质量，以及对于长腔体和纳米多孔氮化镓DBR腔体而言仍显昂贵的氮化镓衬底剥离方法。
具有长光学腔体和曲面透镜的VCSEL，将电场重新聚焦至增益介质，从而降低由较长腔体长度引起的衍射损失[非专利文献2-4]。截至2022年，索尼(Sony)的长腔体设计仍保持了连续波输出功率15.8mW、阈值电流0.25mA及电光转换效率(wallplug efficiency，WPE)9.5％的性能记录。长光学氮化镓腔体VCSEL的设计通过在腔体设计中充分利用衬底，实现了卓越的性能。在研磨去除不必要部分后，衬底被重新设计为曲面镜。这一过程仍然繁琐，且耗时耗资。在长光学腔体设计中，曲面镜是必需的，因为它能防止衍射和散射损失。氮化物VCSEL有源区的典型增益约为1％，因此，在长光学氮化镓腔体中，当腔长超过10微米时，衍射损失会迅速降低器件性能。索尼的曲面镜VCSEL腔长约为28微米。这一点简要展示了，当腔体接近有源区时抛光工艺的难度之大。
另一方面，利用AlGaN/GaN或AlInN/GaN镜面对的外延设计近年来也受到关注，特别是[非专利文献5-6]，后者由于AlInN晶格与氮化镓的匹配能力，展示了更佳性能。然而，为了实现合理的反射率(发射侧>99.5％)，需要约40个或更多周期的AlInN/GaN层，同时还需严格控制生长条件以提高质量和产率，这使得外延DBR设计难以实现。
最近，纳米多孔氮化镓(NP-GaN)DBR设计[非专利文献7-10]也逐渐受到关注，主要由于其相对简便的制备工艺、与氮化镓的晶格匹配，以及可实现的高折射率对比度。由于具有较高的折射率对比度，在实际孔隙率为36％的情况下，仅需17个周期即可实现99.5％的反射率。自2015年首次展示NP-GaN DBR以来，多个研究团队已实现了使用NP-GaN DBR设计的激光器。NP-GaN DBR层相较于电介质DBR镜具有更优异的热稳定性。然而，在衬底上形成NP-GaN DBR层后，仍然面临昂贵的氮化镓衬底需要进一步减薄和研磨的共性问题。
理想的VCSEL应能有效解决以下问题：
1)提升III族氮化物层的晶体质量
当前多数企业采用块状氮化镓衬底制备III族氮化物VCSEL。现有最优的III族氮化物块状衬底每平方厘米有106个缺陷。
由于VCSEL的有源区体积较小，较传统边缘发射激光器缩小约10倍。因此需要比现有块状衬底更优的晶体质量。此外，当前品质的块状氮化镓衬底的成本已极为高昂。因此若进一步要求更高晶体质量将推高价格，从而延缓III族氮化物VCSEL进入市场的时间。
2)需要大尺寸晶圆以提高良率
一般而言，VCSEL制造工艺与LED高度相似。大多数的LED采用6英寸或更大尺寸的衬底进行生产。因此，为了提高良率及实现有竞争力的价格，制造商自然会选择大尺寸衬底。
3)通过导热DBR镜实现热稳定性
阻碍VCSEL市场化的技术问题之一在于n侧DBR镜的布局。由于VCSEL为面发射激光器，其沿衬底表面平面的厚度较薄。虽然一开始采用了昂贵的III族氮化物块状衬底以形成薄层的VCSEL器件层，但为了布置n侧的电介质DBR镜，仍需移除昂贵的III族氮化物衬底，或需在VCSEL器件层形成前预先布置与衬底材料兼容的DBR层。用于避免VCSEL制造问题的若干解决方案长腔体VCSEL：为避免因过度去除衬底导致良率下降，索尼(Sony)提出了一种长腔体VCSEL结构，其光学腔内仍保留大部分的衬底。该设计由于长腔体III族氮化物材料能提升热稳定性。然而，该设计在腔体长度及腔体的发射模式方面存在实践限制。
外延DBR：如前所述，文献中已提出采用InGaN/GaN或AlN/GaN外延DBR的方案。由于其折射率对比度较低，需要约40对In0.82Ga0.18N/GaN晶格匹配的DBR镜层方可实现99％以上的反射率。然而，仍然有生长时间较长、铟(In)与铝(Al)组分的难以控制的问题。且散热问题和垂直载流子注入的问题仍存在。此外，因外延DBR侧反射率较低，光发射侧位于该侧，故需对外延DBR镜下方的衬底区域进行表面处理或有时进行研磨，以降低光吸收及散射损耗。
纳米多孔(NP)DBR纳米多孔DBR通常具备>99％的高反射率，且可简易实现与GaN的晶格匹配生长。适用于GaN的所有晶体取向。此外，各层的反射率可调节。然而，纳米多孔层与器件的有源层平行排布，并非散热和注入垂直载流子的最佳配置。
4)p型侧的腔内电流扩展层
默认的VCSEL器件在p侧存在问题，即p型导电所需的激活能较高。p-GaN层的电阻增大。研究人员通过最小化VCSEL中的p-GaN层厚度，以消除焦耳热效应及光吸收问题。通过减薄p-GaN层并引入电流扩展层，例如氧化铟锡等透明导电氧化物(TCO)，或增加隧道结结构可帮助设计，但光吸收问题仍然存在。研究人员创新性地将腔内导电层置于器件电磁场最弱区域，然而此类精密工艺要求导致良率下降和成本上升。
部分问题可通过衬底剥离技术如光致电化学蚀刻(PEC)[非专利文献11]和外延横向过生长(ELO)辅助的热剥离技术[非专利文献12-16]解决，但无法解决所有问题。
发明内容
技术问题
鉴于上述种种缺陷，本发明的目的在于提供一种具有纳米多孔氮化镓DBR的III族氮化物VCSEL，并优化该纳米多孔氮化镓DBR的功能，以提升器件在热学与光学特性方面的性能表现。
问题的解决方案
为克服上述现有技术的局限性，本发明公开了一种基于III族氮化物的VCSEL，其包含：位于p型(空穴注入)III族氮化物层与n型(电子注入)III族氮化物层之间的III族氮化物有源区；以及设置在倾斜式p侧III族氮化物层上或其上方的平面电介质镜。
ELO技术通过逐步建立III族氮化物晶面开始生长，通过应用适当的生长模式并优化参数。可以持续保持该晶面。此外，周期性调制供应源并随后按需对层进行掺杂，可以更精确地改变外延横向过生长中的生长晶面。将ELO技术与倾斜(半极性)III族氮化物层的调制生长相结合，并设计掺杂水平，可以在电介质掩模上方获得高质量的晶体平面。这些经过选择性掺杂的层随后会形成多孔III族氮化物层，从而构成倾斜的纳米多孔氮化镓DBR镜。
光学腔的厚度，包含器件层(n-GaN层、有源区、p-AlGaN电子阻挡层和p-GaN层)，有时还包括电流扩展隧道结(p++/n++GaN)，可以在外延生长过程中控制。
VCSEL进一步包含：p侧III族氮化物层上的一个或多个隧道结层，用于电流注入，其中电介质DBR镜以一定角度远离隧道结放置。
VCSEL进一步包含p型III族氮化物层上的一个或多个透明导电氧化物(TCO)层，其作为腔内接触层以替代隧道结。TCO层可以由ITO和ZnO组成。
VCSEL进一步包含p型III族氮化物区域上或上方设置DBR镜的区域，其中p型III族氮化物层被成形为与有源层平面形成一定角度。
VCSEL进一步包含倾斜的p型III族氮化物层是通过物理或化学蚀刻获得的III族氮化物材料的半极性面之一。优选地，结合物理和化学蚀刻方法以平滑表面，便于电介质DBR镜层的放置。通过使用蚀刻剂(如H3PO4、KOH等)，可以控制p-GaN层上蚀刻的半极性面的表面形貌。或者，采用类似于c面Ga极性蚀刻的酸性或碱性蚀刻方法，例如使用5M NaOH。此外，98％ H2SO4浸泡也有助于制备半极性面表面，以便放置电介质DBR镜层。
VCSEL进一步包含在电介质掩模上或其上方的周期性的选择性掺杂III族氮化物层。这些选择性掺杂的III族氮化物层随后会形成纳米多孔层，而插入在选择性掺杂层之间的未掺杂块状III族氮化物层则保持非多孔状态。VCSEL进一步由交替排列的纳米多孔层组成，这些纳米多孔层与非多孔块状III族氮化物层相比，具有高掺杂的n型特性。
VCSEL进一步由交替排列的纳米多孔和非多孔III族氮化物层组成，使得这种组合构成倾斜的n型DBR镜，且这些层的取向类似于III族氮化物材料的某一半极性面。
VCSEL进一步由周期性调制的层组成，这些层生长于选择性掺杂的半极性层的制备过程中。其中，NH3、Ga金属和n型掺杂源以周期性方式通过/切换，以实现纳米多孔和非多孔III族氮化物层边界之间的锐利介面。
VCSEL进一步由非多孔块状III族氮化物层和纳米多孔III族氮化物层组成，这些层与电介质掩模具有相同的介面，且该掩模在器件制造过程中随后被溶解。该介面可以为垂直电流注入和热耗散提供通道。
VCSEL进一步设计为在倾斜的III族氮化物n型DBR镜与电介质掩模之间具有平滑(亚纳米级)介面。在III族氮化物层生长过程中，电介质掩模材料采用SiO2或SiN制备，优选使用SiO2和SiN两者结合制备，使用溅射结合原子层沉积、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或离子束沉积等工具。
VCSEL进一步包含离散的岛状III族氮化物ELO基底层，以便为电化学蚀刻中使用的化学物质提供可达性的便利，其中通过电化学蚀刻在选择性掺杂氮化镓层中形成孔洞。
DBR镜的块状非多孔III族氮化物层与纳米多孔III族氮化物层相比，具有更好的导热性和导电性。因此，当这些层以交替周期性排列组合时，该系统既能作为DBR镜，又能作为散热器和电注入器发挥最佳功能。本发明的主衬底晶体取向可以是c面、半极性或非极性，但优选为c面。
附图简要说明
[图1A]图1A是示意图，其中：图1A显示了带有III族氮化物模板的异质衬底。
[图1B]图1B是示意图，其中：图1B显示了电介质掩模开放区域，图案化至III族氮化物生长层。
[图1C]图1C是示意图，其中：图1C显示了用于容纳VCSEL器件的条带设计示意图。
[图1D]图1D是示意图，其中：图1D为三角形晶格图案。
[图1E]图1E是示意图，其中：图1F为一种使用图案化III族氮化物模板生长ELO基底层的替代方法。
[图1F]图1F是示意图，其中：图1G为一种使用图案化III族氮化物模板生长ELO基底层的替代方法。
[图2A]图2A是基底ELO III族氮化物层生长后的状态的示意图。
[图2B]图2B是基底ELO III族氮化物层生长后的状态的示意图。
[图2C]图2C是基底ELO III族氮化物层生长后的状态的示意图。
[图2D]图2D是平坦化的ELO基底的示意图。
[图3A]图3A描述了III族氮化物晶体ELO生长的各种生长模式。
[图3B]图3B描述了III族氮化物晶体ELO生长的各种生长模式。
[图3C]图3C描述了III族氮化物晶体ELO生长的各种生长模式。
[图3D]图3D描述了III族氮化物晶体ELO的各种生长模式。
[图3E]图3E描述了III族氮化物晶体ELO的各种生长模式。
[图3F]图3F描述了III族氮化物晶体ELO生长的各种生长模式。
[图3G]图3G描述了III族氮化物晶体ELO生长的各种生长模式。
[图3H]图3H描述了III族氮化物晶体ELO生长的各种生长模式。
[图3I]图3I描述了III族氮化物晶体ELO生长的各种生长模式。
[图3J]图3J描述了III族氮化物晶体ELO生长的各种生长模式。
[图3K]图3K描述了III族氮化物晶体ELO生长的各种生长模式。
[图4A]图4A分别展示了平坦化的各ELO基底层，其形状为条形和六边形结构，并显示了交替掺杂的III族氮化物层。
[图4B]图4B分别展示了平坦化的各ELO基底层，其形状为条形和六边形结构，并显示了交替掺杂的III族氮化物层。
[图5A]图5A是从主衬底上取下之前，经处理的VCSEL设计的示意图。
[图5B]图5B是经处理并具有垂直电流注入的VCSEL。
[图5C]图5C是具有隧道结的VCSEL。
[图5D]图5D是经处理并具有隧道结和热扩散器的VCSEL。
[图6A]图6A是从主衬底上取下之前，ELO条形配置中具有多个光学腔的经处理的VCSEL的示意图。
[图6B]图6B是经处理并具有垂直电流注入的VCSEL。
[图6C]图6C是在六边形图案上经处理的具有不同光学腔的VCSEL。
[图6D]图6D是在六边形图案上经处理的具有环状发射的VCSEL。
[图7A]图7A是ELO条形结构的典型芯片尺寸。
[图7B]图7B是ELO条形结构与六边形VCSEL的晶圆级集成。
具体实施方式
实施方式的描述
通过考虑下文详细描述，并参考作为示例的附图，易于理解本发明的教导内容。参照附图，下文将描述根据本公开内容的垂直腔面发射激光器(VCSEL)及其制造方法的示意图。为便于理解，在可能的情况下，相同的参考数字用于标示在各图中共同的相同元素。
在以下实施方式中，结合参考附图进行说明：
提出在ELO基底层上方使用非多孔和纳米多孔倾斜式DBR镜，以及在III族氮化物VCSEL的p侧使用倾斜式DBR镜，作为提高器件热学、光学和电学性能的可行方法。
技术披露：
以下披露分为四个部分。第一部分描述ELO基底层的制备。第二部分提供了多孔和非多孔层生长的相关信息。第三部分说明了VCSEL器件的制造流程及其优势。
第一部分：ELO基底的制备
形成岛状III族氮化物半导体层的ELO方法可包括通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)、氢化物气相外延(HVPE)等方式进行生长。III族氮化物半导体层的尺寸被设计为形成一个或多个岛状III族氮化物半导体层。此外，ELOIII族氮化物层可以在最初合并，以便后续将其分割为单独的器件。
ELO层分为两部分：一部分是开放区域，通常比其延伸至ELO掩模上的对应部分具有更多的缺陷。对应部分从开放区域向两侧延伸至ELO掩模上，称为ELO翼部。VCSEL的发光孔径在ELO翼部上形成。此外，本发明可以使用异质衬底来生长形成条形结构的岛状III族氮化物半导体层。例如，本发明可以使用在异质衬底(如蓝宝石、Si、SiC、SiN、GaAs、Ga2O3、LiAlO2、ScAlMgO4等)上生长的氮化镓模板。
此外，当使用非基面氮化镓晶面时，ELO(方法可以显著降低位错密度和堆垛层错密度，这是使用异质衬底时的关键问题。因此，本发明可以同时解决因使用异质衬底而引起的多种问题。例如，在激光器件中，ELO掩模与III族氮化物模板层之间的介面可以做得平滑，从而确保从介面侧发出的光不会受到影响。
图1A、1B和1C是说明一种方法的示意图，该方法包括提供III族氮化物基衬底10，例如硅基氮化镓(GaN-on-Si)、蓝宝石基氮化镓(GaN-on-Sapphire)、块状氮化镓衬底或铝酸镁钪基氮化镓(GaN-on-ScAlMgO4)衬底。在异质衬底10的情况下，可以在衬底10上沉积III族氮化物模板11，III族氮化物模板11可以是覆盖整个主异质衬底10的均匀层，或者模板11可以在开放区域条带12处沉积。包含衬底10的III族氮化物条带设计，如图1C示意图中所示的条带。开放区域条带12可以通过缩短其长度设计为单一器件，或通过增加其长度设计为多个器件。或者，如图1D所示，可以在电介质掩模13上设计圆形开口的三角形晶格，同时开口暴露下方的III族氮化物层。
如图1C和1D的示意图所示，电介质掩模13形成于包含衬底10的III族氮化物模板11上或上方。具体而言，电介质掩模13可以直接与衬底10接触放置，或通过MOCVD等方法生长的模板层间接放置。
电介质掩模13可以由绝缘薄膜形成，例如沉积在衬底10上的SiO2薄膜，沉积方法可包括等离子体化学气相沉积(CVD)、溅射、离子束沉积(IBD)等。随后，通过光刻技术使用预定的光掩模对SiO2薄膜进行图案化，并通过蚀刻形成如图1B和1C所示的开口区域。该电介质薄膜的设计将对后续器件的加工和操作产生深远影响。
在替代方法中，首先将衬底上的III族氮化物模板层11设计为矩形条带或三角形圆形图案，然后用上述电介质掩模嵌入，同时部分暴露顶部和侧壁。图1F中暴露的III族氮化物区域或图1B中下方的生长辅助III族氮化物区域形成了如图1A或1E所示的ELO基底层。
如图2A-2D的示意图所示，外延III族氮化物层14例如基于氮化镓的层，通过ELO技术在基于氮化镓的衬底和电介质掩模13上生长。ELOIII族氮化物层14的生长首先发生在氮化镓基衬底的开口区域，随后从开口区域横向扩展到电介质掩模13上方。ELOIII族氮化物层的生长在相邻开口区域12的ELO III族氮化物层于电介质掩模13上方合并之前被停止或中断。
或者，ELOIII族氮化物层的生长可以继续进行，并与相邻的ELOIII族氮化物层合并。ELOIII族氮化物层的翼部15是开口区域两侧缺陷密度降低的区域。在ELO生长方法中，当填充因子(即开口区域与电介质掩模之间的比例)显著偏离1(unity)时，III族氮化物原子可能在III族氮化物层的边缘区域比中心区域积累更多，如图2C所示。边缘生长在继续器件层的生长时可能成为一个缺点。在图2D中，沉积的III族氮化物ELO基底层进行抛光以获得平坦的表面。由于这些层的表面是通过外延生长实现的，因此只需少量的化学机械抛光或干法/湿法蚀刻即可获得平坦化的层。
第二部分：纳米多孔和非多孔DBR层作为ELO基底的生长
在VCSEL的n侧将纳米多孔和非多孔层的组合作为DBR镜已被证明是基于氮化镓的VCSEL的可行解决方案。与电介质DBR相比，它们能够提供更好的热稳定性，并且其与氮化镓的晶格匹配能力是生长和制造的理想条件。此外，纳米多孔和非多孔氮化镓DBR能够提供高折射率对比度。例如，纳米多孔DBR层的孔隙率在10％至75％之间时，可以提供0.1至0.9的折射率对比度，而电介质DBR的折射率对比度约为0.7，外延DBR的折射率对比度则低于0.2。
此外，当纳米多孔和非多孔层排列在平行于有源区的平面内时，在上述孔隙率范围内，其热导率介于10至1W/(m.K)之间。显然，随着孔隙率的增加，热导率会降低，因为这些层与器件有源区平面呈平行排列布置。同样，由于孔隙率增加导致电阻增大，电导率从1000S/m降至100S/m。然而，当纳米多孔和非多孔层以倾斜方式排列时，热导率和电导率主要取决于非多孔层的块体介面，从而可以显著改善热导率和电导率，进而提升VCSEL的性能、良率和寿命。纳米多孔III族氮化物层的形成已被广泛研究，其蚀刻机制也得到了充分理解[非专利文献7]。在给定的偏置电压下，在电化学蚀刻(EC)中通过控制暴露于草酸溶液中的n型掺杂和晶体取向，可以调控孔的尺寸和形状。首先，施加的负偏压会在电解质/n-GaN介面处形成空穴反转层；其次，由于反转层中存在空穴，n-GaN表面被氧化；接着，氧化后的GaN溶解为Ga3+和氮气；最后，溶解的产物自由迁移到电解质中，留下称为纳米多孔的空洞。在本发明中，多孔结构的形成将在VCSEL器件的后续加工过程中进行，但在ELO基底层的生长阶段，首先通过不同的生长机制细致地生长纳米多孔和非多孔层的交替排列结构。
图3A展示了氮化镓晶体结构及其所有可能的晶面，以简化生长示意图。垂直于c面的晶面，例如(10-10)面(m面)和(11-20)面(a面)，是非极性面；而介于c面和非极性面之间的晶面，例如(20-21)面(r面)，是半极性面。
如图3B所示，在ELO生长的初始阶段，从电介质掩模13的开口区域12形成具有r面和c面的基底种源(base seed)30。或者，衬底10上的III族氮化物模板11以暴露r面和c面的方式进行蚀刻。
在形成基底种源30后，优化NH3源和Ga源的生长供应参数，使得r面和c面晶体取向及时以更快的速率生长，同时抑制不需要的晶体取向生长。随着时间的推移，仅在特定时间段添加掺杂剂例如硅-Si，可以在这些晶体取向的掺杂层和非掺杂层之间形成介面。
随后，掺杂的晶体取向被转化为多孔III族氮化物层，以形成DBR镜。可以看出，晶体取向的控制可以以多种方式进行。图3C展示了c面和r面均匀生长，形成块状III族氮化物ELO基底层。另一方面，如图3D所示，通过保持r面的横向生长，实现了不纯的c面晶体生长，同时维持了大面积的翼部生长。通过供应少量的氮源可以抑制c面的晶体生长，从而导致低V/III比的生长模式。
如前文提到的边缘生长(图3E)所示，可能会出现不均匀的ELO基底层，其中着色或不纯的c面晶体取向可能是由于吸收了碳等杂质。
图3G是另一种基底种源30的图示，其中r面是图3B的互补面。通过控制生长参数，使r面能够在电介质掩模上横向扩展，形成更好的ELO翼部。c面晶体取向的生长可以被控制，杂质也可以被处理。优化ELO基底层的条件至关重要。
图3B至3K展示了普通和调制的ELO生长方法。主要区别在于V/III比，即通过改变NH3流量同时保持TMGa流量不变，或尽可能降低V/III比以增强r面之一生长，同时抑制c面生长。高V/III比和低V/III比可以调节生长各向异性并增强横向生长。当然，平坦化是在ELO基底上放置VCSEL器件层之前用于表面制备的最终工具。
图3F和3K展示了平坦化的基底的示意图。周期性超晶格中r面半导体晶体取向的纳米多孔和非多孔III族氮化物层包含非故意掺杂(UID)氮化镓和n+-氮化镓([Si]～1019/cm3)。
图4A和4B分别展示了平坦化后ELO条形结构和六方密排(HCP)结构的ELO翼部上的r面图示。随后，器件层包括III族氮化物n-GaN层17、III族氮化物有源层18、III族氮化物p型电子阻挡层(EBL)19、p型III族氮化物层20以及p++GaN层21，如图5A所示。本发明的VCSEL设计可以利用多种电流注入方法来注入电流。可以简单地在p++GaN层21处停止生长，或使用ITO作为电流扩展层，或在p++GaN层21上进行一些表面处理后生长n++GaN层以利用隧道结。
尽管本发明利用腔内层进行电流注入，但从有源区发射的光将被引导远离腔内接触层。因此，作为一种选择，可以包括也可以不包括腔内接触层。
第三部分：VCSEL制造流程
在生长包括具有纳米多孔DBR超晶格的ELO基底在内的器件层后，准备进行电流注入。当使用隧道结时，电流注入孔径31在隧道结的埋入过程中正式界定；否则，通过光刻技术在ELO翼部上界定优选为圆形的单独图案，将电流注入区域31与光学腔区域32分开。随后，放置保护层覆盖注入区域31和光学腔区域32。然后在排除注入区域31和光学腔区域32的区域上制备稍大的台面结构，以放置接触垫。在VCSEL光学腔区域32的p型层上进行角度蚀刻，以满足底部纳米多孔DBR镜偏转的对准要求。蚀刻角度预先确定，使得从底部纳米多孔氮化镓DBR 16偏转的光能够垂直照射到蚀刻的p型层上。由于蚀刻区域暴露了r面表面，因此在放置电介质DBR镜24之前，使用化学蚀刻剂平滑表面。在该准备好的表面上沉积由SiO2/Ta2O5周期组成的16周期电介质DBR 24。
接下来，沉积SiO2或保护膜(未示出)以保护器件免受纳米多孔蚀刻的影响并提供电气隔离24。
然后，对样品进行EC蚀刻，将其浸入草酸中并施加偏置电压，以将底部ELO基底层中的掺杂n+氮化镓层蚀刻为DBR。随后，使用光刻技术选择性图案化连接电流注入区域31的p接触垫33，并沉积金属接触层Ti/Au。最终器件如图5A所示。
接下来，通过剥离、激光剥离或化学剥离方法将VCSEL器件从主衬底上分离，并全面沉积n接触金属34，如图5B所示。纳米多孔氮化镓DBR区域可以作为光发射侧，或可以作为倾斜的p型层侧。在本发明中，n接触垫34与n-DBR 16之间的界面通过ELO生长制备，因此其晶体纯度高，且介面表面粗糙度被设计为亚纳米级(例如2nm)，而无需引入化学机械抛光(CMP)或任何抛光技术。所使用的电介质掩模13厚度约为300nm，优选为SiO2和SiN的多层组合。电介质掩模13的表面粗糙度被设计为低于亚纳米级，以便在剥离介面处实现相同的粗糙度。如图所示，n侧DBR镜16呈现平坦状态，块状非多孔III族氮化物层和纳米多孔GaN层与n接触垫34形成介面。这表明器件的热耗散主要由导热性更好的块状非多孔氮化镓层控制。同样，电导率主要由块状非多孔氮化镓层主导，因此所报道的配置允许垂直电流注入。
图5C描述了电流注入区域31的隧道结配置。
器件层生长持续到p++GaN层，然后界定圆形图案35以确定电流孔径。如有必要，可以添加离子注入以增强电流注入到有源区18。图5C展示了隧道结注入处的器件切片区域，其中阴影区域36表示光学腔区域，该区域与电流注入区域不直接重叠。
图5D重点在于在上述讨论的隧道结器件(图5C)上添加热传导层。在为DBR镜的放置制备倾斜的p-GaN 24、准备电流注入区域31和接触垫放置区域后，溅射制备AlN热扩散层37。然后如前所述，在器件顶部沉积p接触垫33和电介质DBR镜24，其是由SiO2/Ta2O5周期组成的16周期电介质DBR。接下来，通过热剥离、激光剥离或化学剥离方法将VCSEL器件从主衬底上分离，并全面沉积n接触金属34，如图5D所示。
图6A至6D是图5A和5B中提到的器件的简单变体，其中至少使用一个以上的ELO翼部来放置电流注入区域。在ELO条形结构的情况下，通过在开口区域12的两侧放置两个电流注入区域，可以实现两个光发射区；类似地，在六边形晶体图案的情况下，如图6C所示可以实现六个光发射区38，或如图6D所示的连续环形光发射区。如图6C所示，基底ELO层是n型DBR镜，但将光重定向到开口区域。同样，在图6D中，电流注入可以布置为环形，从而使光发射区表现为环形，但稍微向内移动到开口区域。p接触垫33如图示放置在外圈，n接触垫34在将VCSEL器件从主衬底上移除后放置在n侧。
图7A描述了单个ELO条形结构的典型芯片尺寸，图7B展示了从ELO条形结构集成的多个VCSEL器件和来自晶圆的六方密排VCSEL单元。
优点：
1.腔内接触层不与光学腔重叠。
2.使用纳米多孔DBR层以实现更好的散热。
3.纳米多孔DBR的倾斜配置降低了器件的电阻。
4.可实现有角度的发射。
5.更好的热管理。
6.可以使用成本较低的大尺寸模板衬底(如蓝宝石基氮化镓)以获得优势。
7.高质量和较大尺寸的氮化镓衬底非常昂贵。本发明的ELO技术可以解锁在VCSEL生产中使用异质衬底的可能性。
8.本发明预计将显著提高性能、降低制造成本并消除复杂工艺。
应用
照明：
基于氮化镓的LED已经引发了住宅和汽车照明的巨大变革。照明与通信服务的结合在未来智慧城市和智慧基础设施中非常受欢迎。VCSEL是LED和边缘发射(edgeemitting)激光二极管的更好替代品。然而，由于缺乏合适的、可盈利的大规模生产技术，氮化镓VCSEL尚未进入市场。上述实施方式中开发的工艺可用于大规模生产适用于照明应用的VCSEL单元。
可见光通信：
激光可用于通过光保真(LiFi)技术实现潜在的数据传输和通信应用。随着物联网设备的快速增长，对数据传输的需求持续扩大。射频频谱逐渐饱和，需要新的频率以满足不断增长的需求。将氮化镓VCSEL集成到现有的LED架构中比替换为边缘发射激光器更为简单。因此，上述实施方式中描述的器件可以满足这一需求。
近眼显示：
近眼显示代表了下一代消费电子产品的主要趋势。它们是虚拟现实(VR)和增强现实(AR)技术的基础。目前，微型LED是显示领域的主要选择，然而，尽管VCSEL研究进展有限，VCSEL必须作为微型显示和近眼显示技术引入。相对较低的光功率有助于维护眼睛安全。低发散角和圆形对称性减少了额外的光学元件，从而实现紧凑性。VCSEL的二维阵列集成能力比边缘发射激光器更为简单。因此，使用本发明制造的VCSEL产品可应用于这些领域。
在描述了本发明在优选实施方式中的原理并加以说明后，本领域技术人员应理解，可以在不脱离这些原理的情况下对发明的布置和细节进行修改。因此，我们要求保护所有属于以下权利要求精神和范围内的修改和变型。
[参考符号列表]
10 III族氮化物基衬底
11 III族氮化物模板
12 开放区域条带
13 电介质掩模
14 III族氮化物层
15 翼部
16纳米多孔氮化镓DBR
17n-GaN层
18III族氮化物有源层
19III族氮化物p型电子阻挡层(EBL)
20p型III族氮化物层
21p++GaN层
23隔离层
24电介质DBR
30 基底种源
31 电流注入区域
32 光学腔区域
33 p接触垫
34 n接触垫
35 圆形图案
36 阴影区域
37 热扩散层
38 光发射区。

Claims (17)

1.一种扩展型垂直腔面发射激光器(VCSEL)，包含：
横向外延过生长的半导体区段，所述半导体区段由位于空穴注入III族氮化物层与电子注入III族氮化物层之间的III族氮化物有源区构成；
位于空穴注入侧的倾斜p型镜；以及
包含位于电子注入侧的纳米多孔层和位于n侧的非多孔层的平面镜，所述纳米多孔层和所述非多孔层相对于所述III族氮化物有源区倾斜。
2.如权利要求1所述的VCSEL，其中位于所述电子注入侧的所述平面镜包含纳米多孔III族氮化物基DBR。
3.如权利要求2所述的VCSEL，其中所述III族氮化物基DBR具有包含纳米多孔和非多孔交替区域的介面。
4.如权利要求2所述的VCSEL，其中所述III族氮化物基DBR用于电子的垂直电流注入。
5.如权利要求2所述的VCSEL，其中所述III族氮化物基DBR用于热耗散。
6.如权利要求2所述的VCSEL，其中所述III族氮化物基DBR的介面与n接触垫接触。
7.如权利要求2所述的VCSEL，其中所述III族氮化物基DBR通过外延横向过生长形成。
8.如权利要求2所述的VCSEL，其中所述III族氮化物基DBR与电介质掩模之间的介面具有亚纳米级的粗糙度。
9.如权利要求8所述的VCSEL，其中未采用化学机械抛光(CMP)、蚀刻或研磨对所述III族氮化物基DBR的表面进行平滑化处理。
10.如权利要求1所述的VCSEL，其中所述p型层上的倾斜镜是电介质镜。
11.如权利要求10所述的VCSEL，其中所述倾斜p型层是III族氮化物层的半极性面。
12.如权利要求11所述的VCSEL，其中使用倾斜蚀刻获得所述半极性p型层。
13.如权利要求12所述的VCSEL，其中使用化学处理为半极性的所述倾斜p型层制备平滑表面。
14.如权利要求1所述的VCSEL，其中电流注入区域与光学腔区域分离。
15.如权利要求14所述的VCSEL，其中所述电流注入区域包含隧道结。
16.如权利要求1所述的VCSEL，其中在所述VCSEL的p侧设置有热扩散器。
17.如权利要求2所述的VCSEL，其中所述III族氮化物基DBR将光引导至所述倾斜p型层侧镜。
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