CN101257080B - 氮化物基脊型发光二极管和激光器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化物基脊型激光器和氮化物基脊型发光二极管及制备方法，属于氮化物材料系发光器件技术领域。本发明氮化物基脊型发光二极管的特征在于，在有源层和脊型p型接触层之间设置一介质层，该介质层设有若干个窗口或窗口组，所述脊型p型接触层作为上述窗口或窗口组形成的光、电限制层。通过二次再生长的工艺实现脊型结构的形状，可解决脊型的自对准。将上述制备氮化物基脊型发光二极管的方法应用于氮化物基脊型激光器，可简化激光器的制备工艺。同时，这一方法可避免覆盖层生长太厚的开裂问题，结合侧向外延生长可以大大提高外延片的利用率。此外，这一方法也给优化波导限制、电流注入限制提供了灵活的方案。
Description
技术领域
本发明是关于氮化物材料系发光器件，具体地说，是关于氮化物基脊型发光二极管和氮化物基脊型激光器，以及它们的制备方法。
背景技术
氮化物材料系(AlN，GaN，InN)可以形成发光的连续固溶合金，发光的范围从深紫外到中红外波段，故利用氮化物材料系可制备覆盖整个中红外光波段到深紫外的高效率光电子器件。氮化物光电子器件，特别是氮化物基激光器，不仅是下一代高密度光存储，高亮度、大尺寸全彩显示的基石，而且揭开了照明、印刷制版、激光打印等行业革命性技术进步的序幕。
为了获得长寿命、高可靠和大输出的氮化物光电子器件，研发的热点之一是高质量外延层的获得和有源层量子效率的提高。如美国专利US 6836498B2所述，先在蓝宝石衬底外延的GaN非掺层上沉积SiO2掩膜，再通过侧向外延生长器件结构，能有效地降低位错密度，大幅度提高器件使用寿命。中国专利CN 100353624C提供了一种在有源层之上插入中间层的方法，能阻挡p型GaN层Mg掺杂剂对有源层的渗透，减少非辐射复合中心从而提高有源层的复合效率，延长器件寿命。
研发的另一焦点就是光场和电流的限制。脊型结构由于其光场和电流注入限制方面的优点，早在镓砷系列的激光器就被广泛采用，如美国专利5726078所述的掩埋型脊型激光器。目前，一般氮化物基脊型激光器的制备工艺是，首先完成整个外延生长，然后利用刻蚀的方法来形成脊型结构。然而，刻蚀手段都不可避免会给外延层，特别是有源层带来刻蚀损伤。文献“MRS Internet J.Nitride Semiconductor Research，Vol.5(2000)Art.11”详细总结了现有的刻蚀方法对各种氮化物材料导致的刻蚀损伤。这些损伤无疑会增加激光器的内损，减少激光器寿命，降低器件性能。30多道复杂的氮化物基脊型激光器的制备工艺之中，主要的难点就是脊型条的获得和脊型条上电极窗口的自对准问题。此外，繁杂的工艺无法避免覆盖层生长太厚的的开裂问题，更难以实现波导限制以及电流注入限制的优化。因而，现有的激光器制备技术不仅工艺复杂、成本高，而且与规模生产不相适应，外延片的利用率自然也低。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种氮化物基脊型发光二极管和氮化物基脊型激光器，以及它们的制备方法，上述器件具有无刻蚀损伤的脊型结构，解决脊型结构的自对准工艺，可有效降低接触电阻。
本发明的技术方案是：
一种氮化物基脊型发光二极管，包括叠加的三个部分，从下至上为，第一部分为多层结构，包含一n型接触层，第二部分为有源层，第三部分也是多层结构，包含一脊型p型接触层，其特征在于，在所述有源层和所述脊型p型接触层之间设置一介质层，该介质层设有若干个窗口或窗口组，所述脊型p型接触层作为上述窗口或窗口组形成的光、电限制层。
一种氮化物基脊型激光器，包括叠加的三个部分，从下至上，第一部分为多层结构，包含一n型覆盖层和一下波导层，第二部分为有源层，第三部分也是多层结构，包含一上波导层和一脊型p型覆盖层，其特征在于，在所述上波导层和所述脊型p型覆盖层之间设置一介质层，该介质层设有若干个窗口或窗口组，所述脊型p型覆盖层作为上述窗口或窗口组形成的的光、电限制层。
上述接触层、覆可以是AlN、InN、GaN等二元系氮化物，而且可以是AlGaN或者InGaN等三元系氮化物，甚至是AlInGaN等四元系氮化物。
介质层厚度为10nm-5μm之间，窗口宽度是0.5μm-10μm，形成的脊型的宽度介于0.5μm-10μm之间，上述窗口间距在1μm-2000μm的范围，可以是周期性的，也可以是非周期性的。
所述介质层上的窗口组包括三个条形窗口，其中，居中的窗口宽度比其相邻窗口的宽度窄，可形成双沟脊型。
所述介质层可位于有源层的上方50nm-300nm处。
一种氮化物基脊型发光二极管的制备方法，其步骤包括：
1)生长氮化物量子阱发光二极管至有源层；
2)在有源层上制备一氮化硅介质层，然后光刻，在上述介质层上开启窗口或窗口组；
3)将上述窗口或窗口组清洗干净，生长p型接触层，形成脊型结构；
4)在上述氮化物基脊型结构基础上，完成氮化物基脊型发光二极管的后续工艺。
一种氮化物基脊型激光器的制备方法，其步骤包括：
1)生长氮化物量子阱激光器至上波导层；
2)在上波导层上制备一氮化硅介质层，然后光刻，在上述介质层上开启窗口或窗口组；
3)将上述窗口或窗口组清洗干净，生长p型覆盖层，形成脊型结构；
4)在上述氮化物基脊型结构基础上，完成氮化物基脊型激光器的后续工艺。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出了一种利用二次生长的方法制备氮化物基脊型发光二极管的新方法。通过二次再生长的工艺实现脊型结构的形状，可解决脊型的自对准。将上述制备氮化物基脊型发光二极管的方法应用于氮化物基脊型激光器，可简化激光器的制备工艺。同时，这一方法可避免覆盖层生长太厚的开裂问题，结合侧向外延生长可以大大提高外延片的利用率。此外，这一方法也给优化波导限制、电流注入限制提供了灵活的方案。
附图说明
图1所示本发明实施例一氮化物基脊型激光器的制备工艺流程图；
图2所示本发明实施例二双沟脊型氮化物基脊型激光器的制备工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
发明的实施例一
参考图1，(1)按正常工艺条件生长氮化物量子阱激光器至上波导层。其过程为：利用金属有机物气相沉积设备(MOCVD)，在氢气(H2)气氛下，以三甲基镓(trimethylgallium：TMGa)和氨气(NH3)为源，在蓝宝石衬底上生长20nm氮化镓(GaN)缓冲层，然后将温度升至1060℃生长2μm非掺杂的氮化镓和以硅烷为掺杂剂的2μm(掺杂浓度要不要)n型氮化镓(n-GaN)接触层，接着在GaN上生长厚度为700nm的n型铝镓氮/镓氮(n-AlGaN/GaN)超晶格覆盖层。将生长温度降低至1000℃，生长110nm的氮化镓下波导层，紧接着将温度降至800℃生长单或多周期的InGaN/GaN量子阱和10nm的GaN保护层。量子阱中，阱、垒厚度分别为4nm和8nm。这之后将温度升高到1060℃，以二茂镁(di(cyclopentadienyl)magnesium：Cp2Mg)为掺杂剂生长50nm的p型铝镓氮电子阻挡层(p-AlGaN)以及110nm氮化镓上波导层。随后降温，取出样品。
(2)在氮化镓上波导层上，蒸镀360nm左右的氮化硅介质层，通过光刻在氮化硅介质层开启宽为3.5μm，周期为400μm的条形窗口。再将开启窗口的氮化硅清洗干净，放回生长设备中进行二次生长p型铝镓氮/镓氮(p-AlGaN/GaN)超晶格覆盖层。
(3)在1010℃，以氢气为载气，二茂镁为掺杂剂生长p型铝镓氮/镓氮(p-AlGaN/GaN)超晶格覆盖层和p型氮化镓(p-GaN)接触层，使其形状为高200nm，宽为3μm的脊型形状。
(4)脊型条生长结束后，就完成了二次生长和脊型的制备。取出样品，蒸镀p型电极。作掩膜层，刻蚀n型接触台面，并作整个器件的钝化层。
(5)开启n型和p型窗口，加厚电极，然后就得到氮化物基脊型激光二极管。
发明的实施例二
参考图2，(1)按正常工艺条件生长氮化物量子阱激光器至上波导层。其过程为：利用金属有机物气相沉积设备(MOCVD)，在氢气(H2)气氛下，以三甲基镓(trimethylgallium：TMGa)和氨气(NH3)为源，在蓝宝石衬底上生长20nm氮化镓(GaN)缓冲层，然后将温度升至1060℃生长2μm非掺杂的氮化镓和以硅烷为掺杂剂的2μm(掺杂浓度要不要)n型氮化镓(n-GaN)接触层，接着在GaN上生长厚度为700nm的n型铝镓氮/镓氮(n-AlGaN/GaN)超晶格覆盖层。将生长温度降低至1000℃，生长110nm的氮化镓下波导层，紧接着将温度降至800℃生长单或多周期的InGaN/GaN量子阱和10nm的GaN保护层。量子阱中，阱、垒厚度分别为4nm和8nm。这之后将温度升高到1060℃，以二茂镁(di(cyclopentadienyl)magnesium：Cp2Mg)为掺杂剂生长50nm的p型铝镓氮电子阻挡层(p-AlGaN)以及110nm氮化镓上波导层。随后降温，取出样品。
(2)在氮化镓上波导层上，蒸镀160nm左右的氮化硅介质层，通过光刻在氮化硅介质层开启中心宽为2.5μm，在相距中心窗口6μm的左右两侧各开启一个宽为80μm的窗口，形成一窄两宽的条形窗口组，窗口组的周期为400μm。再将开启窗口的氮化硅清洗干净，放回生长设备中进行二次生长p型铝镓氮/镓氮(p-AlGaN/GaN)超晶格覆盖层。
(3)在1010℃，以氢气为载气，二茂镁为掺杂剂生长p型铝镓氮/镓氮(p-AlGaN/GaN)超晶格覆盖层和p型氮化镓(p-GaN)接触层，使其形状为高200nm，中心脊宽为3μm双沟脊型。
(4)脊型条生长结束后，就完成了二次生长和脊型的制备。取出样品，蒸镀p型电极。作掩膜层，刻蚀n型接触台面，并作整个器件的钝化层。
(5)开启n型和p型窗口，加厚电极，然后就得到氮化物基脊型激光二极管。
发明的实施例三
(1)按正常工艺条件生长氮化物量子阱发光二极管至氮化镓保护层。其过程为：利用金属有机物气相沉积设备(MOCVD)，在氢气(H2)气氛下，以三甲基镓(trimethylgallium：TMGa)和氨气(NH3)为源，在蓝宝石衬底上生长20nm氮化镓(GaN)缓冲层，然后将温度升至1040℃生长2μm非掺杂的氮化镓和以硅烷为掺杂剂2μm厚的n型氮化镓(n-GaN)接触层，接着将温度降至800℃生长4周期的InGaN/GaN量子阱。量子阱中，阱、垒厚度分别为3nm和9nm。在量子阱上可以制备一层10nm左右的GaN保护层，随后降温，取出样品。
(2)在InGaN/GaN量子阱上，蒸镀1μm左右的氮化硅介质层，通过光刻在氮化硅介质层开启宽为3μm，周期为350μm的条形窗口。再将开启窗口的氮化硅清洗干净，放回生长设备中进行二次生长p型氮化镓(p-GaN)接触层。
(3)在1000℃，以氢气为载气，二茂镁为掺杂剂生长p型氮化镓(p-GaN)接触层，使其为高150nm，宽为3μm的脊型形状。
(4)脊型条生长结束后，就完成了二次生长和脊型的制备。取出样品，蒸镀p型电极。作掩膜层，刻蚀n型接触台面，并作整个器件的钝化层。
(5)开启n型和p型窗口，加厚电极，然后就得氮化物基脊型发光二极管。
上述三个实施例中，所涉及的缓冲层、接触层、覆盖层、波导层、有源层、保护层以及电子阻挡层其成分组成不局限于本例说明，不但可以是AlN、InN、GaN等二元系氮化物，而且可以是AlGaN或者InGaN等三元系氮化物，甚至是AlInGaN等四元系氮化物。
脊型激光器结构可根据设计进行演变或增减。如在接触层之上形成光栅结构，构成分布布拉格反射(Distributed Bragg Reflector：DBR)、分布反馈(Distributed Feedback：DFB)激光器或发光二极管等。各结构层厚度和相对位置也可根据实际需要进行相应的调整。另外，本实施例说明了III-V族氮化物半导体激光器和半导体发光二极管的相关结构，但GaAs、InP等III-V族半导体激光器、半导体发光二极管或者ZnSe等II-VI族半导体激光器、半导体发光二极管也能形成相应的结构。
本发明中，上述三个实施例提供了一种优化了的氮化物半导体发光器结构和制备方案，本发明不仅局限于此实施例，可以根据实际需要和设计要求做出相应的修改，例如：
实施例中提供了用金属有机物气相沉积(MOCVD)方法的实现，但相应的结构也可通过分子束外延(Molecular Beam Epitaxy：MBE)、氢化物气相沉积法(Hydride Vapor PhaseEpitaxy：HVPE)等外延方法。
另外，生长所用的衬底除了蓝宝石以外，还可以是碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、铝酸锂(LiAlO2)、硅(Si)等。
此外，介质层可以是氮化硅等高介电常数的绝缘物质。介质层的位于量子阱上方50nmm-300nm，其厚度为10nm-5μm，窗口宽度是0.5μm-10μm，窗口间距在1μm-2000μm的范围，可以是周期性的，也可以是非周期性等。
以上通过详细实施例描述了本发明所提供的氮化物基脊型激光器和氮化物基脊型发光二极管，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变形或修改；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。
Claims (10)
1.一种氮化物基脊型发光二极管，包括叠加的三个部分，从下至上为，第一部分为多层结构，包含一N型接触层，第二部分为有源层，第三部分也是多层结构，包含一脊型p型接触层，其特征在于，在所述有源层和所述脊型p型接触层之间设置一介质层，该介质层设有若干个窗口或窗口组，所述脊型p型接触层通过所述窗口直接生长于所述有源层，作为上述窗口或窗口组形成的光、电限制层。
2.如权利要求1所述的的氮化物基脊型发光二极管，其特征在于，所述n型接触层、有源层或p型接触层为AlN、InN、GaN等二元系氮化物，或AlGaN或者InGaN等三元系氮化物，或是AlInGaN等四元系氮化物。
3.一种氮化物基脊型激光器，包括叠加的三个部分，从下至上，第一部分为多层结构，包含一n型覆盖层和一下波导层，第二部分为有源层，第三部分也是多层结构，包含一上波导层和一脊型P型覆盖层，其特征在于，在所述上波导层和所述脊型p型覆盖层之间设置一介质层，该介质层设有若干个窗口或窗口组，所述脊型p型覆盖层通过所述窗口直接生长于所述上波导层，同时作为上述窗口或窗口组形成的光、电限制层。
4.如权利要求3所述氮化物基脊型激光器，其特征在于，所述n型覆盖层、波导层、有源层或p型覆盖层为AlN、InN、GaN等二元系氮化物，或AlGaN或者InGaN等三元系氮化物，或是AlInGaN等四元系氮化物。
5.如权利要求1或3所述的器件，其特征在于，所述介质层的厚度为10nm-5μm之间。
6.如权利要求1或3所述的器件，其特征在于，所述介质层上的窗口为条形，其宽度范围为0.5μm-10μm之间，上述窗口周期性排列，其间距为1μm-2000μm之间。
7.如权利要求1或3所述的器件，其特征在于，所述介质层上的窗口组包括三个条形窗口，其中，居中的窗口宽度比其相邻窗口的宽度窄，窗口宽度范围为0.5μm-10μm之间。
8.如权利要求3所述的的氮化物基脊型激光器，其特征在于，所述介质层位于有源层的上方50nm-300nm处。
9.一种氮化物基脊型发光二极管的制备方法，其步骤包括：
1)生长氮化物量子阱发光二极管至有源层；
2)在有源层上制备一氮化硅介质层，然后光刻，在上述介质层上开启窗口或窗口组；
3)将上述窗口或窗口组清洗干净，直接生长p型接触层，形成脊型结构；
4）在上述氮化物基脊型结构上蒸镀电极；
5)完成氮化物基脊型发光二极管的后续工艺。
10.一种氮化物基脊型激光器的制备方法，其步骤包括：
1)生长氮化物量子阱激光器至上波导层；
2)在上波导层上制备一氮化硅介质层，然后光刻，在上述介质层上开启窗口或窗口组；
3)将上述窗口或窗口组清洗干净，直接生长p型覆盖层，形成脊型结构；
4）在上述氮化物基脊型结构上蒸镀电极；
5)完成氮化物基脊型激光器的后续工艺。
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