CN102074894A - 氮化镓基激光器列阵管芯的器件结构及制作方法 - Google Patents

Abstract

一种氮化镓基激光器列阵管芯的器件结构，包括：一绝缘衬底；在该绝缘衬底上依次生长第一接触层、第一光限制层、第一波导层；在该第一波导层表面的脊形上分别生长有源区；在该有源区的上面生长有第二波导层、第二光限制层、第二接触层、P型欧姆接触电极；该第一波导层上面及侧边，在有源区、第二波导层、第二光限制层、第二接触层和P型欧姆接触电极的侧边生长有绝缘层；两个N型欧姆接触电极，分别制作在第一接触层上面的两侧台面的中间；在第一接触层上面两侧暴露出的台面上生长绝缘层；一P型加厚电极，该P型加厚电极制作在第一波导层、有源区、第二波导层、第二光限制层、第二接触层、P型欧姆接触电极的绝缘层上和P型欧姆接触电极的上面。

Description

氮化镓基激光器列阵管芯的器件结构及制作方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别是指一种氮化镓基激光器列阵管芯的器件结构及制作方法

背景技术

GaN基量子阱结构激光器在增大光信息存储密度、投影显示、激光打印、水下通信、生物化学试剂的激活以及临床医学等领域有广阔的应用前景。光存储系统中，光盘容量与激光波长平方成反比，采用GaN基激光器的蓝光DVD，其光盘的存储容量可达到单面单层27GB，单面双层50GB，是红光的2-3倍。蓝光光盘系统已经在消费电子产品领域获得了广泛的应用，目前已有蓝光影碟机、光盘刻录机、光盘摄像机、PlayStation3等产品。而激光显示由于采用了偏振度极高的激光作为光源，因此画质具有超高的对比度。激光相干长度大、光束发散角小，可以投影到任何曲面。此外，激光显示还有屏幕尺寸灵活、响应速度快、没有可视角度限制等优点。除电视外还有望开发成为真正超轻、超便携、高亮度的投影仪器。这种体积小、低功耗的激光投影系统还可以被集成到手机、MP4等手持电子设备中。日后这种投影显示技术将根据人们的想象力开发出各种魔幻般的应用，如天文馆、飞行模拟，甚至可以将卫星导航图像直接投影到汽车或飞机的挡风玻璃上。应用GaN基激光器于打印技术基于其波长短，可以提高激光打印的分辨率，而蓝绿光的GaN基激光器与AlGaInP红光激光器结合可以实现全彩打印。GaN基激光器也是可以用于深海探测和通信，在国防领域具有深远意义。

目前GaN基激光器的研究目标之一是实现大的功率输出。大功率半导体激光器主要有两种结构：一是宽接触的单管激光器，二做成列阵式激光器。由于低位错密度的GaN衬底价格昂贵，目前仍主要采用的是蓝宝石衬底异质外延生长GaN基激光器。对于蓝宝石衬底上制作宽接触大功率GaN基激光器最大的问题在外延层和器件结构中有高的位错密度，热效应无法忽视；加之腔面解理困难，无法实现宽接触的激光器，故而采用列阵激光器来实现大的功率输出。然而蓝宝石衬底不导电，在其上制作的激光器采用的是平面电极结构，P电极和N电极都在激光器的正面。列阵中的各个脊形发光区，由于所处位置不同，与N电极之间的距离不同，故而串联电阻不同。在相同的外加电压下，各个脊形发光区注入的电流密度不同，导致各个脊形发光区的有源层中载流子浓度不同。另外，P-AlGaN/GaN超晶格光限制层的水平方向电阻较小，在电场的驱动下载流子会在不同的脊形发光区之间迁移，载流子的侧向扩展严重。以上两个原因导致列阵中的各个脊形发光区的载流子浓度不同，难以同时激射。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氮化镓基激光器列阵管芯的器件结构及制作方法，通过设计脊形发光区的位置分布和宽度，消除串联电阻和载流子侧向扩展的影响，从而实现氮化镓基激光器列阵管芯的各个脊形发光区同时激射。

本发明实现了氮化镓基列阵激光器各个脊形发光区同时激射，实现了大的功率输出。

附图说明

为了进一步说明本发明的内容，以下结合实施例对本发明做一详细的描述，其中：

图1是本发明中的氮化镓基激光器列阵管芯的外延结构的剖面图；

图2是本发明中的氮化镓基激光器列阵管芯的结构平面图；

图3是本发明中的氮化镓基激光器列阵管芯的结构剖面图。

具体实施方式

首先请参阅图3所示，一种氮化镓基激光器列阵管芯的器件结构，包括：

一绝缘衬底10，所述的绝缘衬底10为蓝宝石衬底，蓝宝石衬底的厚度为300-500微米；

一第一接触层11，该第一接触层11生长在绝缘衬底10上，所述的第一接触层11为N型氮化镓层；

一第一光限制层12，该第一光限制层12生长在第一接触层11上面的中间，使第一接触层11上面的两侧形成台面111，由于氮化镓基激光器生长在绝缘衬底上，无法从背面引出N电极，所以要在第一接触层11表面形成台面111，暴露出第一接触层11，在上面制作N欧姆接触电极，所述的第一光限制层12为N型铝镓氮层，该第一光限制层12起到将光限制在有源区14和波导层内的作用；

一第一波导层13，该第一波导层13生长在第一光限制层12上，该第一波导层13的表面形成偶多个脊形21，所述的第一波导层13为N型氮化镓层，该第一波导层13起到将载流子限制在有源区14中的作用，同时它与第二波导层15、有源区14一起构成光波导；

在该第一波导层13表面的脊形21上分别生长有源区14，所述的有源区14为铟镓氮多量子阱结构；

在该有源区14的上面生长有第二波导层15，所述第二波导层15为P型氮化镓层，该第二波导层15起到将载流子限制在有源区14中的作用，同时它与第一波导层13、有源区14一起构成光波导；

在该第二波导层15的上面生长有第二光限制层16，所述第二光限制层16为P型铝镓氮层，该第二光限制层16起到将光限制在有源区14和波导层内的作用；

在该第二光限制层16的上面生长有第二接触层17，所述第二接触层17为P型氮化镓层；

该第一波导层表面的脊形、有源区、第二波导层、第二光限制层、第二接触层合称为脊形发光区，发光区为脊形结构，起到了侧向载流子限制和侧向光场限制的作用；

在该第二接触层17的上面生长有P型欧姆接触电极18，所述的P型欧姆接触电极18为Ni/Au、Pd/Au、Pd/Pt/Au、Pt/Au或Pt/Ni/Au；

在第一波导层13的上面和侧边，在有源区14、第二波导层15、第二光限制层16、第二接触层17和P型欧姆接触电极18的侧边生长有绝缘层22，该绝缘层阻止空穴从脊形发光区上表面以外的区域注入，起到载流子的侧向限制作用，此外由于该绝缘层的折射率比空气大，改变了光场侧向的限制；

两个N型欧姆接触电极26，分别制作在第一接触层11上面的两侧的台面111的中间，以使氮化镓基激光器列阵管芯的各个脊形发光区尽可能靠近N型电极，减小串联电阻，同时减少由于各个脊形发光区与N电极的距离不同导致的各个脊形发光区的载流子分布的不均匀；所述的N型欧姆接触电极26为Ti/Al/Ti/Au；

在第一接触层11上面两侧暴露出的台面111上生长绝缘层22，该绝缘层起到隔离P型材料和N型欧姆电极的作用；

一P型加厚电极25，该P型加厚电极25制作在第一波导层13、有源区14、第二波导层15，第二光限制层16、第二接触层17、P型欧姆接触电极18的绝缘层22上和P型欧姆接触电极18的上面。

所述的第一波导层表面的脊形21对称分布在第一波导层16两侧且靠近N型欧姆接触电极26，从而减小各个脊形发光区与N型欧姆接触电极的距离的差，即减小各个脊形发光区的串联电阻的差别，从而使各个脊形发光区在相同的外加电压下注入的电流密度尽可能相同，即使得各个脊形发光区的有源区中的载流子浓度尽可能相同，以减小串联电阻对各个脊形发光区载流子分布的影响；脊形21的宽度为1-25μm，中间两个脊形之间的距离大于80μm，以制备压焊电极点，其它脊形之间的距离为3-50μm。

请参阅图1及图2，同时结合参阅图3所示，本发明一种氮化镓基激光器列阵管芯的器件结构的制作方法，包括如下步骤：

步骤1：在绝缘衬底10上依次外延生长第一接触层11、第一光限制层12、第一波导层13、有源区14、第二波导层15、第二光限制层16和第二接触层17，形成氮化镓基激光器列阵管芯的外延结构；所述的绝缘衬底10为蓝宝石衬底，蓝宝石衬底的厚度为300-500微米；其中在绝缘衬底10上外延生长的方法是金属化学有机气相沉积方法或分子束外延方法；所述的第一接触层11为N型氮化镓层；所述第二接触层17为P型氮化镓层；所述的第一光限制层12为N型铝镓氮层，第二光限制层16为P型铝镓氮层；该第一光限制层12、第二光限制层16起到将光限制在有源区和波导层内的作用；所述的第一波导层13为N型氮化镓层，第二波导层15为P型氮化镓层；该第一波导层13、第二波导层15起到将载流子限制在有源区中的作用，同时它们与有源区一起构成光波导；所述的有源区14为铟镓氮多量子阱结构；

步骤2：在外延结构的第二接触层17上制备P型欧姆接触电极18，所述的P型欧姆接触电极18为Ni/Au、Pd/Au、Pd/Pt/Au、Pt/Au或Pt/Ni/Au；

步骤3：在制备了P型欧姆接触电极18的外延结构上刻蚀出脊形发光区，刻蚀深度不超过第一波导层13，其中所述的脊形发光区包括第一波导层表面的脊形、有源区、第二波导层、第二光限制层、第二接触层；由于各个脊形发光区之间的有源区14、第二波导层15、第二光限制层16、第二接触层17和P型欧姆接触电极18被刻断，载流子不能在各个脊形发光区之间迁移，从而阻断了载流子的侧向扩展，保证了各个脊形发光区的有源区中载流子浓度的一致；刻蚀出脊形发光区所用的技术为离子束刻蚀技术(IBE)；

步骤4：将刻蚀形成脊形发光区的外延结构的两侧进行刻蚀，刻蚀度到第一接触层11的表面，形成台面111；其中所述的刻蚀形成台面111所用的技术为感应耦合等离子(ICP)刻蚀技术或离子束刻蚀技术(IBE)；

步骤5：在刻蚀形成脊形发光区21和形成台面111的外延结构的表面制备绝缘层22，所述的绝缘层22为二氧化硅绝缘薄膜，二氧化硅绝缘薄膜的厚度为0.1-0.5微米；

步骤6：在台面111的中间开有N型欧姆接触电极窗口24，在N型欧姆接触电极窗口24制备N型欧姆接触电极26，所述的N型欧姆接触电极26为Ti/Al/Ti/Au；

步骤7：在脊形发光区上的绝缘层22上开有P型加厚电极窗口23，所述的P型加厚电极窗口23长度和宽度不超过脊形发光区上表面的长度和宽度；在第一波导层13、有源区14、第二波导层15、第二光限制层16、第二接触层17、P型欧姆接触电极18的绝缘层22上和P型加厚电极窗口23上制备P型加厚电极25，所述的P型加厚电极25为Ti/Au。

步骤8：将绝缘衬底10从背面减薄，减薄的厚度到40-120微米；

步骤9：解理分割，形成单个列阵激光器的管芯。

所述的脊形发光区对称分布在第一波导层13两侧且靠近N型欧姆接触电极26，从而减小各个脊形发光区与N型欧姆接触电极的距离的差，即减小各个脊形发光区的串联电阻的差别，从而使各个脊形发光区在相同的外加电压下注入的电流密度尽可能相同，即使得各个脊形发光区的有源区中的载流子浓度尽可能相同，以减小串联电阻对各个脊形发光区载流子分布的影响；脊形发光区的宽度为1-25μm，中间两个脊形发光区之间的距离大于80μm，用以制备压焊电极点，其它脊形发光区之间的距离为3-50μm。

其中所述的台面111包括N型欧姆接触电极区、N型欧姆接触电极与P型材料之间的隔离区和管芯之间的分割道区19、20，腔面位置处两个管芯之间的分割道19宽度为40μm，与腔面垂直的侧边两个管芯之间的分割道20宽度为80μm。

其中所述的解理分割激光器管芯的方法为在蓝宝石衬底背面，沿腔面方向的分割道中间划出解理导向沟槽。然后用裂片机将激光器管芯沿划好的导向槽解理成条。然后在蓝宝石背面沿垂直于腔面的方向的分割道的中间划出沟槽，用裂片机将激光器管芯的列阵条分割，形成单个的激光器管芯。

本发明解决了绝缘衬底上共面电极氮化镓基激光器列阵管芯的串联电阻和载流子侧向扩展所带来的问题，实现了氮化镓基列阵激光器各个脊形发光区同时激射，实现了大的功率输出。

Claims (16)

1.一种氮化镓基激光器列阵管芯的器件结构，包括：

一绝缘衬底；

一第一接触层，该第一接触层生长在绝缘衬底上；

一第一光限制层，该第一光限制层生长在第一接触层上面的中间，使第一接触层上面的两侧形成台面；

一第一波导层，该第一波导层生长在第一光限制层上，该第一波导层的表面形成偶多个脊形；

在该第一波导层表面的脊形上分别生长有源区；

在该有源区的上面生长有第二波导层；

在该第二波导层的上面生长有第二光限制层；

在该第二光限制层的上面生长有第二接触层；

该第一波导层表面的脊形、有源区、第二波导层、第二光限制层和第二接触层合称为脊形发光区；

在该第二接触层的上面生长有P型欧姆接触电极；

在第一波导层的上面及侧边，在有源区、第二波导层、第二光限制层、第二接触层和P型欧姆接触电极的侧边生长有绝缘层；

两个N型欧姆接触电极，分别制作在第一接触层上面的两侧台面的中间；

在第一接触层上面两侧暴露出的台面上生长绝缘层；

一P型加厚电极，该P型加厚电极制作在第一波导层、有源层、第二波导层、第二光限制层、第二接触层、P型欧姆接触电极的绝缘层上和P型欧姆接触电极的上面。

2.根据权利要求1所述的氮化镓基激光器列阵管芯的器件结构，其中所述的绝缘衬底为蓝宝石衬底。

3.根据权利要求1所述的氮化镓基激光器列阵管芯的器件结构，其中所述的第一接触层为N型氮化镓层，第二接触层为P型氮化镓层。

4.根据权利要求1所述的氮化镓基激光器列阵管芯的器件结构，其中所述的第一光限制层为N型铝镓氮层，第二光限制层为P型铝镓氮层。

5.根据权利要求1所述的氮化镓基激光器列阵管芯的器件结构，其中所述的第一波导层为N型氮化镓层，第二波导层为P型氮化镓层。

6.根据权利要求1所述的氮化镓基激光器列阵管芯的器件结构，其中所述的有源区为铟镓氮多量子阱结构。

7.根据权利要求1所述的氮化镓基激光器列阵管芯的器件结构，其中所述的脊形对称分布在第一波导层两侧且靠近N型欧姆接触电极，以减小串联电阻对各个脊形发光区载流子分布的影响；脊形的宽度为1-25μm，中间两个脊形之间的距离大于80μm，其它脊形之间的距离为3-50μm。

8.一种氮化镓基激光器列阵管芯的器件结构的制作方法，包括如下步骤：

步骤1：在绝缘衬底上依次外延生长第一接触层、第一光限制层、第一波导层、有源区、第二波导层、第二光限制层和第二接触层，形成氮化镓基激光器列阵管芯的外延结构；

步骤2：在外延结构的第二接触层上制备P型欧姆接触电极；

步骤3：在制备了P型欧姆接触电极的外延结构上刻蚀出脊形发光区，刻蚀深度不超过第一波导层；

步骤4：将刻蚀形成脊形发光区的外延结构的两侧进行刻蚀，刻蚀度到第一接触层的表面，形成台面；

步骤5：在刻蚀形成脊形发光区和形成台面的外延结构的表面制备绝缘层；

步骤6：在台面的中间开有N型欧姆接触电极窗口，在N型欧姆接触电极窗口制备N型欧姆接触电极；

步骤7：在脊形发光区上的绝缘层上开有P型加厚电极窗口，在第一波导层、有源区、第二波导层、第二光限制层、第二接触层、P型欧姆接触电极的绝缘层上和P型加厚电极窗口上制备P型加厚电极；

步骤8：将绝缘衬底从背面减薄；

步骤9：解理分割，形成单个列阵激光器的管芯。

9.根据权利要求8所述的氮化镓基激光器列阵管芯的器件结构的制作方法，其中所述的绝缘衬底为蓝宝石衬底。

10.根据权利要求8所述的氮化镓基激光器列阵管芯的器件结构的制作方法，其中所述的第一接触层为N型氮化镓层，第二接触层为P型氮化镓层。

11.根据权利要求8所述的氮化镓基激光器列阵管芯的器件结构的制作方法，其中所述的第一光限制层为N型铝镓氮层，第二光限制层为P型铝镓氮层。

12.根据权利要求8所述的氮化镓基激光器列阵管芯的器件结构的制作方法，其中所述的第一波导层为N型氮化镓层，第二波导层为P型氮化镓层。

13.根据权利要求8所述的氮化镓基激光器列阵管芯的器件结构的制作方法，其中所述的有源区为铟镓氮多量子阱结构。

14.根据权利要求8所述的氮化镓基激光器列阵管芯的器件结构的制作方法，其中所述的脊形发光区包括第一波导层表面的脊形、有源区、第二波导层、第二光限制层、第二接触层。

15.根据权利要求8所述的氮化镓基激光器列阵管芯的器件结构的制作方法，其中所述的脊形发光区对称分布在第一波导层两侧且靠近N型欧姆接触电极，以减小串联电阻对各个脊形发光区载流子分布的影响；脊形发光区的宽度为1-25μm，中间两个脊形发光区之间的距离大于80μm，其它脊形发光区之间的距离为3-50μm。

16.根据权利要求8所述的氮化镓基激光器列阵管芯的器件结构的制作方法，其中在绝缘衬底上外延生长的方法是金属化学有机气相沉积方法或分子束外延方法。

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