CN103325894B - 一种电注入GaN基谐振腔的制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种电注入GaN基谐振腔的制作方法，涉及GaN基谐振腔发光器件。在具有蓝宝石基底的GaN基外延片上生长p型电流扩展层ITO，对p型电流扩展层ITO表面依次进行刻蚀，抛光处理和ICP刻蚀，形成n型台面，再制作电流限制层、n型金属接触层、p型金属接触层和顶部介质膜DBR，再与临时基底键合在一起，然后采用激光剥离技术去除蓝宝石基底；对激光剥离后的GaN表面进行研磨抛光，在抛光后的GaN表面上生长底部的介质膜DBR，再与一个永久基底键合在一起，并去除临时基底，完成电注入高性能GaN基谐振腔的制作。采用两个高质量的介质膜DBR和损耗较小的p型电流扩展层ITO，实现高性能GaN基谐振腔。
Description
技术领域
本发明涉及GaN基谐振腔发光器件，尤其是涉及采用两个高质量的介质膜DBR和损耗较小的p型电流扩展层ITO，可实现高性能GaN基谐振腔的一种电注入GaN基谐振腔的制作方法。
背景技术
GaN基半导体材料主要包括GaN、InN、AlN及它们的三元或四元合金，具有稳定的机械和化学性能，并且属于直接跃迁能带结构，发光可以覆盖整个可见光波段，是制备半导体发光器件的理想材料。这些器件在普通照明、光纤通信、高密度光存储、激光显示和激光打印等领域有着广阔的应用前景，其中，GaN基谐振腔发光二极管（RCLED）和垂直腔面发射激光器（VCSEL）等是当前研究颇为关注的热点。
由于谐振腔独特的器件结构以及GaN基材料特殊的物理化学性质，在GaN基谐振腔的制作过程中存在着许多困难。首先，由于高Al组分的AlGaN与GaN之间存在较大的晶格失配和热失配，会导致氮化物分布布拉格反射镜（DBR）中存在大量的缺陷，甚至会造成裂缝［G.S.Huang,T.C.Lu,etal.,Crack-freeGaN/AlNdistributedBraggreflectorsincorporatedwithGaN/AlNsuperlatticesgrownbymetalorganicchemicalvapordeposition,Appl.Phys.Lett.,2008，88,061904］，因此很难获得反射率大于99％并且表面良好的氮化物DBR。同时，在此DBR上再生长的量子阱有源区的质量也将受到影响。所以利用氮化物DBR制作高质量的谐振腔较为困难。而采用全介质膜DBR制作的谐振腔其DBR的反射率较容易达到99％以上。同时，因为采用通常使用的蓝宝石外延片，也可获得较高质量的量子阱有源区。其次，p-GaN材料极低的载流子浓度使得空穴在p型层中难以进行有效的侧向扩展，因此在制作p型电极时必须采用半透明的导电层ITO作为电流扩展层。然而ITO也存在较大的光吸收损耗，这会使腔品质因子（Q值）迅速下降，严重影响了谐振腔的性能。目前已有一些高Q值的GaN基谐振腔的报道。2000年，布朗大学的Song等人［Y.K.Song,M.Diagne,etal.,Resonant-cavityInGaNquantum-wellbluelight-emittingdiodes,Appl.Phys.Lett.,2000,77(12):1744-1746］制作的全介质膜DBR谐振腔采用了两个介质膜DBR作为上下反射镜和100nm厚的ITO作为p型电流扩展层，谐振腔的Q值达到750。2007年，台湾新竹交通大学的Lu等人[T.C.Lu,T.T.Kao,etal.,GaN-basedhigh-Qvertical-cavitylight-emittingdiodes,IEEEElectronDeviceLetters,2007,28(10):884-886]制作的混合腔器件的反射镜是由一个SiO2/Ta2O5介质膜DBR和一个外延生长的AlN/GaN氮化物DBR作为谐振腔的上下反射镜，以240nm厚的ITO作电流扩展层，器件的Q值达到了895。
发明内容
本发明的目的在于提供采用两个高质量的介质膜DBR和损耗较小的p型电流扩展层ITO，可实现高性能GaN基谐振腔的一种电注入GaN基谐振腔的制作方法。
本发明包括以下步骤：
1）在具有蓝宝石基底的GaN基外延片上生长p型电流扩展层ITO，采用ICP刻蚀方法对p型电流扩展层ITO表面依次进行刻蚀，抛光处理和ICP刻蚀，形成n型台面，再制作电流限制层、n型金属接触层、p型金属接触层和顶部介质膜DBR，再与临时基底键合在一起，然后采用激光剥离技术去除蓝宝石基底；
2）对激光剥离后的GaN表面进行研磨抛光，在抛光后的GaN表面上生长底部的介质膜DBR，再与一个永久基底键合在一起，并去除临时基底，完成电注入高性能GaN基谐振腔的制作。
在步骤1）中，所述GaN基外延片可采用分子束外延、金属有机物化学气相外延、氢化物气相外延方法或者磁控溅射方法制备；所述p型电流扩展层ITO的厚度可大于200nm；所述刻蚀可使用感应耦合等离子体刻蚀技术对ITO进行刻蚀，刻蚀的速率可小于10nm/min；刻蚀后的p型电流扩展层ITO的厚度可为30～100nm；抛光后p型电流扩展层ITO的表面均方根（RMS）粗糙度在10μm×10μm范围内可小于1nm；所述电流限制层可采用氧化硅绝缘层、氮化硅绝缘层、氧化铝绝缘层、氧化钽绝缘层等中的一种；所述电流限制层、n型金属接触层、p型金属接触层和顶部介质膜分布布拉格反射镜可以采用剥离、腐蚀、刻蚀等方法实现。
在步骤2）中，所述抛光后的GaN的表面均方根粗糙度在10μm×10μm范围内可小于1nm；底部的介质膜DBR反射率大于顶部DBR反射率。
由于较厚的ITO层会存在较大的吸收损耗，而表面粗糙也会引起较大的散射损耗，这将影响谐振腔的性能，本发明的突出优点在于制作出的p型电流扩展层ITO不仅厚度可控制，而且其表面平整。通过采用这样的ITO层大幅度降低谐振腔的损耗，大大提升谐振腔的Q值，从而提高谐振腔的性能。具体地将这样的谐振腔应用于RCLED中将提高器件的出光功率，而应用于VCSEL将能有效降低阈值，获得更大的激光功率。
本发明采用高质量的介质膜DBR作为谐振腔的上下反射镜和一种低损耗的p型电流扩展层ITO，提高了GaN基谐振腔的Q值，制作出高性能的谐振腔。本发明是先生长一层较厚的ITO膜，然后采用感应耦合等离子体（ICP）刻蚀技术以低于10nm/min的刻蚀速率对其进行刻蚀降低粗糙度并减薄ITO厚度，然后通过抛光技术进一步降低表面粗糙度。制作出的p型电流扩展层ITO的电学和光学特性良好，并且表面均方根（RMS）粗糙度在10μm×10μm范围内低于1nm。通过采用这样的p型扩展层大幅度提升了谐振腔的性能。
本发明在谐振腔的制作中采用两个高质量的介质膜DBR和损耗较小的p型电流扩展层ITO，实现了高性能GaN基谐振腔。
附图说明
图1为蓝宝石基底GaN基外延薄膜蒸镀上p型电流扩展层ITO；
图2为进行ICP处理后的示意图；
图3为进行抛光处理后的示意图；
图4为采用剥离、腐蚀或刻蚀等方法制作上电流限制层、金属接触层和上DBR后的示意图；
图5为键合后的示意图；
图6为经过二次转移基底后的示意图；
图7为制作的电流扩展层ITO未经过ICP刻蚀及抛光后的表面AFM图；
图8为制作的电流扩展层ITO经过ICP刻蚀及抛光后的表面AFM图；
图9为制作的最终器件在电流密度为100A/cm2下的电致发光谱图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下以GaN基RCLED为例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
参见图1～9，本发明实施例包括以下步骤：
1）在蓝宝石基底11上利用MOCVD方法，依次生长低温缓冲层、未掺杂的GaN缓冲层、掺Si的GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源层、掺Mg的AlGaN层和掺Mg的GaN层等GaN基外延层12，并在外延片生长完成后进行高温退火，来提高空穴浓度；
2）在上述外延片上采用电子束蒸发设备制备250nm厚的p型电流扩展层ITO13，所生长的ITO表面的AFM扫描图如图7所示，可以知道ITO的表面RMS粗糙度约为8nm；
3）采用ICP刻蚀技术以低于10nm/min的刻蚀速率对上述表面进行刻蚀将ITO减薄至100nm以下；
4）采用抛光技术把刻蚀后的ITO处理平整，抛光后的ITO的表面RMS如图8所示，经过ICP及抛光技术处理后，ITO的表面RMS降低至1nm左右；
5）通过腐蚀将ITO制成直径小于20μm的圆形状；
6）对上述结构采用感应耦合等离子体刻蚀技术分离器件，形成n型台面；
7）通过剥离的方法在上述结构上制作上电流限制层SiO241，SiO2留出的孔径与上述ITO的直径大小一致；
8）在上述结构上制作上n型及p型的金属电极42，ITO上的金属留出的小孔的直径略小于ITO的直径；
9）在ITO上制作高反射率的Ta2O5/SiO2顶部DBR43，DBR是由折射率不同，厚度为四分之一波长的两种材料交替生长而成，此DBR的反射率达到99%以上；
10）采用一种高强度粘接剂51将上述结构键合到临时的石英基底52上；
11）利用激光剥离技术去除蓝宝石基底，并对去除蓝宝石基底后的GaN表面进行研磨抛光至所需厚度；
12）在上述结构抛光后的GaN表面生长上高反射率的Ta2O5/SiO2底部DBR61，此DBR的反射率略高于顶部DBR；并将此结构键合到永久基底Si片62上，同时去除粘接剂和临时的石英基底，最终完成GaN基RCLED的制作；
13）图9为制作的最终器件在电流密度为100A/cm2下的电致发光谱图，谐振腔的Q值超过3000。
Claims (10)
1.一种电注入GaN基谐振腔的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
1)在具有蓝宝石基底的GaN基外延片上制备p型电流扩展层ITO，采用ICP刻蚀方法对p型电流扩展层ITO表面进行刻蚀，将ITO减薄至100nm以下；再采用抛光技术，将ITO表面RMS降低；再通过腐蚀将ITO制成圆形；然后形成n型台面，再制作电流限制层、n型金属接触层、p型金属接触层和顶部介质膜DBR，然后与临时基底键合在一起，再采用激光剥离技术去除蓝宝石基底；
2)对激光剥离后的GaN表面进行研磨抛光，在抛光后的GaN表面上生长底部的介质膜DBR，再与一个永久基底键合在一起，并去除临时基底，完成电注入高性能GaN基谐振腔的制作。
2.如权利要求1所述一种电注入GaN基谐振腔的制作方法，其特征在于在步骤1)中，所述GaN基外延片采用分子束外延、金属有机物化学气相外延、氢化物气相外延方法或者磁控溅射方法制备。
3.如权利要求1所述一种电注入GaN基谐振腔的制作方法，其特征在于在步骤1)中，所述p型电流扩展层ITO的厚度大于200nm。
4.如权利要求1所述一种电注入GaN基谐振腔的制作方法，其特征在于在步骤1)中，所述刻蚀是使用感应耦合等离子体刻蚀技术对ITO进行刻蚀，刻蚀的速率小于10nm/min。
5.如权利要求1所述一种电注入GaN基谐振腔的制作方法，其特征在于在步骤1)中，所述刻蚀后的p型电流扩展层ITO的厚度为30～100nm。
6.如权利要求1所述一种电注入GaN基谐振腔的制作方法，其特征在于在步骤1)中，所述抛光处理后的p型电流扩展层ITO的表面均方根粗糙度在10μm×10μm范围内小于1nm。
7.如权利要求1所述一种电注入GaN基谐振腔的制作方法，其特征在于在步骤1)中，所述电流限制层采用氧化硅绝缘层、氮化硅绝缘层、氧化铝绝缘层、氧化钽绝缘层中的一种。
8.如权利要求1所述一种电注入GaN基谐振腔的制作方法，其特征在于在步骤1)中，所述电流限制层、n型金属接触层、p型金属接触层和顶部介质膜分布布拉格反射镜采用剥离、腐蚀、刻蚀方法实现。
9.如权利要求1所述一种电注入GaN基谐振腔的制作方法，其特征在于在步骤2)中，所述抛光后的GaN的表面均方根粗糙度在10μm×10μm范围内小于1nm。
10.如权利要求1所述一种电注入GaN基谐振腔的制作方法，其特征在于在步骤2)中，所述底部的介质膜DBR反射率大于顶部DBR反射率。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103325894A (zh) | 2013-09-25 |
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