CN104377549A - 一种四波长镓氮基半导体激光芯片结构 - Google Patents

Abstract

本发明的四波长镓氮基半导体激光芯片结构，属于激光技术应用领域，其与传统的只能发射单一波长激光的芯片结构相比，能够同时发射四种波长激光。本发明的四波长镓氮基半导体激光芯片结构采用重复生长外延层的方法，在蓝宝石基底材料上生长一层外延层后，再累积生长三层同结构不同组分的外延层，然后通过光刻、腐蚀等方法，使一个芯片同时具有四个不同组分的有源区，成为可以同时发射出四种不同波长光的激光器，并且四种波长光的电极相互独立，可单独调节电流大小。本发明使以蓝宝石为基底的激光器的应用范围更宽、更广、更灵活。

Description

一种四波长镓氮基半导体激光芯片结构

技术领域

本发明属于半导体激光器制备封装技术领域，尤其涉及一种四波长镓氮基半导体激光芯片结构。

背景技术

随着半导体激光技术的日趋成熟以及应用领域的不断扩展，半导体激光器件的应用范围已经覆盖了光电子学的诸多领域，成为当今光电子实用器件的核心技术。由于半导体激光器件具有体积小，质量轻，寿命长等优点，广泛应用于军事、工业及民用等领域。蓝宝石被称为当今最优秀的激光介质之一，以蓝宝石为衬底的半导体激光器件因其结构简单、工作稳定、价格低廉等优点在市场上有很高的占有率。由于其衬底是由非导电材料蓝宝石构成，故在生长器件时，要通过外延生长、刻蚀、扩散、制作电极等方法将其P型电极与N型电极置于同一表面，生长成具有高度差的台阶型表面结构。传统的制备方法为在蓝宝石基底材料上生长外延层，形成具有一个P型电极和一个N型电极的只能发射单一波长激光的芯片结构。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种四波长镓氮基半导体激光芯片结构，其可以同时发射出四种不同波长光的激光器，并且四种波长光的电极相互独立，可单独调节电流大小控制光束，使以蓝宝石为基底的激光器的应用范围更宽、更广、更灵活。

本发明的四波长镓氮基半导体激光芯片结构，其包括：蓝宝石衬底、缓冲层、四个外延生长层；

所述蓝宝石衬底为基板，依次覆上缓冲层和四个外延生长层；

所述四个外延生长层是采用金属有机化合物化学气相淀积的方式逐层沉积于所述蓝宝石衬底上方；

其中，每个外延生长层从下往上依次包括N面电极接触层、保护层、N面包层、N面波导层、有源区、P面电子阻挡层、P面波导层、P面包层、P面电极接触层；

在每个外延生长层的N面电极接触层生长相应的N型电极，在每个外延生长层的P面电极接触层生长相应的P型电极；

所述P型电极和N型电极是在每个外延生长层上经光刻腐蚀、蒸发或溅射的方法覆盖一层或多层金属，然后再进行合金化形成的低阻金属。

进一步的，四波长镓氮基半导体激光芯片结构的外延生长层有四层，从缓冲层开始分别为：红光外延生长层、黄光外延生长层、绿光外延生长层和蓝光外延生长层。

进一步的，所述缓冲层的材质为GaN，厚度为0.03μm。

进一步的，所述蓝宝石衬底为三方晶系，折光率为1.76-1.77。

进一步的，所述保护层的材质为In_0.1Ga_0.9N，厚度为0.1μm。

进一步的，所述P面电子阻挡层的材质为Al_0.2Ga_0.8N，厚度为0.02μm。

进一步的，所述N面包层和所述P面包层的材质为Al_0.15Ga_0.85N，厚度为0.4μm。

进一步的，所述N面波导层和所述P面波导层的材质为GaN，厚度为0.1μm。

本发明的有益效果在于：

本发明改变了同一芯片只能发射单色光的限制，提供了四波长镓氮基半导体激光芯片结构。该结构通过重复生长外延层，即在蓝宝石基底材料上生长一层外延层后，再累积生长三层同结构不同组分的外延层，使同一片芯片具有四个不同组分的有源区，该方法可以实现使一片芯片同时发射出四种不同波长的光，使以蓝宝石为基底的激光器的应用更宽泛、灵活。

附图说明

图1为本发明的四波长镓氮基半导体激光芯片结构示意图。

附图标记为：

(1)蓝宝石衬底

(2)缓冲层

(3)红光外延生长层

(4)黄光外延生长层

(5)绿光外延生长层

(6)蓝光外延生长层

(7)蓝光P型电极

(8)蓝光N型电极

(9)绿光P型电极

(10)绿光N型电极

(11)黄光P型电极

(12)黄光N型电极

(13)红光P型电极

(14)红光N型电极

红光外延生长层：

(301)P面电极接触层

(302)P面包层

(303)P面波导层

(304)P面电子阻挡层

(305)有源区

(306)N面波导层

(307)N面包层

(308)保护层

(309)N面电极接触层

黄光外延生长层：

(401)P面电极接触层

(402)P面包层

(403)P面波导层

(404)P面电子阻挡层

(405)有源区

(406)N面波导层

(407)N面包层

(408)保护层

(409)N面电极接触层

绿光外延生长层：

(501)P面电极接触层

(502)P面包层

(503)P面波导层

(504)P面电子阻挡层

(505)有源区

(506)N面波导层

(507)N面包层

(508)保护层

(509)N面电极接触层

蓝光外延生长层：

(601)P面电极接触层

(602)P面包层

(603)P面波导层

(604)P面电子阻挡层

(605)有源区

(606)N面波导层

(607)N面包层

(608)保护层

(609)N面电极接触层

具体实施方式

本发明能使同一片芯片具有四个不同组分的有源区，形成四波长镓氮基半导体激光芯片结构，实现使一片芯片同时发射出四种不同波长的可独立调节的光为例对本发明进行进一步说明。

如图1所示，本发明的四波长镓氮基半导体激光芯片结构，由蓝宝石衬底(1)、缓冲层(2)、红光外延生长层(3)、黄光外延生长层(4)、绿光外延生长层(5)、蓝光外延生长层(6)、蓝光P型电极(7)、蓝光N型电极(8)、绿光P型电极(9)、绿光N型电极(10)、黄光P型电极(11)、黄光N型电极(12)、红光P型电极(13)、红光N型电极(14)构成。

所述的红光外延生长层包括N面电极接触层(309)、保护层(308)、N面包层(307)、N面波导层(306)、有源区(305)、P面电子阻挡层(304)、P面波导层(303)、P面包层(302)、P面电极接触层(301)。

所述的黄光外延生长层包括N面电极接触层(409)、保护层(408)、N面包层(407)、N面波导层(406)、有源区(405)、P面电子阻挡层(404)、P面波导层(403)、P面包层(402)、P面电极接触层(401)。

所述的绿光外延生长层包括N面电极接触层(509)、保护层(508)、N面包层(507)、N面波导层(506)、有源区(505)、P面电子阻挡层(504)、P面波导层(503)、P面包层(502)、P面电极接触层(501)。

所述的蓝光外延生长层包括N面电极接触层(609)、保护层(608)、N面包层(607)、N面波导层(606)、有源区(605)、P面电子阻挡层(604)、P面波导层(603)、P面包层(602)、P面电极接触层(601)。

且本专利中的所有N面包层和N面波导层内含1*10¹⁷-2*10¹⁹个Si离子/m³，所有P面包层和P面波导层内含1*10¹⁷-2*10¹⁹个Mg离子/m³。

本发明基于以蓝宝石为衬底的表面型半导体器件，选取适当的蓝宝石衬底，在蓝宝石基底上采用金属有机化合物化学气相淀积的方法逐层沉积材料。

首先形成发射红光的外延层，即依次生长缓冲层(0.03μm厚的GaN)、衬底层(3μm厚掺杂Si的N型GaN)、保护层(0.1μm厚掺杂Si的N型In_0.1Ga_0.9N)、N面包层(0.4μm厚掺杂Si的N型Al_0.15Ga_0.85N)、N面波导层(0.1μm厚掺杂Si的N型GaN)、有源区(0.0025μm厚的In_0.43GaN)、电子阻挡层(0.02μm厚掺杂Mg的P型Al_0.2Ga_0.8N)、P面波导层(0.1μm厚掺杂Mg的P型GaN)、P面包层(0.4μm厚掺杂Mg的P型Al_0.15Ga_0.85N)、电极接触层(0.5μm厚掺杂Mg的P型GaN)，此部分结构中的有源区为发射红光的In_0.43GaN材料。

在红光外延生长层的电极接触层上重复生长发射黄光的外延层，即衬底层(3μm厚掺杂Si的N型GaN)、保护层(0.1μm厚掺杂Si的N型In_0.1Ga_0.9N)、N面包层(0.4μm厚掺杂Si的N型Al_0.15Ga_0.85N)、N面波导层(0.1μm厚掺杂Si的N型GaN)、有源区(0.0025μm厚的In_0.32GaN)、电子阻挡层(0.02μm厚掺杂Mg的P型Al_0.2Ga_0.8N)、P面波导层(0.1μm厚掺杂Mg的P型GaN)、P面包层(0.4μm厚掺杂Mg的P型Al_0.15Ga_0.85N)、电极接触层(0.5μm厚掺杂Mg的P型GaN)，此部分结构中的有源区为发射黄光的In_0.32GaN材料。

在黄光外延生长层的电极接触层上重复生长发射绿光的外延层，即衬底层(3μm厚掺杂Si的N型GaN)、保护层(0.1μm厚掺杂Si的N型In_0.1Ga_0.9N)、N面包层(0.4μm厚掺杂Si的N型Al_0.15Ga_0.85N)、N面波导层(0.1μm厚掺杂Si的N型GaN)、有源区(0.0025μm厚的In_0.3GaN)、电子阻挡层(0.02μm厚掺杂Mg的P型Al_0.2Ga_0.8N)、P面波导层(0.1μm厚掺杂Mg的P型GaN)、P面包层(0.4μm厚掺杂Mg的P型Al_0.15Ga_0.85N)、电极接触层(0.5μm厚掺杂Mg的P型GaN)，此部分结构中的有源区为发射绿光的In_0.3GaN材料。

在绿光外延生长层的电极接触层上重复生长发射蓝光的外延层，即衬底层(3μm厚掺杂Si的N型GaN)、保护层(0.1μm厚掺杂Si的N型In_0.1Ga_0.9N)、N面包层(0.4μm厚掺杂Si的N型Al_0.15Ga_0.85N)、N面波导层(0.1μm厚掺杂Si的N型GaN)、有源区(0.0025μm厚的In_0.18GaN)、电子阻挡层(0.02μm厚掺杂Mg的P型Al_0.2Ga_0.8N)、P面波导层(0.1μm厚掺杂Mg的P型GaN)、P面包层(0.4μm厚掺杂Mg的P型Al_0.15Ga_0.85N)、电极接触层(0.5μm厚掺杂Mg的P型GaN)，此部分结构中的有源区为发射蓝光的In_0.18GaN材料。

在刻蚀过程中：

首先将光刻胶涂于蓝光P型电极的位置，采用化学腐蚀的方法去掉除其余位置蓝光衬底层以上的多余材料；

再将光刻胶涂于蓝光N型电极的位置，采用化学腐蚀的方法去掉除其余位置绿光电极接触层以上的多余材料；

采取同样的方法刻蚀出具有八个电极的台阶型结构，随后去掉光刻胶。

采用蒸发或溅射的方法在四组N面和P面上覆盖一层或多层金属或合金，然后在适当的温度下进行合金化，形成低阻的金属，使之形成四组P型电极和N型电极,从左到右依次为蓝光P型电极，蓝光N型电极，绿光P型电极，绿光N型电极，黄光P型电极，黄光N型电极，红光P型电极和红光N型电极。

将除电极以外的区域用PVD的方法覆盖SiN/SiO₂绝缘材料。

如此便形成了有四组P型电极与N电极的台阶型表面结构(如图1)。因为四组电极彼此独立，因此可单独对四路光束进行加电流控制。此结构使以蓝宝石为基底的激光器的应用范围更宽、更广、更灵活。

惟以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，举凡熟悉此项技艺的专业人士。在了解本发明的技术手段之后，自然能依据实际的需要，在本发明的教导下加以变化。因此凡依本发明申请专利范围所作的同等变化与修饰，都应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (8)

1.一种四波长镓氮基半导体激光芯片结构，其特征在于，包括：蓝宝石衬底、缓冲层、四个外延生长层；

所述蓝宝石衬底为基板，依次覆上缓冲层和四个外延生长层；

所述四个外延生长层是采用金属有机化合物化学气相淀积的方式逐层沉积于所述蓝宝石衬底上方；

其中，每个外延生长层从下往上依次包括N面电极接触层、保护层、N面包层、N面波导层、有源区、P面电子阻挡层、P面波导层、P面包层、P面电极接触层；

在每个外延生长层的N面电极接触层生长相应的N型电极，在每个外延生长层的P面电极接触层生长相应的P型电极；

所述P型电极和N型电极是在每个外延生长层上经光刻腐蚀、蒸发或溅射的方法覆盖一层或多层金属，然后再进行合金化形成的低阻金属。

2.如权利要求1所述的四波长镓氮基半导体激光芯片结构，其特征在于，

四波长镓氮基半导体激光芯片结构的外延生长层从缓冲层开始分别为：红光外延生长层、黄光外延生长层、绿光外延生长层和蓝光外延生长层。

3.如权利要求1所述的四波长镓氮基半导体激光芯片结构，其特征在于，

所述缓冲层的材质为GaN，厚度为0.03μm。

4.如权利要求1所述的四波长镓氮基半导体激光芯片结构，其特征在于，

所述蓝宝石衬底为三方晶系，折光率为1.76-1.77。

5.如权利要求1所述的四波长镓氮基半导体激光芯片结构，其特征在于，

所述保护层的材质为In_0.1Ga_0.9N，厚度为0.1μm。

6.如权利要求1所述的四波长镓氮基半导体激光芯片结构，其特征在于，

所述P面电子阻挡层的材质为Al_0.2Ga_0.8N，厚度为0.02μm。

7.如权利要求1所述的四波长镓氮基半导体激光芯片结构，其特征在于，

所述N面包层和所述P面包层的材质为Al_0.15Ga_0.85N，厚度为0.4μm。

8.如权利要求1所述的四波长镓氮基半导体激光芯片结构，其特征在于，

所述N面波导层和所述P面波导层的材质为GaN，厚度为0.1μm。