CN111785819B - 一种GaN基窄带发射共振腔发光二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种GaN基窄带发射共振腔发光二极管及其制作方法，涉及半导体发光器件领域。包括第一反射器、顶部金属电极、第一腔、发光有源区、第二腔、第二反射器、导电衬底；第一反射器为法布里‑珀罗滤波器结构的反射器，包含n对高‑低介质膜层和n对低‑高介质膜层，反射率数值在设计的中心波长λ处较低，在其他波长处较高，其反射率曲线在λ处存在一个透光凹带；第二反射器为反射率较高的金属反射器；其中，所述第一反射器、第一腔、发光有源区、第二腔和第二反射器共同构成谐振腔，有源区发光在谐振腔内来回传输，在第一反射器反射率曲线中透光凹带对反射光的调控作用下，GaN基窄带发射共振腔发光二极管在特定中心波长λ处实现单纵模窄带发射。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光器件领域，尤其涉及一种GaN基窄带发射共振腔发光二极管及其制作方法。
背景技术
GaN属于第三代宽禁带半导体材料，它与AlN、InN组成合金材料的禁带宽度可以在0.7～6.2eV之间连续可调，覆盖了从红外到紫外的光谱范围，是一种制作发光器件的理想材料。近年来，基于GaN材料的共振腔发光二极管(Resonant Cavity Light EmittingDiode，简称RCLED)作为一种新型的高效半导体光电器件受到了人们的广泛关注。
RCLED是一种将有源区置于法布里-珀罗光学谐振腔中的特殊结构LED，其器件结构和性能与垂直腔面发射激光器和传统的LED都有许多相似之处。与垂直腔面发射激光器相比，RCLED对腔面反射镜反射率的要求要低得多，制备相对容易，生产成本更低。与传统的LED相比，RCLED具有出光效率高、光谱线宽窄、光输出方向性好、与光纤耦合效率高、热稳定性好等诸多优点。在可见光通信、无散斑照明、高分辨显示、光学扫描仪、医学美容仪等领域具有广阔的应用前景。
在各国科研工作者的不懈努力下，GaN基RCLED取得了长足的发展。其中，腔面反射器是RCLED的重要组成部分，目前，GaN基RCLED的腔面反射器多数采用金属反射镜、介质膜分布布拉格反射镜或氮化物分布布拉格反射镜。尽管采用以上几种反射镜制作的器件已经获得了良好的器件性能，但是，这几种反射镜的高反射带较宽，对出射光没有筛选作用，加上半导体材料宽的增益谱特征，导致出射光的光谱宽度相对较宽，多呈现多纵模光输出，不利于某些需要窄线宽的场合应用。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中RCLED出射光谱线宽较宽的上述问题，提供一种GaN基窄带发射共振腔发光二极管及其制作方法，改善反射器的反射率曲线特性，实现窄带单纵模光输出。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种GaN基窄带发射共振腔发光二极管，包括第一反射器，其位于顶侧，作为发光窗口；从顶侧向下依次设有顶部金属电极、连接发光有源区到第一反射器的第一腔、发光有源区、连接发光有源区到第二反射器的第二腔、连接到第二腔的第二反射器、连接到第二反射器的导电衬底；
所述第一腔包括n型层，所述第二腔包括依次设置的电子阻挡层和p型层；
所述第一反射器为法布里-珀罗滤波器结构的反射器，第一反射器的反射率数值在设计的中心波长λ处较低，在其他波长处较高，其反射率曲线在λ处存在一个透光凹带；
所述第二反射器为反射率较高的金属反射器；
其中，所述第一反射器、第一腔、发光有源区、第二腔和第二反射器共同构成谐振腔，有源区发光在谐振腔内来回传输，在第一反射器反射率曲线中透光凹带对反射光的调控作用下，GaN基窄带发射共振腔发光二极管在特定中心波长λ处实现单纵模窄带发射。
所述第一反射器包含n对高-低介质膜层和n对低-高介质膜层；上方的n对高-低介质膜层由λ/4高折射率介质膜与λ/4低折射率介质膜交替构成，其中与空气相连接的为λ/4高折射率介质膜，下方的n对低-高介质膜层由λ/4低折射率介质膜与λ/4高折射率介质膜交替构成，其中与器件相连接的为λ/4高折射率介质膜。
第一反射器的高折射率材料选用TiO2、Ta2O5或HfO2，低折射率材料选用SiO2。
所述n对高-低介质膜层和n对低-高介质膜层中的对数n取1～15中的任一整数值。
所述第一反射器的反射率曲线中透光凹带的中心波长λ可通过改变高、低折射率介质膜层的厚度λ/4调节；所述第一反射器在不同波长处的反射率数值变化可通过调节组成介质膜层的对数n实现。
所述n型层为n型掺杂的GaN，通过向GaN中掺杂Si元素实现，通过调节掺杂的杂质浓度来控制n型层中电子的数量。
所述p型层为p型掺杂的GaN，通过向GaN中掺杂Mg元素实现，通过调节掺杂的杂质浓度控制p型层中空穴的数量。
所述电子阻挡层为AlxGa1-xN层，用于防止在大电流注入下发光有源区中电子泄露。
所述发光有源区为由交替的InxGa1-xN阱层和GaN垒层组成的量子阱有源区，位于装置的反节点处，通过调控x来调控量子阱有源区的发光波长。
一种GaN基窄带发射共振腔发光二极管的制作方法，包括以下步骤：
步骤1)在蓝宝石衬底上进行外延材料生长：首先在蓝宝石衬底上生长一层GaN缓冲层和一层未掺杂的GaN层，以避免衬底与GaN之间的晶格失配；随后，生长n型层、发光有源区、电子阻挡层、p型层，完成外延材料的生长过程；
步骤2)生长第二反射器：在外延片生长完成后，在p型层的上方生长第二反射器，并通过退火工艺使得第二反射器与p型层之间形成良好的p型欧姆接触；
步骤3)通过金属键合的方式将外延片键合到导电衬底上：将外延片倒置，通过金属键合连接第二反射器与导电衬底，使得外延片与导电衬底相连；
步骤4)去除蓝宝石衬底和未掺杂的GaN层：利用激光剥离技术去除蓝宝石衬底，再利用等离子体刻蚀技术去除未掺杂的GaN层，最后利用抛光技术将n型GaN层减薄并使表面光滑，通过抛光同时可以控制装置的腔长，装置的腔长为λ/2的整数倍；
步骤5)制作顶部金属电极：通过等离子体刻蚀技术制作特定形状的电流隔离区域，如圆形或者方形，在电流隔离区域内，通过光刻、掩膜辅助技术，在装置顶部利用电子束蒸发技术蒸镀特定形状的金属电极；
步骤6)蒸镀第一反射器：通过光刻、掩膜辅助技术，在无金属电极覆盖的器件出光表面，即n型层的顶侧，利用电子束蒸发技术蒸镀第一反射器，即完成GaN基窄带发射共振腔发光二极管的制备。
相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：
本发明中，所述第一反射器、第一腔、发光有源区、第二腔和第二反射器共同构成谐振腔，有源区发光在谐振腔中来回传输，由于第一反射器在不同波长处的反射率不同，在反射率曲线上存在一个透光凹带，其与第二反射器相结合可对输出光起到良好的选模作用，使得中心波长对应的光得到共振加强并从第一反射器出射，最终在装置中实现特定波长的单纵模窄带发射。本发明通过改变第一反射器中介质膜层的厚度可实现对发射波长的调谐，装置可以在不同波长处实现单纵模窄带输出。本发明公开的RCLED装置为垂直结构，装置的电极分别位于器件的顶侧与底侧，当电流加到上下电极上时，电流几乎垂直通过整个器件，电流分布和器件出光都比较均匀。
附图说明
图1为本发明实施例装置的结构示意图；
图2为第一反射器的结构示意图；
图3为第一反射器的反射率曲线；
图4为本发明实施例装置在50mA至500mA不同驱动电流下的输出光谱图。
附图标记：第一反射器101，顶部金属电极102，n型层103，发光有源区104，电子阻挡层105，p型层106，第二反射器107，导电衬底108，第一腔109，第二腔110。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本实施例包括第一反射器101、顶部金属电极102、连接发光有源区104到第一反射器101的第一腔109、发光有源区104、连接发光有源区104到第二反射器107的第二腔110、连接到第二腔110的第二反射器107、连接到第二反射器107的导电衬底108；
所述第一反射器101位于顶侧，顶部金属电极102与第一反射器101在同一平面内，由于顶部金属电极102不透光，所以第一反射器101做为装置的发光窗口；
所述第一腔109包括n型层103，所述第二腔110包括依次设置的电子阻挡层105和p型层106；
所述第一反射器101为法布里-珀罗滤波器结构的反射器，第一反射器101的反射率数值在设计的中心波长λ处较低，在其他波长处较高，即反射器的反射率曲线在λ处存在一个透光凹带；
所述第二反射器107为反射率较高的金属反射器，本实施例中选用银，但不限于银材料，通过退火使其与p型层106形成良好的p型欧姆接触，其反射率在蓝光波段内可达到94％以上；
其中，所述第一反射器101、第一腔109、发光有源区104、第二腔110和第二反射器107共同构成谐振腔，有源区发光在谐振腔内来回传输，在第一反射器101反射率曲线中透光凹带对反射光的调控作用下，GaN基窄带发射共振腔发光二极管在特定中心波长λ处实现单纵模窄带发射。
所述第一反射器101包含n对高-低介质膜层和n对低-高介质膜层；上方的n对高-低介质膜层由λ/4高折射率介质膜与λ/4低折射率介质膜交替构成，其中与空气相连接的为λ/4高折射率介质膜，下方的n对低-高介质膜层由λ/4低折射率介质膜与λ/4高折射率介质膜交替构成，其中与器件相连接的为λ/4高折射率介质膜。
具体地，第一反射器101的高折射率材料选用TiO2、Ta2O5或HfO2，低折射率材料选用SiO2。
所述n对高-低介质膜层和n对低-高介质膜层中的对数n取1～15中的任一整数值。
本实施例中，第一反射器101中选用的高折射率材料为Ta2O5，低折射率材料为SiO2，也可以采用其他材料，例如TiO2/SiO2、HfO2/SiO2等；n取值为9，λ取值为437.8nm。图2所示为本实施例中第一反射器101的结构示意图，其由9对λ/4Ta2O5/λ/4SiO2和9对λ/4SiO2/λ/4Ta2O5介质膜组成。
图3为本实施例第一反射器101的反射率曲线，其反射率曲线在中心波长λ处即437.8nm存在一个反射率较低的透光凹带，即在λ处反射率较低，在其余波长处反射率较高。第一反射器101的结构设计对出射光具有滤波功能。
所述第一反射器101的反射率曲线中透光凹带的中心波长λ可通过改变高、低折射率介质膜层的厚度λ/4调节。
所述第一反射器101在不同波长处的反射率数值变化可以通过调节组成介质膜层的对数n来实现。介质膜层的对数n越大，第一反射器101在不同波长处的反射率越高，透光凹带的波长范围越小；介质膜层的对数n越小，第一反射器101在不同波长处的反射率越低，透光凹带的波长范围越大。为了对出射光实现最好的波长调控作用，一般要求透光凹带外波长对应的反射率高于第二反射器107的反射率，中心波长处的反射率接近于第二反射器107的反射率。
所述顶部金属电极102为n电极，覆盖在部分n型层103上，顶部金属电极102与位于该底侧的n型层103形成良好的欧姆接触；本实施例中，顶部金属电极102的组分为Cr/Ag，但不限于Cr/Ag，顶部金属电极102的结构为平板结构，也可选用其他结构，例如圆形、十字型、梳齿状、网格状等。顶部金属电极102一般沉积在电流限制区域内，电流限制区域的形状可通过等离子体刻蚀技术控制，在本发明实例中，电流限制区域的形状为方形。
所述n型层103可以通过向半导体中掺杂施主元素来实现。本实施例中，n型层103的组分为n型掺杂的GaN，其掺杂可以通过向GaN中掺杂Si元素实现，通过调节掺杂的杂质浓度来控制n型层103中电子的数量。在制备RCLED装置过程中，一般需要通过抛光技术对n型层103进行减薄并使其表面光滑，易于在其表面沉积第一反射器101及顶部金属电极102。
所述发光有源区104能将电能转化为光能，本实施例中，发光有源区104为量子阱有源区，由8对In0.2Ga0.8N/GaN量子阱材料组成，位于装置的反节点处。期望装置发出特定波长的光时，可调节发光有源区104中组成量子阱的In材料组分来达到目的。
所述电子阻挡层105用于防止在大电流注入下发光有源区104中电子泄露。本实施例中，电子阻挡层105所选材料为AlxGa1-xN，其中x取值为0.20，Al0.2Ga0.8N电子阻挡层105的厚度为25nm。
所述p型层106，其组分为p型掺杂的半导体材料，可以通过向半导体中掺杂受主元素来实现。本实施例中，p型层106的组分为p型掺杂的GaN，可以通过向GaN中掺杂Mg元素实现，通过调节掺杂的杂质浓度控制p型层106中空穴的数量。
所述导电衬底108位于装置的最底侧，其为导电性与导热性良好的材料，其通过金属键合的方式与第二反射器107相连接。导电衬底108具有良好的热导率，减少器件工作过程中的热量积聚，使得装置的电光转换效率及温度稳定性有所提高；同时，其具有良好的电导率，可同时作为底部电极使用。本实施例中，键合所用金属为Cr/Au，导电衬底108为Cu。
图4为本发明实施例装置在50mA至500mA不同驱动电流下的输出光谱图。如图4所示，在第一反射器101对输出光的调控作用下，光谱呈现单纵模输出，随注入电流增大，发光中心波长仅向长波方向偏移0.34nm，且光谱线宽保持在0.6nm，器件表现出良好的温度稳定性。
一种GaN基窄带发射共振腔发光二极管的制作方法，包括以下步骤：
步骤1)在蓝宝石衬底上进行外延材料生长：首先在蓝宝石衬底上生长一层GaN缓冲层和一层未掺杂的GaN层，以避免衬底与GaN之间的晶格失配；随后，生长n型层103、发光有源区104、电子阻挡层105、p型层106，完成外延材料的生长过程；
步骤2)生长第二反射器107：在外延片生长完成后，在p型层106的上方生长第二反射器107，并通过退火工艺使得第二反射器107与p型层106之间形成良好的p型欧姆接触；
步骤3)通过金属键合的方式将外延片键合到导电衬底108上：将外延片倒置，通过金属键合连接第二反射器107与导电衬底108，使得外延片与导电衬底108相连；
步骤4)去除蓝宝石衬底和未掺杂的GaN层：利用激光剥离技术去除蓝宝石衬底，再利用等离子体刻蚀技术去除未掺杂的GaN层，最后利用抛光技术将n型GaN层减薄并使表面光滑，通过抛光同时可以控制装置的腔长，装置的腔长为λ/2的整数倍；
步骤5)制作顶部金属电极102：通过等离子体刻蚀技术制作特定形状的电流隔离区域，如圆形或者方形等，在电流隔离区域内，通过光刻、掩膜辅助技术，在装置顶部利用电子束蒸发技术蒸镀特定形状的金属电极；
步骤6)蒸镀第一反射器101：通过光刻、掩膜辅助技术，在无金属电极覆盖的器件出光表面，即n型层103的顶侧，利用电子束蒸发技术蒸镀第一反射器101，即完成GaN基窄带发射共振腔发光二极管的制备。
本发明为一种新颖的带有上层法布里-珀罗滤波器结构介质膜反射器和下层金属反射器的垂直结构GaN基RCLED装置。其中，上层的第一反射器采用法布里-珀罗滤波器结构介质膜反射镜，此种类型反射镜在不同波长处反射率数值不同，因此对谐振腔出射光具有明显的筛选调控作用，有助于在RCLED装置中实现窄带单纵模光发射。
同时，器件采用垂直结构构型，即器件的两个电极分布在发光有源区的两侧，当电流加到上下电极上时，电流几乎垂直通过整个器件，电流分布和器件出光都比较均匀。
本发明通过金属键合和激光剥离技术将导热性能差的蓝宝石衬底去除，蒸镀下层金属反射镜，并且将外延层转移到导热性好的金属衬底上，此种结构有效改善了器件的散热性能，提高了器件的热稳定性。同时，由于导电衬底散热性能好，减少器件工作过程中的热量积聚，器件电光转换效率、温度稳定性都有较大提高。因此，本发明适用于大功率RCLED的制备。
Claims (9)
1.一种GaN基窄带发射共振腔发光二极管，其特征在于：包括位于顶侧同一平面内的第一反射器和顶部金属电极，所述第一反射器作为发光窗口；从顶侧向下依次设有连接发光有源区到第一反射器的第一腔、发光有源区、连接发光有源区到第二反射器的第二腔、连接到第二腔的第二反射器、连接到第二反射器的导电衬底；
所述第一腔包括n型层，所述第二腔包括依次设置的电子阻挡层和p型层；
所述第一反射器为法布里-珀罗滤波器结构的反射器，第一反射器的反射率数值在设计的中心波长λ处较低，在其他波长处较高，其反射率曲线在λ处存在一个透光凹带；
所述第二反射器为金属反射器；
其中，所述第一反射器、第一腔、发光有源区、第二腔和第二反射器共同构成谐振腔，有源区发光在谐振腔内来回传输，在第一反射器反射率曲线中透光凹带对反射光的调控作用下，GaN基窄带发射共振腔发光二极管在特定中心波长λ处实现单纵模窄带发射；
所述第一反射器包含n对高-低介质膜层和n对低-高介质膜层；上方的n对高-低介质膜层由λ/4厚度高折射率介质膜与λ/4厚度低折射率介质膜交替构成，其中与空气相连接的为λ/4厚度高折射率介质膜，下方的n对低-高介质膜层由λ/4厚度低折射率介质膜与λ/4厚度高折射率介质膜交替构成，其中与器件相连接的为λ/4厚度高折射率介质膜。
2.如权利要求1所述的一种GaN基窄带发射共振腔发光二极管，其特征在于：第一反射器的高折射率材料选用TiO2、Ta2O5或HfO2，低折射率材料选用SiO2。
3.如权利要求1所述的一种GaN基窄带发射共振腔发光二极管，其特征在于：所述n对高-低介质膜层和n对低-高介质膜层中的对数n取1～15中的任一整数值。
4.如权利要求1所述的一种GaN基窄带发射共振腔发光二极管，其特征在于：所述第一反射器的反射率曲线中透光凹带的中心波长λ可通过改变高、低折射率介质膜层的厚度λ/4调节；所述第一反射器在不同波长处的反射率数值变化可通过调节组成介质膜层的对数n实现。
5.如权利要求1所述的一种GaN基窄带发射共振腔发光二极管，其特征在于：所述n型层为n型掺杂的GaN，通过向GaN中掺杂Si元素实现，通过调节掺杂的杂质浓度来控制n型层中电子的数量。
6.如权利要求1所述的一种GaN基窄带发射共振腔发光二极管，其特征在于：所述p型层为p型掺杂的GaN，通过向GaN中掺杂Mg元素实现，通过调节掺杂的杂质浓度控制p型层中空穴的数量。
7.如权利要求1所述的一种GaN基窄带发射共振腔发光二极管，其特征在于：所述电子阻挡层为AlxGa1-xN层，用于防止在大电流注入下发光有源区中电子泄露。
8.如权利要求1所述的一种GaN基窄带发射共振腔发光二极管，其特征在于：所述发光有源区为由交替的InxGa1-xN阱层和GaN垒层组成的量子阱有源区，位于装置的反节点处，通过调控x来调控量子阱有源区的发光波长。
9.权利要求1～8任一项所述的一种GaN基窄带发射共振腔发光二极管的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1)在蓝宝石衬底上进行外延材料生长：首先在蓝宝石衬底上生长一层GaN缓冲层和一层未掺杂的GaN层，以避免衬底与GaN之间的晶格失配；随后，生长n型层、发光有源区、电子阻挡层、p型层，完成外延材料的生长过程；
步骤2)生长第二反射器：在外延片生长完成后，在p型层的上方生长第二反射器，并通过退火工艺使得第二反射器与p型层之间形成良好的p型欧姆接触；
步骤3)通过金属键合的方式将外延片键合到导电衬底上：将外延片倒置，通过金属键合连接第二反射器与导电衬底，使得外延片与导电衬底相连；
步骤4)去除蓝宝石衬底和未掺杂的GaN层：利用激光剥离技术去除蓝宝石衬底，再利用等离子体刻蚀技术去除未掺杂的GaN层，最后利用抛光技术将n型GaN层减薄并使表面光滑，通过抛光同时可以控制装置的腔长，装置的腔长为λ/2的整数倍；
步骤5)制作顶部金属电极：通过等离子体刻蚀技术制作圆形或者方形的电流隔离区域，在电流隔离区域内，通过光刻、掩膜辅助技术，在装置顶部利用电子束蒸发技术蒸镀特定形状的金属电极；
步骤6)蒸镀第一反射器：通过光刻、掩膜辅助技术，在无金属电极覆盖的器件出光表面，即n型层的顶侧，利用电子束蒸发技术蒸镀第一反射器，即完成GaN基窄带发射共振腔发光二极管的制备。
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