CN111816737A - GaN基超辐射发光二极管的外延结构及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaN基超辐射发光二极管的外延结构及其应用。所述GaN基超辐射发光二极管的外延结构包括沿所述外延结构厚度方向依次设置的第一光学限制层、第一波导层、有源区、第二波导层、电子阻挡层和第二光学限制层，所述有源区包括至少一量子阱层和至少一量子垒层，所述有源区采用二维岛状生长的InGaN/GaN量子阱或者多个不同厚度的InGaN/GaN的量子阱作为有源区。本发明采用二维岛状生长的量子阱或不同宽度的量子阱作为超辐射发光二级管的有源区，使得超辐射发光二极管的量子阱具有更大发光光谱半宽，因此可以得到宽光谱的超辐射发光二级管。
Description
技术领域
本发明涉及一种超辐射发光二极管，特别涉及一种GaN基超辐射发光二极管的外延结构及其应用，属于半导体技术领域。
背景技术
超辐射发光二极管是一种重要的宽带光源，它的光学性质介于发光二极管(LED)和半导体激光器(LD)之间，具有高功率和宽光谱的特征。同时也具有弱时间相干性、高光纤耦合效率等特点，这些特点使得SLD器件在很多应用领域成为一种非常有竞争力的、低成本的、高可靠性的宽带光源。对于蓝绿光超辐射发光二极管的应用主要涉及光学相干层析成像系统(OCT)和光纤陀螺仪(FOG)这两个应用，这两个应用都利用了SLD的宽光谱和大功率特性，因为这些特性可以提高OCT和FOG测量的精度。但是利用传统多量子阱作为有源区的超辐射发光二极管，通常光谱发光半宽更窄，峰值增益更小，很难达到人们对超辐射发光二极管宽光谱，大功率的要求，因此实现宽光谱、大功率，低工作电流的超辐射发光二极管极为重要，也是本领域亟需解决的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种GaN基超辐射发光二极管的外延结构及其应用，以克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例一方面提供了一种GaN基超辐射发光二极管的外延结构，其包括沿所述外延结构厚度方向依次设置的第一光学限制层、第一波导层、有源区、第二波导层、电子阻挡层和第二光学限制层，所述有源区包括至少一量子阱层和至少一量子垒层，所述有源区采用二维岛状生长的InGaN/GaN量子阱或者多个不同厚度的InGaN/GaN的量子阱作为有源区。
本发明实施例提供了一种GaN基超辐射发光二极管的外延结构，其包括沿设定方向依次设置的n-AlGaN下限制层、GaN波导层、In组分渐变的InGaN波导层、有源区、InGaN波导层、p-AlGaN电子阻挡层、p-AlGaN/GaN超晶格上限制层，所述有源区包括至少一InGaN量子阱层和至少一GaN量子垒层，所述有源区采用二维岛状生长的InGaN/GaN量子阱或者不同厚度的InGaN/GaN的量子阱作为有源区。
本发明实施例提供了一种GaN基超辐射发光二极管，其包括所述的外延结构以及与所述外延结构配合的电极。
本发明实施例还提供了一种光源器件，其包括所述的外延结构或所述的GaN基超辐射发光二极管。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
1)本发明采用二维岛状生长的量子阱结构作为超辐射发光二级管有源区，可以使超辐射发光二极管具有更大峰值增益和更大发光光谱半宽，因此可以得到宽光谱、大功率的超辐射发光二级管。
2)本发明采用不同宽度的量子阱作为超辐射发光二级管的有源区，可以使超辐射发光二极管具有更大发光光谱半宽，因此可以得到宽光谱的超辐射发光二级管。
3)本发明采用透明导电氧化物代替部分限制层，可以增大光的限制作用，从而得到超辐射发光二级管更低的工作电流，得到大功率的超辐射发光二级管。
4)本发明实施例提供的一种超辐射发光二级管具有脊型波导结构，而且器件结构为一种垂直结构，上接触是p电极，下接触是n电极，这样可以避免同侧结构的影响，减少电流的拥挤，可以使器件更稳定的工作。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种宽光谱、大功率超辐射发光二极管的外延结构的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种宽光谱、大功率超辐射发光二极管的外延结构的制作工艺中形成外延结构的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种宽光谱、大功率超辐射发光二极管的外延结构的脊型波导结构的结构示意图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
超辐射发光二级管(SLD)的发光原理如式1)所示，由此可知，可以通过增大限制因子、提高材料增益、减少材料内部损耗等方式提高光输出功率Pout，可以通过提高有源区的发光半宽的方法实现提高光源的光谱半宽。
Pout＝Psp·exp[(Γg0ηJ/d-αabs)L] 1)
其中，Psp为自发辐射功率，Γgo为模式增益，η为量子效率，J为电流密度，d为有源区厚度，αabs为吸收系数，L为腔长。
本发明实施例提供的一种宽光谱、大功率超辐射发光二极管的外延结构及制作方法，利用衬底小斜切角生长的二维岛状量子阱结构和多个不同宽度的量子阱和厚的量子垒层作为超辐射发光二极管的有源区，得到高峰值增益和宽光谱的超辐射发光二极管，同时使用透明导电氧化物代替部分限制层，增大光的限制作用，从而使得到的超辐射发光二极管具有更低的工作电流。
本发明实施例提供的一种超辐射发光二极管的外延结构，采用的非掺杂的二维岛状生长的InGaN/GaN量子阱或者不同厚度的量子阱有源区，较之现有的多量子阱结构，本发明具有更大的发光半宽；本发明实施例提供的一种超辐射发光二极管的外延结构，使用AlGaN/GaN的超晶格结构和透明导电氧化物(其折射率小于2.4)作为超辐射发光二级管的限制层，降低了p型限制层的体电阻和工作电压，提高了电光转换效率；同时，透明导电氧化物的折射率足以确保光学限制，相对于金属，透明导电氧化物的光学损耗低，可以减少器件内的损耗，因此，使得本发明中的超辐射发光二极管可以获得更大的功率。
本发明实施例提供的一种宽光谱、大功率超辐射发光二极管的外延结构及制作方法，在氮化镓衬底等半导体衬底上生长出超辐射发光二级管的外延结构，再通过光刻、刻蚀、镀膜、磁控溅射、解理、减薄、研磨、抛光等工艺进行加工处理，特别地，需要刻蚀出具有直线部分和弯曲部分的脊型波导，再结合腔面的镀膜技术，得到光线在前腔面高透射的效果，从而使激射受到抑制，进而到大功率超辐射发光二级管。
本发明通过刻蚀上光学限制层获得脊型波导，从而达到限制注入电流和光波的目的；脊型波导由直线型和弯曲波导组成，弯曲波导与超辐射发光二级管腔面的角度为2-6°，以此降低前腔面反射率，抑制激光的振荡和选模。
为了克服现有技术中的缺陷，本发明实施例一方面提供了一种GaN基超辐射发光二极管的外延结构，其包括沿所述外延结构厚度方向依次设置的第一光学限制层、第一波导层、有源区、第二波导层、电子阻挡层和第二光学限制层，所述有源区包括至少一量子阱层和至少一量子垒层，所述有源区采用二维岛状生长的InGaN/GaN量子阱或者多个不同厚度的InGaN/GaN的量子阱作为有源区。
进一步的，所述InGaN/GaN量子阱为非掺杂的。
进一步的，所述有源区的厚度为22-79nm。
进一步的，所述有源区包括1-3个量子阱层，2-4个量子垒层，所述量子阱层和量子垒层依次交替叠层设置，其中，所述量子阱层的厚度为2-5nm，所述量子垒层的厚度为10-16nm。
进一步的，所述第一光学限制层包括n-AlGaN限制层。
进一步的，所述第一光学限制层的厚度为1000-1300nm。
进一步的，所述第一波导层包括In组分渐变的InGaN波导层。
进一步的，所述In组分渐变的InGaN波导层中In组分的含量为2-6％。
进一步的，所述第一波导层还包括GaN波导层，所述In组分渐变的InGaN波导层叠层设置在所述GaN波导层上。
进一步的，所述第一波导层为n型掺杂或者非掺杂。
进一步的，所述第一波导层的厚度为30-40nm。
进一步的，所述第二波导层包括InGaN波导层，所述第二波导层为n型掺杂或者非掺杂。
进一步的，所述第二波导层的厚度为100-200nm。
进一步的，所述电子阻挡层包括p-AlGaN电子阻挡层。
进一步的，所述电子阻挡层的厚度为10-30nm。
进一步的，所述第二光学限制层包括p-AlGaN/GaN超晶格限制层。
进一步的，所述第二光学限制层的厚度为200-400nm。
进一步的，所述外延结构设置的GaN衬底上。
本发明实施例提供了一种GaN基超辐射发光二极管的外延结构，其包括沿设定方向依次设置的n-AlGaN下限制层、GaN波导层、In组分渐变的InGaN波导层、有源区、InGaN波导层、p-AlGaN电子阻挡层、p-AlGaN/GaN超晶格上限制层，所述有源区包括至少一InGaN量子阱层和至少一GaN量子垒层，所述有源区采用二维岛状生长的InGaN/GaN量子阱或者不同厚度的InGaN/GaN的量子阱作为有源区。
本发明实施例提供了一种GaN基超辐射发光二极管，其包括所述的外延结构以及与所述外延结构配合的电极。
进一步的，所述第二光学限制层具有脊型波导结构，所述脊型波导结构包括依次设置的直线部分和弯曲部分，所述弯曲部分具有可供光波出射的前腔面，所述直线部分具有后腔面，以及，所述前腔面上设置有增透膜，所述后腔面上设置有高反膜。
进一步的，所述增透膜包括SiO2层，所述增透膜的厚度为波长的1/4，当光波为蓝绿光波时，增透膜的厚度为70-90nm，所述高反膜包括至少一TiO2层和至少一SiO2层。
进一步的，所述弯曲部分与所述超辐射发光二极管的腔面之间的夹角为2-6°。
进一步的，所述第二光学限制层上还设置有绝缘层，所述绝缘层设置在所述除所述脊型波导结构以外的区域。
进一步的，所述绝缘层包括二氧化硅层，所述绝缘层的厚度为100-300nm。
进一步的，所述第二光学限制层与电极之间还具有欧姆接触层，所述欧姆接触层包括依次设置的p-InGaN接触层和透明导电氧化物层。
进一步的，所述p-InGaN接触层的厚度为2-4nm。
进一步的，所述透明导电氧化物层的厚度为100-300nm。
进一步的，所述透明导电氧化物层的材质包括氧化铟锡。
进一步的，所述超辐射发光二极管为蓝绿超辐射发光二极管，所述超辐射发光二极管的发射波长为450、520nm。
本发明实施例还提供了一种GaN基超辐射发光二极管的制作方法，其包括：
在GaN衬底的正面(例如可以是GaN衬底的c面)依次制作n-AlGaN下限制层、GaN波导层、In组分渐变的InGaN波导层、有源区、InGaN波导层、p-AlGaN电子阻挡层、p-AlGaN/GaN超晶格上限制层、p-InGaN接触层和透明导电氧化物层；
在所述p-InGaN接触层上制作形成p型电极，在所述GaN衬底的背面制作形成n型电极。
进一步的，所述的制作方法具体包括：在GaN衬底的正面依次制作n-AlGaN下限制层、GaN波导层、In组分渐变的InGaN波导层、有源区、InGaN波导层、p-AlGaN电子阻挡层、p-AlGaN/GaN超晶格上限制层；其中，所述有源区包括至少一InGaN量子阱层和至少一GaN量子垒层，所述有源区采用二维岛状生长的InGaN/GaN量子阱或者不同厚度的InGaN/GaN的量子阱作为有源区；
对所述p-AlGaN/GaN超晶格上限制层进行加工以形成脊型波导结构，
在所述p-AlGaN/GaN超晶格上限制层的脊型波导结构上依次形成p-InGaN接触层和透明导电氧化物层；
在所述透明导电氧化物层上形成p型接触电极，在所述GaN衬底的背面形成n型接触电极。
本发明实施例还提供了一种光源器件，其包括所述的外延结构或所述的GaN基超辐射发光二极管。
具体的，一种采用MOVCD法制作GaN基超辐射发光二极管的外延结构的生长方法，包括以下几个步骤：
1)提供c面GaN作为衬底；
2)在GaN作为衬底上形成n型AlGaN层作为第一光学限制层；
3)在下光学限制层上依次形成GaN波导层、In组分呈阶梯变化的InGaN层作为第一波导层；
4)在第一波导层上形成非掺杂的二维岛状InGaN/GaN量子阱或多个不同厚度的InGaN/GaN量子阱作为有源区，量子阱的个数为2-4个；
5)在有源区上形成非掺杂的InGaN层作为第二波导层；
6)在第二波导层上形成p-AlGaN层作为电子阻挡层；
7)在电子阻挡层形成p-AlGaN/GaN超晶格作为第二光学限制层；
8)在第二光学限制层上形成p-InGaN层作为p型接触层；
9)在p型接触层上形成透明导电氧化物层；
10)在透明导电氧化物层上形成Ti/Au电极作为p型接触电极；
11)在c面GaN衬底上形成Pd/Pt/Au电极作为n型接触电极。
如下将结合附图对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，其中，本发明中所采用光刻、刻蚀、镀膜、磁控溅射、解理、减薄、研磨、抛光等工艺均可以采用本领域技术人员已知的现有工艺实现，其中具体的工艺参数可以根据具体情况进行调整，在此不作具体的限定。
请参阅图1，一种绿光超辐射发光二极管的外延结构，其包括沿设定方向依次设置在GaN衬底11正面的n-AlGaN光学限制层1、GaN波导层和In组分渐变的InGaN波导层2、二维岛状生长的InGaN量子阱和GaN量子垒3、InGaN波导层4、p-AlGaN电子阻挡层5、p-AlGaN光学限制层6、7、p-InGaN接触层8和透明导电氧化物层9，其中，所述p-AlGaN限制层6、7具有脊型波导结构，所述p-InGaN接触层8和透明导电氧化物层9设置在所述p-AlGaN限制层6、7的脊型波导结构上，所述p-AlGaN限制层6、7除脊型波导结构以外的区域设置有SiO2绝缘层12，以及，所述透明导电氧化物层9上设置有p型电极10，所述GaN衬底11的背面还设置有n型电极，所述p型电极10为Ti/Au电极，n型电极为Ti/Al/Ti/Au电极。
如图3所示，本发明提供的一种绿光超辐射发光二极管，在前腔面镀有单层SiO2的增透膜，后腔面镀有多对TiO2/SiO2层的高反膜；采用直波导21A和弯曲波导21B相结合的脊型波导结构，脊型波导结构(可以理解为脊型结构)长度分别为800um和1200um,，直波导和弯曲波导的长度分别为脊型波导结构长度的一半；光波从弯曲波导一侧出射，这一侧为前腔面，镀有增透膜，直波导一侧为后腔面，镀有高反膜。
请参阅图2，一种采用MOCVD生长形成所述的外延结构的工艺包括如下步骤：
1)在GaN衬底上生长厚度为1250nm的n型AlGaN光学限制层13，其中，n型AlGaN光学限制层13中的Al组分为10％，掺硅浓度为3×1018/cm3；
2)在AlGaN光学限制层13上依次生长厚约150nm的n型GaN波导层、3层厚约30nmInGaN波导层14，其中，n型GaN波导层的掺Si浓度为5×1017/cm3；三层InGaN波导层中In组分分别是2％、4％、6％，掺Si浓度均为5×1017/cm3；
3)在n型GaN波导层、InGaN波导层14上生长2组二维岛状InGaN/GaN的量子阱15，2组二维岛状InGaN/GaN的量子阱依次叠设；其中，所述二维岛状InGaN/GaN的量子阱包括GaN量子垒层和生长在GaN量子垒层上的二维岛状的InGaN量子阱层，所述InGaN量子阱层的厚度为5nm，GaN量子垒层的厚度为16nm；用于形成InGaN/GaN量子阱的In源、Ga源分别为TMIn、TMGa；
4)在二维岛状InGaN/GaN量子阱15上生长厚约100nm的InGaN波导层16；
5)在InGaN波导层16上生长厚约20nm的p-AlGaN电子阻挡层17，其中，所述p-AlGaN电子阻挡层17的Mg掺杂浓度为2×1019/cm3；
6)在p-AlGaN电子阻挡层17上生长多对厚约500nm的p-AlGaN/p-GaN超晶格18、19作为上限制层；
7)在上限制层上依次生长厚度为15nm的p-GaN层、厚度为3nm的p-InGaN层作为接触层20，其中，所述p-GaN层的Mg掺杂浓度为5×1019/cm3，p-InGaN层的Mg掺杂浓度为5×1019/cm3。
进一步的，通过上述的外延结构加工形成器件的工艺步骤如下：
1)外延清洗：使用包含盐酸、浓硫酸、双氧水的清洗剂对获得外延结构的表面进行清洗；
2)光刻脊型：对外延结构进行预处理，匀胶，利用预先制作好的光刻板，在紫外MA6的光刻机上光刻出脊型；
3)ICP刻蚀，采用ICP刻蚀工艺在所述外延结构上刻蚀出脊型波导结构；
4)蒸镀SiO2绝缘层：采用ICPCVD工艺在上限制层脊型波导结构之外的区域蒸镀200nm的SiO2绝缘层，以防止除脊型注入电流部分的漏电的现象；
5)蒸镀透明导电氧化物，腐蚀透明氧化物：通过光学镀膜机，在p-InGaN接触层上蒸镀透明导电氧化物层，然后通过预先准备好的光刻板光刻并刻蚀出条形的芯片的结构；
6)退火：在退火炉中对芯片进行退火处理，以形成更好的欧姆接触，其中退火处理的温度为500-600℃、时间为1-10min、气氛为氮气气氛；
7)光刻，镀p型金属:利用磁控溅射镀Ti/Au，形成欧姆接触；
8)衬底减薄，研磨，抛光：将衬底减薄，有利于下一步的解理；
9)镀n面金属：在抛光后的衬底蒸镀Ti/Al/Ti/Au三种金属，作为n型欧姆接触电极；
10)解理：利用芯片解理机对芯片解理；
11)端面镀膜：在前腔面镀单层SiO2层作为增透膜以及多对TiO2/SiO2层作为高反膜。
本发明采用二维岛状生长的量子阱作为超辐射发光二级管有源区，与现有的多量子阱结构的有源区相比，本发明提供的超辐射发光二极管的量子阱具有更大峰值增益和更大发光光谱半宽，因此可以得到宽光谱、大功率的超辐射发光二级管。
本发明采用不同厚度的量子阱作为超辐射发光二级管的有源区，与现有的多量子阱结构的有源区相比，本发明提供的超辐射发光二极管的外延结构具有更大发光光谱半宽，因此可以得到宽光谱的超辐射发光二级管。
本发明采用透明导电氧化物代替部分限制层，可以增大光的限制作用，从而得到超辐射发光二级管更低的工作电流，得到大功率的超辐射发光二级管。
本发明实施例提供的一种超辐射发光二级管具有脊型波导结构，而且器件结构为一种垂直结构，上接触是p电极，下接触是n电极，这样可以避免同侧结构的影响，减少电流的拥挤，可以使器件更稳定的工作。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种GaN基超辐射发光二极管的外延结构，其特征在于包括沿所述外延结构厚度方向依次设置的第一光学限制层、第一波导层、有源区、第二波导层、电子阻挡层和第二光学限制层，所述有源区包括至少一量子阱层和至少一量子垒层，所述有源区采用二维岛状生长的InGaN/GaN量子阱或者多个不同厚度的InGaN/GaN的量子阱作为有源区。
2.根据权利要求1所述的外延结构，其特征在于：所述InGaN/GaN量子阱为非掺杂的；优选的，所述有源区的厚度为22-79nm；优选的，所述有源区包括1-3个量子阱层，2-4个量子垒层，所述量子阱层的厚度为2-5nm，所述量子垒层的厚度为10-16nm。
3.根据权利要求1所述的外延结构，其特征在于：所述第一光学限制层包括n-AlGaN限制层；优选的，所述第一光学限制层的厚度为1000-1300nm；
优选的，所述第一波导层包括In组分渐变的InGaN波导层；优选的，所述In组分渐变的InGaN波导层中In组分的含量为2-6％；优选的，所述第一波导层还包括GaN波导层，优选的，所述第一波导层为n型掺杂或者非掺杂；优选的，所述第一波导层的厚度为30-40nm；
优选的，所述第二波导层包括InGaN波导层，所述第二波导层为n型掺杂或者非掺杂；优选的，所述第二波导层的厚度为100-200nm；
优选的，所述电子阻挡层包括p-AlGaN电子阻挡层，优选的，所述电子阻挡层的厚度为10-30nm；
优选的，所述第二光学限制层包括p-AlGaN/GaN超晶格限制层；优选的，所述第二光学限制层的厚度为200-400nm；
优选的，所述外延结构设置在GaN衬底上。
4.一种GaN基超辐射发光二极管的外延结构，其特征在于包括沿设定方向依次设置的n-AlGaN下限制层、GaN波导层、In组分渐变的InGaN波导层、有源区、InGaN波导层、p-AlGaN电子阻挡层、p-AlGaN/GaN超晶格上限制层，所述有源区包括至少一InGaN量子阱层和至少一GaN量子垒层，所述有源区采用二维岛状生长的InGaN/GaN量子阱或者不同厚度的InGaN/GaN的量子阱作为有源区。
5.一种GaN基超辐射发光二极管，其特征在于包括权利要求1-4中任一项所述的外延结构以及与所述外延结构配合的电极。
6.根据权利要求5所述的GaN基超辐射发光二极管，其特征在于：所述第二光学限制层具有脊型波导结构，所述脊型波导结构包括依次设置的直线部分和弯曲部分，所述弯曲部分具有可供光波出射的前腔面，所述直线部分具有后腔面，以及，所述前腔面上设置有增透膜，所述后腔面上设置有高反膜；优选的，所述增透膜包括SiO2层，所述高反膜包括至少一TiO2层和至少一SiO2层；优选的，所述弯曲部分与所述超辐射发光二极管的腔面之间的夹角为2-6°。
7.根据权利要求6所述的GaN基超辐射发光二极管，其特征在于：所述第二光学限制层上还设置有绝缘层，所述绝缘层设置在所述除所述脊型波导结构以外的区域；优选的，所述绝缘层包括二氧化硅层，所述绝缘层的厚度为100-300m。
8.根据权利要求5所述的GaN基超辐射发光二极管，其特征在于：所述第二光学限制层与电极之间还具有欧姆接触层，所述欧姆接触层包括依次设置的p-InGaN接触层和透明导电氧化物层；优选的，所述p-InGaN接触层的厚度为2-4nm；优选的，所述透明导电氧化物层的厚度为100-300nm；优选的，所述透明导电氧化物层的材质包括氧化铟锡。
9.根据权利要求5所述的GaN基超辐射发光二极管，其特征在于：所述超辐射发光二极管为蓝绿超辐射发光二极管，所述超辐射发光二极管的发射波长为450nm、520nm。
10.一种发光器件，其特征在于包括权利要求1-4中任一项所述的外延结构或权利要求5-9中任一项所述的GaN基超辐射发光二极管。
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