CN115021080B

CN115021080B - 一种GaN基激光器非吸收腔面结构的制备方法

Info

Publication number: CN115021080B
Application number: CN202210702420.9A
Authority: CN
Inventors: 陈焕卿; 李曙琨; 雷孟铼; 于果; 郎睿; 李俊超; 胡晓东
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2022-06-21
Filing date: 2022-06-21
Publication date: 2023-02-21
Anticipated expiration: 2042-06-21
Also published as: CN115021080A

Abstract

本发明公开一种GaN基激光器非吸收腔面结构的制备方法，属于半导体激光器芯片制作工艺。本发明在镀p型电极前通过刻蚀将脊型区隔为注入区和窗口区，形成电学隔离。然后使用时在窗口区施加反向偏压，注入区施加正常工作时的正向偏压，形成非吸收窗口。本发明解决了现有技术无法适用于GaN基材料的缺点，不仅能有效提高端面的禁带宽度，减小端面对激射波长的吸收，提高激光器的可靠性和寿命，而且与激光器制备工艺兼容，制备工艺简单，成本极低。

Description

一种GaN基激光器非吸收腔面结构的制备方法

技术领域

本发明属于半导体激光器芯片制作工艺，具体涉及一种基于QCSE效应制备GaN基激光器非吸收腔面结构的方法。

背景技术

半导体激光器自发明以来一直受到广泛的关注和重视，是世界上发展最快的一类激光器。近年来，以氮化镓(GaN)基材料为代表的第三代半导体异军突起，将激光器的发光波长拓展到可见光和紫外波段。因其具有光谱范围广、热导率大、稳定性好等优势，在高功率照明、显示、金属加工、国防、航天航空、量子通信等领域具有重要的应用。

然而如同其他材料的半导体激光器一样，氮化镓基激光器也面临着长时间、大功率工作时性能退化、甚至失效的困扰，严重制约了激光器的寿命和性能。其中一个主要的损伤机制是腔面灾变性光学损伤(Catastrophic Optical Damage COD)，这是因为激光器在长期使用过程中，出射激光长期辐射有源区腔面，导致腔面镀膜退化，保护能力降低并使腔面产生缺陷。缺陷处电子空穴会非辐射复合释放热能，使温度升高。高温引起更多缺陷产生并加深恶化循环。最后，镀膜不足以保护腔面，致使有源区腔面被烧毁。COD现象是一个不可逆的过程，会降低腔面反射率，增大阈值电流，降低微分量子效率，使激光器失效。为提高COD阈值，通常的做法是在激光器出射腔面制备非吸收窗口，具体方法是提高腔面附近有源区的带隙宽度，使得腔面对激射光子吸收减小甚至透明，从而减小端面热量的产生，提高激光器的输出功率。对于GaAs基激光器，非吸收腔面的制备手段有二次外延技术和量子阱混杂技术。二次外延技术较为复杂，需要刻蚀、再生长等工艺。而量子混杂技术则是通过局部快速热退火或者离子注入诱导量子阱和量子垒元素相互扩散，改变局部的能带宽度。经过十多年的发展，量子阱混杂技术被证明是一种更加简单有效的技术方案。

然而，对于异质外延的强极化、大失配GaN材料，高温热退火或者局部的离子注入可能会带来GaN晶体质量下降。并且由于In固溶率低，InGaN量子阱热稳定较差，高温退火可能会带来In组分的偏析，进而损伤量子阱的发光效率。因此量子阱混杂方案对于GaN材料体系并不适用，目前仍缺乏一种高效且工艺简单的方案实现GaN基激光器非吸收窗口的制备。

发明内容

为了克服以上的难点，本发明提出了一种GaN基激光器非吸收腔面结构的制备方法，该方法解决了现有技术无法适用于GaN基材料的缺点。不仅能有效提高端面的禁带宽度，减小端面对激射波长的吸收，提高激光器的可靠性和寿命。而且与激光器制备工艺兼容，制备工艺简单，成本极低。

本发明提供的技术方案如下：

一种GaN基激光器非吸收腔面结构的制备方法，其特征在于，具体步骤包括：

1)使用MOCVD在GaN同质衬底上依次外延n型AlGaN下限制层、n型GaN或InGaN下波导层、GaN或InGaN多量子阱、p型GaN或InGaN上波导层、p型AlGaN上限制层、p型AlGaN电子阻挡层和p型GaN接触层；

2)ICP/RIE刻蚀出脊型波导台面，在脊型波导上方干法刻蚀电学隔离沟道，隔离沟道位于注入区与窗口区之间；

3)沉积SiO₂作为绝缘层，光刻出电极窗口图形，使用HF腐蚀掉电极窗口处的SiO₂绝缘层，使用电子束蒸镀的方法在顶部蒸镀电极材料，形成p型欧姆接触；

4)在背面蒸镀n型电极，构成GaN基激光器非吸收腔面结构，使用时在窗口区施加反向偏压，注入区施加正常工作时的正向偏压，形成非吸收窗口。

进一步，注入区长度占整个脊型波导长度的80％～90％，窗口区长度为整个脊型波导长度10％～20％。

进一步，电学隔离沟道宽度范围为1～2um，深度范围为200～400nm。

进一步，脊型波导台面的宽度范围为2um～30um、长度范围为300um～3000um。

进一步，GaN或InGaN上、下波导厚度范围为100-500nm，掺杂浓度范围为1×10¹⁸cm^-3～1×10¹⁹cm^-3。

进一步，InGaN多量子阱厚度范围为2～4nm，量子垒的范围厚度为2～4nm。

进一步，p型AlGaN限制层厚度范围为5～50nm。

进一步，p型电极为Ni/Au。

进一步，n型电极为Ti/Al/Ni/Au。

本发明的原理是：GaN材料是典型的的离子型晶体，在没有外部应力作用下的纤锌矿GaN本身存在一个自发的极化电场。而在外延时，由于量子阱和量子垒之间的晶格失配又会形成压电极化效应。这两个极化场会导致量子阱区能带的倾斜，使得电子空穴波函数交叠减小，并且带隙宽度变窄，这也就是所谓的QCSE效应。在pn结中，p区的空穴向n区扩散，n区的电子向p区扩散，剩下的不可移动的离子在界面附近形成空间电荷区，并产生由n区指向p区的内建电场。在最常使用的(0001)面GaN中,极化电场的方向是由上方指到下方(p区指向n区)，由于pn结中的内建电场方向与c面GaN中极化电场方向相反，其对QCSE效应有一定的抵消作用。在本发明中，窗口区上方施加的是由n指向p的反向偏压，因此该区空间电荷区的内建电场的强度会增大，对QCSE效应的抵消程度更多。所以相比于注入区，窗口区的能带带隙更大、波长更短，对于注入区产生的受激辐射光子不会产生吸收，也就形成了非吸收窗口。

本发明具有如下的优点：

(1)本发明可以使窗口区能带宽度变大。降低窗口对激射波长的吸收，形成非吸收窗口，降低窗口温度，降低器件阈值电流、斜率效率和光功率，同时提高COD阈值，提高器件可靠性和寿命。

(2)本发明不涉及退火过程，相比于GaAs材料需要动辄800℃的高温，本发明工艺更加简单，对设备要求更低，生产成本更小。同时不需要考虑高温对有源区的损伤作用，对器件的性能影响更小。

(3)本发明可以通过改变反向偏压的大小，灵活且精准地调节非吸收窗口相比于注入区能带增加量，以适应最佳的工作电流和工作波长。而通过热退火方法产生的局部能带变化是固定的、不可逆的，无法同时匹配不同功率、波长的激光器管芯。

附图说明

图1为本发明GaN基激光器外延结构示意图；

图2～图7为本发明GaN基激光器非吸收腔面结构的结构的制备工艺流程图；

图2为使用MOCVD在GaN衬底上外延激光器结构；

图3为使用ICP/RIE将GaN激光器外延层刻蚀出脊型结构；

图4为使用ICP/RIE将激光器脊型台面刻蚀出电学隔离沟道；

图5为使用电子束蒸镀或者PECVD法在脊型结构上沉积SiO2绝缘层；

图6为使用湿法刻蚀在SiO2绝缘层上方打开电极窗口；

图7为使用电子束蒸镀法在分别电极窗口上方和外延片背面沉积p型和n型金属电极；

图8(a)为使用crosslight模拟的施加不同反向偏压的量子阱能带示意图，(b)量子阱能带宽度与所施加反向偏压的关系图。

图中1—GaN同质衬底；2—n型AlGaN下限制层；3—n-型InGaN下波导层；4—InGaN/GaN多量子阱；5—p-型InGaN上波导层；6—p型AlGaN电子阻挡层；7—p型AlGaN上限制层；8—p型GaN接触层；9—电学隔离沟道；10—SiO₂绝缘层；11—电流注入区；12—非吸收窗口区；13—p型电极；14—n型电极。

具体实施方式

为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行进一步描述。

如图1所示为本发明GaN基激光器非吸收腔面的脊型结构示意图。其中GaN基激光器非吸收腔面结构长度为1200um，脊型波导宽度为10um。n型InGaN波导厚度为250nm，掺杂浓度为1*10¹⁸cm^-3。p型InGaN波导厚度为250nm，掺杂浓度为1*10¹⁸cm^-3。In_0.20Ga_0.80N/GaN量子阱的数量为2个，量子阱厚度为2.5nm，量子垒的厚度为2.5nm。即使用MOCVD在GaN同质衬底上依次外延出AlGaN下限制层、n-InGaN下波导层、InGaN/GaN多量子阱、p-InGaN上波导层、p-AlGaN上限制层、p-AlGaN电子阻挡层、p-GaN接触层。

参考图2-7，本发明GaN基激光器非吸收腔面结构的制备步骤包括：ICP/RIE刻蚀出脊型波导台面，在脊型波导上方干法刻蚀电学隔离沟道，隔离沟道位于注入区与窗口区之间，注入区长度占整个脊型长度的80％～90％，窗口区长度为整个脊型长度10％～20％。两个区域之间的电学隔离沟道宽度约为1um左右，深度不宜超过p型AlGaN限制层厚度，大约在200nm左右，即脊型波导台面的宽度为10um、长度为1200um。光刻出电学隔离沟道图形，隔离沟道位于注入区与窗口区之间，宽度为1um。然后使用ICP/RIE在脊型上方干法刻蚀处电学隔离沟道，深度不宜超过上限值层厚度，约为200nm。其中刻蚀气体为BCl₃和Cl₂的混合气体。在脊型波导台面上方沉积SiO₂作为绝缘层，光刻出电极窗口图形，使用HF腐蚀掉电极窗口处的SiO₂绝缘层，使用电子束蒸镀的方法在顶部蒸镀电极材料，形成p型欧姆接触；在背面蒸镀n型电极，构成GaN基激光器非吸收腔面结构。p型电极为Ni/Au，n型电极为Ti/Al/Ni/Au。

本发明在窗口区施加反向偏压，使得窗口区的带隙宽度增大，对激射波长的光子基本不吸收，可以显著降低器件发热，增大COD阈值，提高器件寿命。为GaN基激光器提供了一种可靠有效、低成本的非吸收窗口制备方案，带隙变化灵活可调、且不会由于退火对量子阱区带来损伤。

在本实施例中，使用QCSE效应对窗口区的能带宽度进行调制。当在窗口区施加反向偏压时，pn结耗尽区内由p指向n的内建电场会增大，抵消了一部分GaN外延层内部由n指向p的极化电场，从而缓解QCSE效应，使得该部分的能带宽度增大，减小对激射波长光子的吸收。图8是使用商用软件crosslight模拟的对本实施例结构施加不同反向偏压的能带图，随着反向偏压增大，量子阱倾斜程度变低，带隙变宽，蓝移量最多可达40meV。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims

1.一种GaN基激光器非吸收腔面结构的制备方法，其特征在于，具体步骤包括：

1）使用MOCVD在GaN同质衬底上依次外延n型AlGaN下限制层、n型GaN或InGaN下波导层、GaN或InGaN多量子阱、p型GaN或InGaN上波导层、p型AlGaN上限制层、p型AlGaN电子阻挡层和p型GaN接触层；

2） ICP/RIE刻蚀出脊型波导台面，在脊型波导上方干法刻蚀电学隔离沟道，隔离沟道位于注入区与窗口区之间；

3）沉积SiO₂作为绝缘层，光刻出电极窗口图形，使用HF腐蚀掉电极窗口处的SiO₂绝缘层，使用电子束蒸镀的方法在顶部蒸镀电极材料，形成p型欧姆接触；

4）在背面蒸镀n型电极，构成GaN基激光器非吸收腔面结构，pn结中的内建电场方向与c面GaN中极化电场方向相反，在窗口区上方施加由n指向p的反向偏压，该区空间电荷区的内建电场的强度增大，对QCSE效应形成抵消，使用时注入区施加正常工作时的正向偏压，注入区产生的受激辐射光子不会产生吸收，从而形成非吸收窗口。

2.如权利要求1所述的GaN基激光器非吸收腔面结构的制备方法，其特征在于，注入区长度占整个脊型波导长度的80% ~90%，窗口区长度为整个脊型波导长度10%~20%。

3.如权利要求1所述的GaN基激光器非吸收腔面结构的制备方法，其特征在于，电学隔离沟道宽度范围为1~2um，深度范围为200~400nm。

4.如权利要求1所述的GaN基激光器非吸收腔面结构的制备方法，其特征在于，脊型波导台面的宽度范围为2um~30um、长度范围为300um~3000um。

5.如权利要求1所述的GaN基激光器非吸收腔面结构的制备方法，其特征在于， GaN或InGaN 上、下波导厚度范围为100-500nm，掺杂浓度范围为。

6.如权利要求1所述的GaN基激光器非吸收腔面结构的制备方法，其特征在于，InGaN多量子阱厚度范围为2~4nm，量子垒的范围厚度为2~4nm。

7.如权利要求1所述的GaN基激光器非吸收腔面结构的制备方法，其特征在于，p型AlGaN限制层厚度范围为 5~50nm。

8.如权利要求1所述的GaN基激光器非吸收腔面结构的制备方法，其特征在于，p型电极为Ni/Au。

9.如权利要求1所述的GaN基激光器非吸收腔面结构的制备方法，其特征在于，n型电极为Ti/Al/Ni/Au。