TW201624860A - 一種以矽擴散型電流阻擋層製作氮化鎵垂直共振腔面射型發光元件的方法 - Google Patents

Abstract

本發明揭露一種以矽擴散型電流阻擋層(silicon-diffusion defined current blocking layer)製作氮化鎵垂直共振腔面射型發光元件，包括垂直共振腔面射型雷射(vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL) 與共振腔發光二極體(resonant-cavity light emitting diode, RCLED)之方法。使表層有矽擴散區域的P型氮化鎵特性轉換成N型氮化鎵，藉此達到電流侷限效果，並保持元件表面平坦，維持後續的光學鍍膜品質。可有效縮小光模直徑，顯著降低發光二極體的半功率角(half-power angle)，預期可以產生單橫模(single transverse mode)發光的垂直共振腔面射型雷射。

Description

一種以矽擴散型電流阻擋層製作氮化鎵垂直共振腔面射型發光元件的方法

本發明係有關一種氮化鎵垂直共振腔面射型發光元件電流侷限結構之製作方法，尤指一種矽擴散型電流侷限結構。

半導體雷射因其體積小、效率高、性價比高、操作電壓低等特性，適合應用於光纖通訊、高密度光儲存、高速雷射列印、生醫，已成為重要的光電主動元件。傳統半導體雷射結構主要可分為垂直共振腔面射型雷射(vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL)及邊射型雷射(edge-emitting laser, EEL)兩種，其中垂直共振腔面射型雷射比邊射型雷射具有較低閥值電流(threshold current)、對稱圓形雷射光束、低發散角，具有製作成二維陣列較容易等優點，尤其適合運用在光纖通訊上。

傳統垂直共振腔面射型雷射包括有不同的侷限結構，可分為蝕刻之空氣柱結構 (etched air-post)、再成長埋藏型異質結構 (regrown buried heterostructure)、離子布植結構 (ion implanted)及氧化物侷限結構 (oxide confined)四種。

垂直共振腔面射型雷射波長因其材料的不同，發光波長可從紅外光、可見光到紫外光波段。目前以砷化鎵(Gallium Arsenide, GaAs)為材料的近紅外光波長VCSEL (0.78~0.98μm)發展已相當成熟，長波長VCSEL (1.3~1.55μm)的發展也相當迅速，然而以氮化鎵(Gallium Nitride, GaN)為材料的短波長VCSEL (0.36~0.55μm)發展卻相對緩慢，主要原因在於氮化鎵材料缺少晶格匹配的基板，因此在磊晶成長高反射率之氮化鎵分布型布拉格反射鏡 (distributed Bragg reflector, DBR)時，面臨了高缺陷密度、高損耗的困難。同時主動層本身的材料增益也較低。因此，氮化鎵垂直共振腔面射型雷射需要更大的電流密度提高載子濃度與更高反射率、更低損耗之表面光學鍍膜，以達到雷射閥值的條件。

先前技術美國專利5,226,053揭露利用垂直共振腔與分布型布拉格反射鏡的電流侷限結構，但並無教示使用矽擴散之電流侷限結構。另一先前技術美國專利8,774,246揭露一種垂直共振腔面射型雷射裝置，使用空乏異質接面電流阻擋區 (depleted hetero-junction current blocking region, DHCBR)作為電流侷限之技術手段，此種電流侷限手段與本發明矽擴散之電流侷限結構不同。

本發明主要目的在提供一種利用矽擴散型電流阻擋層，製造氮化鎵垂直共振腔面射型發光元件的方法，利用矽擴散區圍出微小的可通電流孔徑，有效減小光模直徑至單模態，且於製程中保持元件鍍製表面的平坦，提升光學鍍膜品質，可促成雷射的單橫模發光，顯著降低發光二極體的半功率角。

本發明另一目的係利用矽擴散區域反轉P型氮化鎵為N型氮化鎵，製成電流侷限結構，其矽擴散區域係圍繞於電流流通路徑周圍，形成一發光孔徑，可有效的將電流集中，並提高增益，降低閥值電流，增加受激放射(stimulated emission)效果。本發明矽擴散製程可製作直徑小至5μm或以下的發光孔徑，可有效縮小光模直徑，預期可以產生單橫模垂直共振腔面射型雷射。

本發明另一目的係提供一種矽擴散型電流阻擋層的製程。如果P型氮化鎵表層有高電洞濃度層的設計，例如氮化銦鎵薄層，需要先將規劃的矽擴散區的表層以蝕刻移除，約10至20nm，若無高電洞濃度表層則不需此步驟。然後在規劃的矽擴散區之P型氮化鎵層上面鍍製一層矽，並加熱使其擴散進入P型氮化鎵，使其反轉成N型氮化鎵，並於施加順向電流時，反轉成N型氮化鎵之區域與原來P型氮化鎵區域之間形成逆向偏壓，可將電流有效的集中於發光孔徑。

本發明另一目的係在提供一種矽擴散型三維的電流侷限結構，其結構並不僅在元件表面上作出侷限，且將侷限範圍延伸至P型氮化鎵內，並依據P型氮化鎵層厚度與電洞濃度的增加或減少，相應增減其擴散時間，以達到合適的擴散深度，並與多重量子井層保持30nm以上距離以免形成漏電流通路。因此更能有效的控制電流流入P型氮化鎵層後，不會往外擴散造成主動層區域變大，而降低侷限效果。因此，此結構能更有效的將增益集中，降低閥值電流，達成電流侷限之功用。

本發明另一目的在提供一種利用矽擴散型電流阻擋層，製造氮化鎵垂直共振腔面射型發光元件的方法，利用矽擴散區圍出微小的可通電流孔徑，其中P型氮化鎵上之矽擴散區域係圍繞於該發光元件電流流通道孔徑之周圍，並由矽擴散環狀中空面積之直徑大小界定該發光元件電流流通道之孔徑大小。

如第1圖所示，本發明係利用矽擴散15載子反轉P型氮化鎵(p-GaN)為N型氮化鎵(n-GaN)製作出擴散型侷限結構，藉此定義出電流侷限範圍，有效的將電流集中提高增益，並且降低閥值電流，以增加受激放射(stimulated emission)。

如第3圖實施例所示，本發明提供一種矽擴散型電流侷限結構，將電流有效的集中在發光孔徑，且由不同擴散時間以達到合適的擴散深度，並與多重量子井層保持30nm以上距離以免形成漏電流通路。其原理為在P型氮化鎵層24上面，鍍製一層矽擴散區25並加熱使其擴散進入P型氮化鎵層24，使之反轉成N型氮化鎵，當施加順向電流時，其與原來P型氮化鎵區域之間成為逆向偏壓，達成電流侷限之功用。

本發明提供一種結構，不僅是在元件表面上作出侷限，而是將侷限範圍延伸至P型氮化鎵層24內，因此更能有效的控制電流流入P型氮化鎵層24後，不會往外擴散造成主動層區域變大，降低侷限效果，以降低閥值電流。

透過變角度電致發光量測的遠場光分布圖結果顯示，本發明矽擴散型侷限結構的發光二極體之指向性(directionality)較一般無共振腔的發光二極體為佳，遠場光分布圖的半功率角(half power angle)為30°左右，且峰值波長隨著量測角度增大而有明顯規律的藍移的現象，顯示共振腔發揮一定作用。

根據第2圖所示，本發明實施例所使用之晶圓基材具有磊晶式布拉格下反射層211，此晶圓片結構由上而下包含P型氮化鎵24、多重量子井33、N型氮化鎵22、氮化铝/氮化鎵 (AlN/GaN)磊晶式布拉格下反射層211及U型氮化鎵層與藍寶石基板210。本發明亦可應用於晶圓基材不具有磊晶式布拉格下反射層的情形，在完成鍍製介電質布拉格上反射鏡後，將磊晶所用的基板移除並拋光晶圓，再鍍製介電質布拉格下反射層。

其製作程序如第2圖所示係將含有布拉格下反射層晶圓依序進行以下製程：如第2圖所示，在約725℃高溫下保持約20分鐘，進行P型氮化鎵層24之活化，並將鈦及金等金屬依序鍍製至N型氮化鎵層22區域上形成歐姆接觸N型電極28；如第2圖所示，電流阻擋層結構主要是為了定義出元件發光孔徑，藉以達成電流侷限的效果。利用黃光微影技術定義出矽擴散區圖形後，首先放入感應耦合電漿式離子蝕刻機(ICP-RIE)中，將P型氮化鎵34層最表面約10-20nm高電洞濃度之P型氮化銦鎵表層蝕刻掉後，再使用電子束蒸鍍機(E-beam evaporator)鍍製矽薄膜約30-50nm 於晶圓片P型氮化鎵24表面，之後剝離(Lift-off)非擴散區的矽，將晶圓片放入快速升溫退火爐，依不同快速升溫退火爐校正調整，約為750℃至850℃範圍之間，持續10至30分鐘，進行熱擴散製程，使矽能有效的擴散至下方的P型氮化鎵34層，將其反轉成N型氮化鎵，再將晶圓片浸泡於氧化物蝕刻液(buffered oxide etch)中去除擴散後表面殘餘的矽，完成電流阻擋層結構。本發明一較佳實施例中，矽擴散區之形狀係於發光區域發光孔徑周圍形成一環形構造。

如第2圖所示，二氧化矽絕緣層29可使P型電極與P型氮化鎵層24分開，使電流只能藉由透明導電層26，經過電流阻擋層25結構之發光孔徑區域導通，有效防止元件於非定義之區域導通並發光；鍍製銦錫氧化物(Indium Tin Oxide, ITO)以製作透明導電層26；於透明導電層26上方鍍製具有歐姆接觸之P型電極；鍍製高反射率介電質布拉格上反射鏡(Distributed Bragg Reflector, DBR)。

第3圖係以光耦裝置攝影影像，於10mA電流操作下的不同尺寸之發光區域，由左至右分別為1)元件量測外觀，2)無矽擴散，發光區域為透明導電層區域:直徑120μm，及具有本發明矽擴散侷限之孔徑，其直徑分別為3) 5μm、4) 10μm、5) 15μm及6) 20μm四種不同矽擴散侷限孔徑的元件，由圖示可看出發光區域與矽擴散侷限孔徑相同，因此可證實本發明矽擴散侷限結構確具有電流侷限功效。

本發明矽擴散電流侷限構造與傳統無矽擴散電流侷限構造之發光二極體比較，以變角度電致發光量測的遠場光分布圖結果顯示，無矽擴散電流侷限之發光二極體遠場光分布，如第4a圖所示，顯示其半功率角為約60°。另外，如第4b圖所示，具有本發明矽擴散電流侷限構造，發光孔徑為10μm之遠場光分布，顯示其半功率角為約30°，證實本發明矽擴散侷限構造發揮了降低發光二極體的半功率角，增加指向性之效果。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡本案技藝之熟習者援引本發明之精神，所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

10‧‧‧基板
11‧‧‧布拉格下反射鏡(磊晶式或介電質)
12‧‧‧N型氮化鎵層
13‧‧‧主動層區
14‧‧‧P型氮化鎵層(表層可能為P型氮化銦鎵)
15‧‧‧矽擴散區,
16‧‧‧透明導電層
17‧‧‧P型電極
18‧‧‧布拉格上反射鏡
210‧‧‧U型氮化鎵層與藍寶石基板
211‧‧‧布拉格下反射鏡(磊晶式)
22‧‧‧N型氮化鎵層
23‧‧‧多重量子井
24‧‧‧P型氮化鎵層(表層為P型氮化銦鎵)
25‧‧‧矽擴散區
26‧‧‧透明導電層
27‧‧‧P型電極
28‧‧‧N型電極
29‧‧‧二氧化矽絕緣層
212‧‧‧介電質布拉格上反射鏡

第1圖係本發明矽擴散型電流阻擋層之示意圖。

第2圖係本發明矽擴散型電流阻擋層之實施例構造圖。

第3圖係操作於10mA電流下，以光耦 (charge coupled device, CCD) 裝置拍攝不同尺寸的發光孔徑的影像，由圖示可看出發光孔徑與矽擴散侷限孔徑相同。

第4a圖係未使用矽擴散型電流阻擋層之發光二極體遠場光分布。

第4b圖係使用本發明矽擴散型電流阻擋層之發光二極體遠場光分布。

210‧‧‧U型氮化鎵層與藍寶石基板

211‧‧‧布拉格下反射鏡(磊晶式)

22‧‧‧N型氮化鎵層

23‧‧‧多重量子井

24‧‧‧P型氮化鎵層(表層為P型氮化銦鎵)

25‧‧‧矽擴散區

26‧‧‧透明導電層

27‧‧‧P型電極

28‧‧‧N型電極

29‧‧‧二氧化矽絕緣層

212‧‧‧介電質布拉格上反射鏡

Claims (7)

1. 一種以矽擴散型電流阻擋層製作氮化鎵垂直共振腔面射型發光元件之方法，包含垂直共振腔面射型雷射（VCSEL）與共振腔發光二極體（RCLED），該製作方法係使用一晶圓材料，其基本結構包含P型氮化鎵層，其表層或有或無具有高電洞濃度之P型氮化銦鎵薄層，多重量子井層、N型氮化鎵層、下反射鏡及上反射鏡，此矽擴散製程包含步驟：於晶圓之P型氮化鎵層表面先製作一定義矽擴散區域之光阻圖案；若晶圓P型氮化鎵層表面為具有高電洞濃度的P型氮化銦鎵層，須先將晶圓放入感應耦合電漿式離子蝕刻機中進行蝕刻，將P型氮化鎵層表面具有高電洞濃度的P型氮化銦鎵層蝕刻掉，緊接著鍍製一層矽薄膜，然後剝離非擴散區的矽；將晶圓放入快速升溫退火爐，加熱進行熱擴散製程，使矽擴散至P型氮化鎵層下方，並使其反轉成N型氮化鎵，形成一電流侷限區域，其中矽擴散區域係於電流流經口徑周圍形成中空環狀構造，其環狀構造外緣係與二氧化矽絶緣層形成上下疊置；將晶圓浸泡於氧化物蝕刻液中，去除擴散後表面殘餘的矽，完成矽擴散電流阻擋層結構製程。
2. 根據申請專利範圍第1項以矽擴散型電流阻擋層製作氮化鎵垂直共振腔面射型發光元件之方法，其中蝕刻去掉P型氮化鎵層表面高電洞濃度的P型氮化銦鎵層的厚度約為10至20nm。
3. 根據申請專利範圍第1項以矽擴散型電流阻擋層製作氮化鎵垂直共振腔面射型發光元件之方法，其中P型氮化鎵上之矽擴散區域係圍繞於該發光元件電流流通道孔徑之周圍，並由矽擴散環狀中空面積之直徑大小界定該發光元件電流流通道之孔徑大小。
4. 根據申請專利範圍第1項以矽擴散型電流阻擋層製作氮化鎵垂直共振腔面射型發光元件之方法，其中P型氮化鎵上之矽擴散區域係圍繞於該發光元件發光孔徑之周圍，並由矽擴散環狀中空面積之直徑大小界定該發光元件之發光孔徑大小。
5. 根據申請專利範圍第1項以矽擴散型電流阻擋層製作氮化鎵垂直共振腔面射型發光元件之方法，其中P型氮化鎵元件發光孔徑之鍍膜表面係保持平坦，可提升光學鍍膜品質，增強共振腔效應，降低發光二極體的半功率角。
6. 根據申請專利範圍第1項以矽擴散型電流阻擋層製作氮化鎵垂直共振腔面射型發光元件之方法，其中電流侷限區域包含在P型氮化鎵元件表面及延伸至P型氮化鎵內，根據P型氮化鎵層厚度與電洞濃度之增減，經由擴散時間之對應增減，有效控制矽擴散延伸至P型氮化鎵內之深度或厚度，其中矽擴散延伸至P型氮化鎵內之之底部與多重量子井層最上層保持30nm以上距離以免形成漏電流通路。
7. 根據申請專利範圍第1項以矽擴散型電流阻擋層製作氮化鎵垂直共振腔面射型發光元件之方法，其中製作矽擴散電流阻擋層係使用電子束蒸鍍機鍍製矽薄膜，製作矽薄膜於晶圓片P型氮化鎵表面，完成之後再剝離非擴散區的矽，然後將晶圓片放入快速升溫退火爐，依不同快速升溫退火爐校正並調整溫度，約為750℃至850℃範圍之間，持續進行10至30分鐘，以控制矽擴散至P型氮化鎵層內部之深度。