專(zhuān)利名稱(chēng)：不對(duì)稱(chēng)的脊形氮化鎵基半導(dǎo)體激光器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，特別是指一種不對(duì)稱(chēng)的脊形氮化鎵基半導(dǎo)體激光器及其制作方法。
背景技術(shù)：
作為第三代半導(dǎo)體，氮化鎵(GaN)及其系列材料(包括氮化鋁、鋁鎵氮、銦鎵氮、氮化銦)以其禁帶寬度大、光譜范圍寬(覆蓋了從紫外到紅外全波段)、耐高溫性和耐腐蝕性好，在光電子學(xué)和微電子學(xué)領(lǐng)域內(nèi)有巨大的應(yīng)用價(jià)值。GaN基激光器是一種非常重要的GaN基光電子器件，由于其發(fā)射的光波在藍(lán)紫光波段，GaN基激光器在高密度光信息存儲(chǔ)、投影顯示、激光打印、水下通信、生物化學(xué)試劑的感應(yīng)和激活以及醫(yī)療方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。而以基模工作的GaN基激光器更是信息存儲(chǔ)、激光打印等許多應(yīng)用領(lǐng)域所必需的。脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由于其在平行于結(jié)的方向的光限制和電流限制的作用，在半導(dǎo)體激光器中被廣泛采用。為了獲得以基模穩(wěn)定工作的GaN基激光器，通常采用刻蝕的方法形成對(duì)稱(chēng)的脊形結(jié)構(gòu)。這種對(duì)稱(chēng)的脊形結(jié)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)激光器基模工作所允許的脊形寬度不能大于3μm。由于注入電流密度的限制，這種結(jié)構(gòu)會(huì)造成激光器的輸出功率明顯偏低，阻礙GaN基激光器在許多需要高功率激光輸出領(lǐng)域的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種不對(duì)稱(chēng)的脊形氮化鎵基半導(dǎo)體激光器，其是利用刻蝕方法在平行于結(jié)的方向形成不對(duì)稱(chēng)脊形波導(dǎo)GaN基激光器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在脊形條寬較大時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)激光器在基模下工作，這種結(jié)構(gòu)的脊形寬度較普通脊形結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)基模工作所允許的脊形寬度大，在注入電流密度相同的情況下，可以增加注入電流，從而提高激光器在基模工作時(shí)的輸出功率。
本發(fā)明的另一目的在于，提供一種不對(duì)稱(chēng)的脊形氮化鎵基半導(dǎo)體激光器的制作方法，具有工藝簡(jiǎn)單和節(jié)省成本的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明一種不對(duì)稱(chēng)的脊形波導(dǎo)氮化鎵基半導(dǎo)體激光器，其特征在于，其中包括一襯底；一歐姆接觸層，該歐姆接觸層制作在襯底上；
一下限制層，該下限制層制作在歐姆接觸層上，該下限制層的面積小于歐姆接觸層；一下波導(dǎo)層，該下波導(dǎo)層制作在下限制層上；一有源層，該有源層制作在下波導(dǎo)層上；一電子阻擋層，該電子阻擋層制作在有源層上；一上波導(dǎo)層，該上波導(dǎo)層制作在電子阻擋層上；一上限制層，該上限制層制作在上波導(dǎo)層上，該上限制層在刻蝕后形成臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)，越是上面的一層面積越??；一覆蓋層，該覆蓋層生長(zhǎng)在上限制層的上面，脊形結(jié)構(gòu)刻蝕結(jié)束后，只有面積最小的部分上限制層上保留覆蓋層；一絕緣層，該絕緣層制作在部分歐姆接觸層、部分上限制層上，以及下限制層、下波導(dǎo)層、有源層、電子阻擋層、上波導(dǎo)層、上限制層和覆蓋層的一側(cè)；一歐姆電極，該歐姆電極制作在歐姆接觸層上；一歐姆電極，該歐姆電極制作在覆蓋層的上表面及上限制層和覆蓋層上的絕緣層上。
其中所述的襯底為藍(lán)寶石材料。
其中該上限制層經(jīng)過(guò)刻蝕后在脊形的一側(cè)形成的臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)的高度為0.1μm到0.3μm、寬度為3μm到5μm。
本發(fā)明一種不對(duì)稱(chēng)的脊形氮化鎵基半導(dǎo)體激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步驟(1)取一襯底；(2)在襯底上依次制作生長(zhǎng)歐姆接觸層、下限制層、下波導(dǎo)層、有源層、電子阻擋層、上波導(dǎo)層、上限制層和覆蓋層；(3)第一次刻蝕，利用兩步套刻，將步驟2所述的器件結(jié)構(gòu)中的上限制層和覆蓋層刻蝕，使一側(cè)形成一缺口，另一側(cè)形成臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)；(4)第二次刻蝕，將經(jīng)步驟3的器件結(jié)構(gòu)中沒(méi)有臺(tái)階的一側(cè)刻蝕到歐姆接觸層處；(5)在部分歐姆接觸層、部分上限制層上表面制作絕緣層，以及在下限制層、下波導(dǎo)層、有源層、電子阻擋層、上波導(dǎo)層、上限制層和覆蓋層的一側(cè)制作絕緣層；(6)在歐姆接觸層上制作歐姆電極；(7)在覆蓋層的上表面及上限制層和覆蓋層上的絕緣層上制作歐姆電極，完成器件的制作。
其中所述的襯底為藍(lán)寶石材料。
其中該上限制層經(jīng)過(guò)刻蝕后在脊形的一側(cè)形成的臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)的高度為0.1μm到0.3μm、寬度為3μm到5μm。
本發(fā)明是對(duì)普通的脊形GaN基激光器的結(jié)構(gòu)做了改進(jìn)。其是將普通的脊形GaN基激光器脊形兩邊相同的刻蝕深度，改為在遠(yuǎn)離N電極的一邊增加一寬度大于3μm、高度為0.1，0.3μm的臺(tái)階。該結(jié)構(gòu)導(dǎo)致在平行于結(jié)的方向形成一不對(duì)稱(chēng)的三層波導(dǎo)，使高階模在脊形寬度較大時(shí)仍能被截止。由于這種結(jié)構(gòu)的脊形寬度較普通結(jié)構(gòu)的脊形寬度明顯增大，激光器的輸出功率可以得到顯著提高。同時(shí)，由于在脊形的遠(yuǎn)離N電極的一側(cè)，增加了一層刻蝕深度較小的臺(tái)階，會(huì)造成空穴電流向這一側(cè)一定程度的擴(kuò)展而使載流子在脊形下有源區(qū)的分布較普通的脊形結(jié)構(gòu)GaN基激光器更趨向?qū)ΨQ(chēng)。因此，這種新型的脊形GaN基激光器能夠明顯地提高激光器以基模工作時(shí)的輸出光功率。


為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖詳細(xì)說(shuō)明如后，其中圖1是本發(fā)明中脊形GaN基激光器的材料結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明中脊形GaN基激光器經(jīng)第一步刻蝕后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明中脊形GaN基激光器經(jīng)兩步刻蝕后的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是本發(fā)明中脊形GaN基激光器的器件結(jié)構(gòu)示意圖；具體實(shí)施方式
請(qǐng)參閱圖4所示，本發(fā)明一種不對(duì)稱(chēng)的脊形波導(dǎo)氮化鎵基半導(dǎo)體激光器，其中包括一襯底10，該襯底10為藍(lán)寶石材料；一歐姆接觸層11，該歐姆接觸層11制作在襯底10上；一下限制層12，該下限制層12制作在歐姆接觸層11的上，該下限制層12的面積小于歐姆接觸層11；一下波導(dǎo)層13，該下波導(dǎo)層13制作在下限制層12上；一有源層14，該有源層14制作在下波導(dǎo)層13上；一電子阻擋層15，該電子阻擋層15制作在有源層14上；一上波導(dǎo)層16，該上波導(dǎo)層16制作在電子阻擋層15上；一上限制層17，該上限制層17制作在上波導(dǎo)層16上，該上限制層17在刻蝕后形成面積不同的臺(tái)階結(jié)構(gòu)，越是上面的一層面積越?。辉撋舷拗茖?7經(jīng)過(guò)刻蝕后在脊形的臺(tái)階結(jié)構(gòu)的高度為0.1μm到0.3μm、寬度為3μm到5μm。
一覆蓋層18，該覆蓋層18生長(zhǎng)在上限制層17的上面，脊形結(jié)構(gòu)刻蝕結(jié)束后，只有面積最小的部分上限制層17上保留覆蓋層18；一絕緣層41，該絕緣層41制作在部分歐姆接觸層11、部分上限制層17上，以及下限制層12、下波導(dǎo)層13、有源層14、電子阻擋層15、上波導(dǎo)層16、上限制層17和覆蓋層18的一側(cè)；一歐姆電極42，該歐姆電極制作在歐姆接觸層11上；一歐姆電極43，該歐姆電極制作在覆蓋層18的上表面及上限制層17和覆蓋層18上的絕緣層41上。
請(qǐng)參閱圖1至圖4所示，本發(fā)明一種不對(duì)稱(chēng)的脊形氮化鎵基半導(dǎo)體激光器的制作方法，包括如下步驟(1)取一襯底10，該襯底10為藍(lán)寶石材料；(2)在襯底10上依次制作生長(zhǎng)歐姆接觸層11、下限制層12、下波導(dǎo)層13、有源層14、電子阻擋層15、上波導(dǎo)層16、上限制層17和覆蓋層18(圖1所示)；(3)第一次刻蝕，利用兩步套刻，將步驟2所述的器件結(jié)構(gòu)中的上限制層17和覆蓋層18刻蝕，使一側(cè)形成一缺口，另一側(cè)形成臺(tái)階結(jié)構(gòu)(圖2及圖3所示)；該上限制層17經(jīng)過(guò)刻蝕后在脊形的一側(cè)形成的臺(tái)階結(jié)構(gòu)的高度為0.1μm到0.3μm、寬度為3μm到5μm；
(4)第二次刻蝕，將經(jīng)步驟3的器件結(jié)構(gòu)中沒(méi)有臺(tái)階的一側(cè)刻蝕到歐姆接觸層11處(圖4所示)；(5)在部分歐姆接觸層11、部分上限制層17上表面制作絕緣層41，以及在下限制層12、下波導(dǎo)層13、有源層14、電子阻擋層15、上波導(dǎo)層16、上限制層17和覆蓋層18的一側(cè)制作絕緣層41(圖4所示)；(6)在歐姆接觸層11上制作歐姆電極42(圖4所示)；(7)在覆蓋層18的上表面及上限制層17和覆蓋層18上的絕緣層41上制作歐姆電極43(圖4所示)，完成器件的制作。
實(shí)施例請(qǐng)結(jié)合參閱圖1至圖4所示，本發(fā)明提出的新型脊形GaN基激光器的器件制備過(guò)程為以藍(lán)寶石材料為襯底10，利用MOCVD、MBE或者其他生長(zhǎng)GaN材料的設(shè)備生長(zhǎng)出器件結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)包括N型GaN歐姆接觸層11、N型AlGaN下限制層12、N型GaN下波導(dǎo)層13、InGaN/GaN有源層14、AlGaN電子阻擋層15、P型GaN上波導(dǎo)層16，P型AlGaN上限制層17和P型GaN覆蓋層18。用干法刻蝕等方法分兩步刻出不對(duì)稱(chēng)的脊形臺(tái)階結(jié)構(gòu)，脊形長(zhǎng)度方向沿氮化鎵的[11-20]方向，第一步先刻出一個(gè)寬的高度小的脊形，第二步將激光器脊形的掩膜板對(duì)準(zhǔn)第一步刻蝕形成的脊形的一邊再繼續(xù)刻蝕以形成所需要的不對(duì)稱(chēng)脊形結(jié)構(gòu)。在制作N電極的區(qū)域繼續(xù)刻蝕直到露出N-GaN歐姆接觸層。蒸鍍二氧化硅絕緣層。蒸鍍歐姆接觸電極金屬并熱退火實(shí)現(xiàn)歐姆接觸電極。將襯底10減薄至100μm左右。將外延片沿氮化鎵的[11-20]方向劃片分割成長(zhǎng)條，將長(zhǎng)條沿氮化鎵的(11-20)面解理成所設(shè)計(jì)腔長(zhǎng)的激光器管芯。在激光器管芯的兩個(gè)腔面蒸鍍介質(zhì)反射膜。最后再壓焊引出電極、封裝成激光器器件。該結(jié)構(gòu)在脊形條寬較大時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)激光器在基模下工作，這種結(jié)構(gòu)的脊形寬度較普通脊形結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)基模工作所允許的脊形寬度大，在注入電流密度相同的情況下，可以增加注入電流，從而提高激光器在基模工作時(shí)的輸出功率。
為了進(jìn)一步說(shuō)明本器件結(jié)構(gòu)的效果，我們以工作波長(zhǎng)為405nm的GaN基激光器為例說(shuō)明該器件結(jié)構(gòu)的制備過(guò)程。各層的材料及厚度見(jiàn)表1。具體如下利用MOCVD方法在藍(lán)寶石材料為襯底10上生長(zhǎng)出器件結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)包括N型GaN歐姆接觸層11(厚度為5μm，摻雜濃度為3×1018cm-3)、N型Al0.1 Ga0.9N下限制層12(厚度為0.8μm，摻雜濃度為3×1018cm-3)、N型GaN下波導(dǎo)層13(厚度為0.08μm，摻雜濃度為5×1015cm-3)、In0.15Ga0.85N/GaN有源區(qū)層14(多量子阱為5個(gè)周期，InGaN阱寬為3nm，GaN壘寬為8nm，摻雜濃度為3×1017cm-3)、Al0.2Ga0.8N電子阻擋層15(厚度為20nm，摻雜濃度為5×1015cm-3)、P型GaN上波導(dǎo)層16(厚度為0.08μm，摻雜濃度為3×1017cm-3)、P型Al0.08Ga0.92N上限制層17(厚度為0.6μm，摻雜濃度為8×1019cm-3)和P型GaN覆蓋層18(厚度為0.2μm，摻雜濃度為2.4×1020cm-3)。用反應(yīng)離子刻蝕方法分兩步刻出不對(duì)稱(chēng)的脊形臺(tái)階結(jié)構(gòu)，脊形長(zhǎng)條沿氮化鎵的[11-20]方向。第一步先刻出一個(gè)寬度為9μm的高度為0.15μm的脊形，第二步將激光器脊形(脊形寬度為5μm)的掩膜板對(duì)準(zhǔn)第一步刻蝕形成的脊形的一邊再繼續(xù)刻蝕0.6μm形成一邊刻蝕深度為0.75μm另一邊刻蝕深度為0.6μm的不對(duì)稱(chēng)脊形結(jié)構(gòu)。在制作N電極的區(qū)域繼續(xù)刻蝕1.2μm以露出N-GaN歐姆接觸層。蒸鍍二氧化硅絕緣層，蒸鍍歐姆接觸電極金屬并熱退火實(shí)現(xiàn)歐姆接觸電極。將襯底10減薄至100μm左右。將外延片沿氮化鎵的[11-20]方向劃片分割成長(zhǎng)條。將長(zhǎng)條沿氮化鎵的(11-20)面解理成腔長(zhǎng)為800μm的激光器管芯。在激光器管芯的前腔面蒸鍍一對(duì)TiO2/SiO2反射膜，后腔面蒸鍍?nèi)龑?duì)TiO2/SiO2反射膜。最后再壓焊、封裝成激光器器件。
我們用等效折射率方法對(duì)本發(fā)明提出的新的器件結(jié)構(gòu)與普通的脊形GaN基激光器的模式進(jìn)行了模擬計(jì)算。并進(jìn)行了對(duì)比，其中對(duì)于普通的脊形GaN基激光器，當(dāng)脊形寬度為5μm，刻蝕深度為0.75μm(留置上限制層厚度為0.05μm)時(shí)，其允許存在的導(dǎo)波模式包括基模、一階模、二階模、三階模及四階模。當(dāng)脊形寬度為5μm，刻蝕深度為0.6μm(留置上限制層厚度為0.2μm)時(shí)，其允許存在的導(dǎo)波模式包括基模和一階模。當(dāng)脊形寬度為2μm，刻蝕深度為0.75μm(留置上限制層厚度為0.05μm)時(shí)，其允許存在的導(dǎo)波模式包括基模和一階模。
對(duì)于脊形非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的激光器，當(dāng)脊形寬度為5μm，一邊刻蝕深度為0.75μm(留置上限制層厚度為0.05μm)，另一邊增加一個(gè)寬度為4μm刻蝕深度為0.6μm(留置上限制層厚度為0.2μm)的臺(tái)階時(shí)，其允許存在的導(dǎo)波模式只有基模，其它各高階模全部截止。由于該激光器條寬比普通的以基模工作的脊形寬度(約2μm)要大，在注入電流密度相同的情況下，可以增加注入電流，因而該激光器的輸出光功率必然會(huì)明顯增大。
表1為本發(fā)明中GaN基激光器的各層材料及參數(shù)。
表1


權(quán)利要求
1.一種不對(duì)稱(chēng)的脊形波導(dǎo)氮化鎵基半導(dǎo)體激光器，其特征在于，其中包括一襯底；一歐姆接觸層，該歐姆接觸層制作在襯底上；一下限制層，該下限制層制作在歐姆接觸層上，該下限制層的面積小于歐姆接觸層；一下波導(dǎo)層，該下波導(dǎo)層制作在下限制層上；一有源層，該有源層制作在下波導(dǎo)層上；一電子阻擋層，該電子阻擋層制作在有源層上；一上波導(dǎo)層，該上波導(dǎo)層制作在電子阻擋層上；一上限制層，該上限制層制作在上波導(dǎo)層上，該上限制層在刻蝕后形成臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)，越是上面的一層面積越小；一覆蓋層，該覆蓋層生長(zhǎng)在上限制層的上面，脊形結(jié)構(gòu)刻蝕結(jié)束后，只有面積最小的部分上限制層上保留覆蓋層；一絕緣層，該絕緣層制作在部分歐姆接觸層、部分上限制層上，以及下限制層、下波導(dǎo)層、有源層、電子阻擋層、上波導(dǎo)層、上限制層和覆蓋層的一側(cè)；一歐姆電極，該歐姆電極制作在歐姆接觸層上；一歐姆電極，該歐姆電極制作在覆蓋層的上表面及上限制層和覆蓋層上的絕緣層上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不對(duì)稱(chēng)的脊形氮化鎵基半導(dǎo)體激光器，其特征在于，其中所述的襯底為藍(lán)寶石材料。
3.根據(jù)權(quán)利1所述的不對(duì)稱(chēng)的脊形氮化鎵基半導(dǎo)體激光器，其特征在于，其中該上限制層經(jīng)過(guò)刻蝕后在脊形的一側(cè)形成的臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)的高度為0.1μm到0.3μm、寬度為3μm到5μm。
4.一種不對(duì)稱(chēng)的脊形氮化鎵基半導(dǎo)體激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步驟(1)取一襯底；(2)在襯底上依次制作生長(zhǎng)歐姆接觸層、下限制層、下波導(dǎo)層、有源層、電子阻擋層、上波導(dǎo)層、上限制層和覆蓋層；(3)第一次刻蝕，利用兩步套刻，將步驟2所述的器件結(jié)構(gòu)中的上限制層和覆蓋層刻蝕，使一側(cè)形成一缺口，另一側(cè)形成臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)；(4)第二次刻蝕，將經(jīng)步驟3的器件結(jié)構(gòu)中沒(méi)有臺(tái)階的一側(cè)刻蝕到歐姆接觸層處；(5)在部分歐姆接觸層、部分上限制層上表面制作絕緣層，以及在下限制層、下波導(dǎo)層、有源層、電子阻擋層、上波導(dǎo)層、上限制層和覆蓋層的一側(cè)制作絕緣層；(6)在歐姆接觸層上制作歐姆電極；(7)在覆蓋層的上表面及上限制層和覆蓋層上的絕緣層上制作歐姆電極，完成器件的制作。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的不對(duì)稱(chēng)的脊形氮化鎵基半導(dǎo)體激光器的制作方法，其特征在于，其中所述的襯底為藍(lán)寶石材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的不對(duì)稱(chēng)的脊形氮化鎵基半導(dǎo)體激光器的制作方法，其特征在于，其中該上限制層經(jīng)過(guò)刻蝕后在脊形的一側(cè)形成的臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)的高度為0.1μm到0.3μm、寬度為3μm到5μm。
全文摘要
一種不對(duì)稱(chēng)的脊形波導(dǎo)氮化鎵基半導(dǎo)體激光器，包括一襯底；在該襯底依次生長(zhǎng)的歐姆接觸層、下限制層、下波導(dǎo)層、有源層、電子阻擋層、上波導(dǎo)層、上限制層、覆蓋層，經(jīng)過(guò)刻蝕后該上限制層形成臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)，并制作絕緣層及歐姆電極。其是利用刻蝕方法在平行于結(jié)的方向形成不對(duì)稱(chēng)脊形波導(dǎo)GaN基激光器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在脊形條寬較大時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)激光器在基模下工作，這種結(jié)構(gòu)的脊形寬度較普通脊形結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)基模工作所允許的脊形寬度大，在注入電流密度相同的情況下，可以增加注入電流，從而提高激光器在基模工作時(shí)的輸出功率。
文檔編號(hào)H01S5/323GK101047300SQ200610067460
公開(kāi)日2007年10月3日 申請(qǐng)日期2006年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月29日
發(fā)明者李德堯, 張書(shū)明, 楊輝, 梁俊吾 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所