專利名稱：一種GaN襯底激光二極管的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光二極管的制造方法。
背景技術(shù)：
激光二極管(LD)是一種由半導(dǎo)體材料形成二極管，其基本結(jié)構(gòu)包括襯底以及依次沉積在襯底上的P/N型包覆層、有源層和P/N型包覆層，以及N型和P型包覆層上的歐姆接觸。襯底作為LD這座大廈的地基，具有重要的作用。藍(lán)寶石是一種常用的LD襯底，但由于其與其上的異相外延層的晶格和熱應(yīng)力失配，發(fā)熱后由于膨脹程度不同會(huì)崩裂，導(dǎo)致器件損壞。另外一類LD襯底包括GaN，GaAs, InP等半導(dǎo)體材料。作為襯底的上述半導(dǎo)體材料中一般都會(huì)包括各種缺陷，例如位錯(cuò)、間隙或空位等，缺陷會(huì)引起晶體應(yīng)變，應(yīng)變會(huì)造成襯底上外延層的品質(zhì)及性能降低，導(dǎo)致激光二極管的壽命縮短。多年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)過本領(lǐng)域技術(shù)人員的長期研究和實(shí)踐，形成了較為完善的晶體生長工藝流程，減少了 半導(dǎo)體襯底材料生長過程中形成的缺陷密度。但是，人們還希望得到缺陷密度更低的襯底，制得性能更佳、壽命更長的激光二極管。如何進(jìn)一步減少或消除缺陷成為本領(lǐng)域急需解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明提供了一種GaN襯底激光二極管的制造方法，該方法可以明顯的減小激光二極管襯底中的晶體缺陷密度，提高激光二極管的性能和壽命。本發(fā)明的GaN襯底激光二極管包括ρ-GaN襯底，在襯底上依次沉積了 P型包覆層、P型光導(dǎo)層和有源層，其中，P 型包覆層是 p-AlJribGah—bN,其中 O < a, b, a+b ( I ；ρ 型光導(dǎo)層為 p-AlcIndGa卜c_dN,其中 O ^ c, d, c+d ^ I ；有源層是超晶格結(jié)構(gòu)的p-AUnfGamN/p-AIglnhGamN多量子阱層，其中OSe，f, g，h, e+f, g+h ( I。在有源層4上還依次沉積了 η型阻擋層、η型光導(dǎo)層6和η型包覆層7，其中η型阻擋層 5 是 Ii-AliInjGaw^jN, η 型光導(dǎo)層 6 是 Ii-AlkIn1Ga1^1N, η 型包覆層 7 是 Ii-AlmInnGa1^nN,其中 O ^ i, j, k, I, m, n, i+j, k+1, m+n ^ I。本發(fā)明的GaN襯底激光二極管的制造方法包括如下步驟，首先形成GaN襯底，其次在襯底上依次沉積了 P型包覆層、P型光導(dǎo)層、有源層、η型阻擋層、η型光導(dǎo)層和η型包覆層。其中形成GaN襯底的方法包括如下步驟(I)在常溫常壓下，將GaN晶片放入高溫高壓裝置中，在高溫高壓裝置中加入傳壓介質(zhì)，該傳壓介質(zhì)為NaCL和液氮；(2)對(duì)GaN晶片加熱的同時(shí)加壓，加熱溫度為820 880°C，加壓壓力為4. Γ4. 6GPa，保持10 15分鐘。其中，加熱速率為100°C /分鐘，加壓速率為O. 2 O. 3GPa/分鐘。(3)停止加熱，使GaN晶片冷卻至常溫；同時(shí)緩慢卸壓，使GaN晶片恢復(fù)至常壓。卸壓速度為O. 5 O. 8GPa/分鐘。(4)在高溫高壓裝置中退火20 30分鐘后，取出GaN晶片。


圖I為本發(fā)明的GaN襯底激光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，但不作為對(duì)本發(fā)明的限定。
圖I示出了本發(fā)明的激光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖。其包括P-GaN襯底1，在襯底I上依次沉積了 P型包覆層2、P型光導(dǎo)層3和有源層4。P 型包覆層 2 是 P-AlaInbGa1IbN, ρ 型光導(dǎo)層 3 為 p_Al JndGa1^dN,其中 O 彡 a，b，c，d, a+b, c+d ^ I。包覆層2也可以是p-AlXah-bN超晶格。有源層4是超晶格結(jié)構(gòu)的p-AUnfGamN/p-AIglnhGamN多量子阱層，其中O ^ e, f, g, h, e+f, g+h ^ I。在有源層4上還沉積了 η型阻擋層5，η型阻擋層5是Ii-AliInjGa1^jN,其上為η型光導(dǎo)層6和η型包覆層7，其中η型光導(dǎo)層6是Ii-AlkIn1Ga1I1N, η型包覆層7是n-AlmInnGa卜m_nN,其中 O ^ i, j, k, I, m, n, i+j, k+1, m+n ( I。n型包覆層7也可以是P-AlmInnGa1HN超晶格。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，包覆層、光導(dǎo)層和η型阻擋層的帶隙都比有源層的帶隙大。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，光導(dǎo)層的帶隙比包覆層的帶隙小，η型阻擋層的帶隙比包覆層的帶隙大。在η型包覆層7上可以設(shè)置η型接觸層8, η型接觸層8可以是n_Al JnpGa1IpN,其中O < ο, ρ, o+p ^ I, η型接觸層的帶隙比有源區(qū)的帶隙大，比包覆層的帶隙小。η型接觸層8還可以是Ii+-AlyInzGa1IzN超晶格,其中O < y, z, y+z彡I。通過該器件的結(jié)構(gòu)蝕刻η接觸層、包覆層、有源層和可選的P接觸層，來形成臺(tái)面結(jié)構(gòu)。臺(tái)面足夠深以延伸到至少有源層之下，并且可以一直延伸到襯底的最上部分。為了改善電限制和減小閾值電流，可以通過接觸層的外圍蝕刻一脊結(jié)構(gòu)，并進(jìn)入最上面的包覆層中。在腐蝕形成條形臺(tái)面和脊結(jié)構(gòu)之后，形成鈍化層將臺(tái)面和脊的側(cè)面而非脊的頂部鈍化。鈍化層可以包括SiO2或者SiNx，可以通過熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、濺鍍等方法沉積。然后，在頂表面(η型)和底表面(ρ型)上分別形成η型金屬接觸9和ρ型金屬接觸10。η型金屬接觸9優(yōu)選為鎳-金合金，ρ型金屬接觸10優(yōu)選為鈦-鋁合金。其可以通過本領(lǐng)域已知的任何方法形成，例如濺射沉積或電子束蒸發(fā)沉積。將上述接觸退火至大約400°C到950°C之間的溫度即構(gòu)成歐姆接觸。最后，在垂直于上述脊結(jié)構(gòu)的平面內(nèi)切割器件，以確定激光腔的長度尺度。激光腔的長度在100 μ m到2000 μ m之間。上面描述了 ρ型襯底的器件結(jié)構(gòu)，η型襯底的器件結(jié)構(gòu)與其相反，將P-接觸層和η-接觸層以及P-包覆層和η-包覆層分別顛倒即可。本發(fā)明的激光二極管的制造方法包括如下步驟，首先形成GaN襯底，其次在襯底上依次沉積了 P型包覆層、P型光導(dǎo)層、有源層、η型阻擋層、η型光導(dǎo)層和η型包覆層。其中形成GaN襯底的方法包括如下步驟(I)在常溫常壓下，將GaN晶片放入高溫高壓裝置中，在高溫高壓裝置中加入傳壓介質(zhì)，該傳壓介質(zhì)為NaCL和液氮；
(2)對(duì)GaN晶片加熱的同時(shí)加壓，加熱溫度為820 880°C，加壓壓力為4. Γ4. 6GPa，保持10 15分鐘；此處的加壓壓力也可以稱作加壓壓強(qiáng)。其中，加熱速率為IOO0C /分鐘，加壓速率為O. 2 O. 3GPa/分鐘。(3)停止加熱，使GaN晶片冷卻至常溫；同時(shí)緩慢卸壓，使GaN晶片恢復(fù)至常壓。卸壓速度為O. 5 O. 8GPa/分鐘。(4)在高溫高壓裝置中退火20 30分鐘后，取出GaN晶片。本發(fā)明進(jìn)行了 50組不同溫度和壓力范圍的實(shí)驗(yàn)，對(duì)GaN晶片進(jìn)行了高溫高壓處理。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，對(duì)GaN晶片實(shí)施加熱溫度為820 880°C，加壓壓力為4. Γ4. 6GPa的高溫高壓處理并退火后，其位錯(cuò)和空隙的密度降低至處理前的20 30%，說明該方法明顯減少了晶片內(nèi)的缺陷密度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也表明，處理后晶片的缺陷密度與加熱溫度、加壓壓力有關(guān)，且溫度范圍和壓力范圍其主要作用，但加熱、加壓以及卸壓速率也對(duì)缺陷密度的減少其作用，上文中已經(jīng)記載了優(yōu)選的溫度和壓力范圍，以及優(yōu)選的加熱、加壓與卸壓速率。降溫不需采用特殊方法，停止加熱后自然冷卻即可。采用處理后的GaN晶片作為襯底形成的激光二極管，增大了擊穿場強(qiáng)，減少了漏電，增加了導(dǎo)熱性，光發(fā)射效率更高，可靠性更大。用于處理本發(fā)明的晶片的高溫高壓裝置可以采用已有的兩面頂和多面體高壓裝置，多面體高壓裝置包括六面體壓腔裝置和八面體壓腔裝置。優(yōu)選采用兩面頂大腔體靜高壓裝置，簡稱為兩面頂大壓機(jī)。該裝置的外殼和壓桿的材料均為合金鋼，壓砧的材料為碳化鎢。采用該兩面頂大壓機(jī)可以達(dá)到的最高壓力為7GPa。其最高壓力相比較多面體高壓裝置以及金剛石對(duì)頂砧超高壓裝置雖然低，但是由于其腔體體積大，處理樣品的直徑自十厘米左右，適合用于處理襯底晶片。在該高壓裝置中設(shè)有電熱裝置，其通過電熱絲提供加熱熱量，對(duì)電熱裝置通電后可以對(duì)晶片進(jìn)行加熱。加熱溫度最聞可達(dá)1700攝氏度。壓力介質(zhì)為氯化鈉(NaCl)、氧化鎂(MgO)或液態(tài)氮?dú)猓摻橘|(zhì)可以使壓力均勻分布在晶體上，使得非各向同性應(yīng)力最小。NaCl和MgO為低抗剪強(qiáng)度固體，其內(nèi)摩擦系數(shù)低于O. 2，可以很好的傳壓，同時(shí)起到隔熱的作用，以利于加溫加壓。液氮在起到傳壓作用的同時(shí)，可以抑止GaN在加熱和退火時(shí)的分解。當(dāng)然，本發(fā)明還可有其他多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種GaN襯底激光二極管，包括P-GaN襯底，在襯底上依次沉積有ρ型包覆層、P型光導(dǎo)層和有源層，其特征在于， P型包覆層是P-AlaInbGa1IbN,其中O彡a, b, a+b彡I ; P 型光導(dǎo)層為 P-AleIndGa1-^dN,其中 O ^ c, d, c+d ( I ； 有源層是超晶格結(jié)構(gòu)的P-AUnfGa1IfNziP-AIgInhGa1IhN多量子阱層，其中O ( e,f,g,h,e+f, g+h ^ I ο
2.如權(quán)利要求I所述的GaN沉積激光二極管，其特征在于，在有源層上還依次沉積有η型阻擋層、η型光導(dǎo)層和η型包覆層。
3.如權(quán)利要求2所述的GaN沉積激光二極管，其特征在于，η型阻擋層是n-AlJrijGaH-jN, η 型光導(dǎo)層是 Ii-AlkIn1GahHN, η 型包覆層是 n_AlmInnGa卜m_nN,其中 0<i,j, k, I, m, n, i+j, k+1, m+n ^ I。
4.一種GaN襯底激光二極管的制造方法，包括如下步驟， 首先形成GaN襯底，其次在襯底上依次沉積了 ρ型包覆層、P型光導(dǎo)層、有源層、η型阻擋層、η型光導(dǎo)層和η型包覆層，其特征在于， 形成GaN襯底的方法包括如下步驟 (I)在常溫常壓下，將GaN晶片放入高溫高壓裝置中，在高溫高壓裝置中加入傳壓介質(zhì)，該傳壓介質(zhì)為NaCL和液氮； (2 )對(duì)GaN晶片加熱的同時(shí)加壓，加熱至溫度為820 880°C，加壓至壓力為4.Γ4. 6GPa，保持10 15分鐘； (3)停止加熱，使GaN晶片冷卻至常溫；同時(shí)緩慢卸壓，使GaN晶片恢復(fù)至常壓。卸壓速度為O. 5 O. 8GPa/分鐘； (4)在高溫高壓裝置中退火20 30分鐘后，取出GaN晶片。
5.如權(quán)利要求4所述的GaN襯底激光二極管的制造方法，其特征在于，步驟(2)中加熱速率為100°C /分鐘，加壓速率為O. 2 O. 3GPa/分鐘。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種GaN襯底激光二極管的制造方法，其包括形成GaN襯底以及依次沉積p型包覆層、p型光導(dǎo)層、有源層、n型阻擋層、n型光導(dǎo)層和n型包覆層。其中形成GaN襯底的方法包括將GaN晶片放入高溫高壓裝置中，對(duì)GaN晶片加熱的同時(shí)加壓，加熱溫度為820～880℃，加壓壓力為4.1~4.6GPa，保持10～15分鐘；停止加熱加壓，使GaN晶片恢復(fù)至常溫常壓；在高溫高壓裝置中退火20～30分鐘后，取出GaN晶片。該方法可以明顯的減小激光二極管襯底中的晶體缺陷密度，提高激光二極管的性能和壽命。
文檔編號(hào)H01S5/323GK102832539SQ20121035342
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月20日
發(fā)明者虞浩輝, 周宇杭 申請(qǐng)人:江蘇威納德照明科技有限公司