一種三波長鎵氮基半導(dǎo)體激光芯片結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的三波長鎵氮基半導(dǎo)體激光芯片結(jié)構(gòu)，屬于激光技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，其與傳統(tǒng)的只能發(fā)射單一波長激光的芯片結(jié)構(gòu)相比，能夠同時發(fā)射三種波長激光。本發(fā)明的三波長鎵氮基半導(dǎo)體激光芯片結(jié)構(gòu)采用重復(fù)生長外延層的方法，在藍(lán)寶石基底材料上生長一層外延層后，再累積生長兩層同結(jié)構(gòu)不同組分的外延層，然后通過光刻、腐蝕等方法，使一個芯片同時具有三個不同組分的有源區(qū)，成為可以同時發(fā)射出三種不同波長光的激光器，并且三種波長光的電極相互獨(dú)立，可單獨(dú)調(diào)節(jié)電流大小。本發(fā)明使以藍(lán)寶石為基底的激光器的應(yīng)用范圍更寬、更廣、更靈活。
【專利說明】一種三波長鎵氮基半導(dǎo)體激光芯片結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體激光器制備封裝【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種三波長鎵氮基半導(dǎo)體激光芯片結(jié)構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著半導(dǎo)體激光技術(shù)的日趨成熟以及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，半導(dǎo)體激光器件的應(yīng)用范圍已經(jīng)覆蓋了光電子學(xué)的諸多領(lǐng)域，成為當(dāng)今光電子實用器件的核心技術(shù)。由于半導(dǎo)體激光器件具有體積小，質(zhì)量輕，壽命長等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)及民用等領(lǐng)域。藍(lán)寶石被稱為當(dāng)今最優(yōu)秀的激光介質(zhì)之一，以藍(lán)寶石為襯底的半導(dǎo)體激光器件因其結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)在市場上有很高的占有率。由于其襯底是由非導(dǎo)電材料藍(lán)寶石構(gòu)成，故在生長器件時，要通過外延生長、刻蝕、擴(kuò)散、制作電極等方法將其P型電極與N型電極置于同一表面，生長成具有高度差的臺階型表面結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的制備方法為在藍(lán)寶石基底材料上生長外延層，形成具有一個P型電極和一個N型電極的只能發(fā)射單一波長激光的芯片結(jié)構(gòu)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種三波長鎵氮基半導(dǎo)體激光芯片結(jié)構(gòu)，其可以同時發(fā)射出三種不同波長光的激光器，并且三種波長光的電極相互獨(dú)立，可單獨(dú)調(diào)節(jié)電流大小控制光束，使以藍(lán)寶石為基底的激光器的應(yīng)用范圍更寬、更廣、更靈活。
[0004]本發(fā)明的三波長鎵氮基半導(dǎo)體激光芯片結(jié)構(gòu)，其包括:藍(lán)寶石襯底、緩沖層、三個外延生長層；
[0005]所述藍(lán)寶石襯底為基板，依次覆上緩沖層和三個外延生長層；
[0006]所述三個外延生長層是采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相淀積的方式逐層沉積于所述藍(lán)寶石襯底上方；
[0007]其中，每個外延生長層從下往上依次包括N面電極接觸層、保護(hù)層、N面包層、N面波導(dǎo)層、有源區(qū)、P面電子阻擋層、P面波導(dǎo)層、P面包層、P面電極接觸層；
[0008]在每個外延生長層的N面電極接觸層生長相應(yīng)的N型電極，在每個外延生長層的P面電極接觸層生長相應(yīng)的P型電極；
[0009]所述P型電極和N型電極是在每個外延生長層上經(jīng)光刻腐蝕、蒸發(fā)或濺射的方法覆蓋一層或多層金屬，然后再進(jìn)行合金化形成的低阻金屬。
[0010]進(jìn)一步的，三波長鎵氮基半導(dǎo)體激光芯片結(jié)構(gòu)的外延生長層有三層，從緩沖層開始分別為:黃光外延生長層、綠光外延生長層和藍(lán)光外延生長層。
[0011]進(jìn)一步的，所述緩沖層的材質(zhì)為GaN，厚度為0.03 μ m。
[0012]進(jìn)一步的，所述藍(lán)寶石襯底為三方晶系，折光率為1.76-1.77。
[0013]進(jìn)一步的，所述保護(hù)層的材質(zhì)為1% Aatl 9N,厚度為0.Ιμπι。
[0014]進(jìn)一步的，所述P面電子阻擋層的材質(zhì)為Alci 2Gatl 8N,厚度為0.02 μ m。
[0015]進(jìn)一步的，所述N面包層和所述P面包層的材質(zhì)為Ala 15Ga0.85N,厚度為0.4 μ m。
[0016]進(jìn)一步的，所述N面波導(dǎo)層和所述P面波導(dǎo)層的材質(zhì)為GaN，厚度為0.1 μ m。
[0017]本發(fā)明的有益效果在于:
[0018]本發(fā)明改變了同一芯片只能發(fā)射單色光的限制，提供了三波長鎵氮基半導(dǎo)體激光芯片結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)通過重復(fù)生長外延層，即在藍(lán)寶石基底材料上生長一層外延層后，再累積生長兩層同結(jié)構(gòu)不同組分的外延層，使同一片芯片具有三個不同組分的有源區(qū)，該方法可以實現(xiàn)使一片芯片同時發(fā)射出三種不同波長的光，使以藍(lán)寶石為基底的激光器的應(yīng)用更寬泛、靈活。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的三波長鎵氮基半導(dǎo)體激光芯片結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]附圖標(biāo)記為:
[0021](I)藍(lán)寶石襯底
[0022]⑵緩沖層
[0023](3)黃光外延生長層
[0024](4)綠光外延生長層
[0025](5)藍(lán)光外延生長層
[0026](6)藍(lán)光P型電極
[0027](7)藍(lán)光N型電極
[0028](8)綠光P型電極
[0029](9)綠光N型電極
[0030](10)黃光P型電極
[0031](11)黃光N型電極
[0032]黃光外延生長層:
[0033](301)P面電極接觸層
[0034](302) P 面包層
[0035](3O3)P面波導(dǎo)層
[0036](304) P面電子阻擋層
[0037](305)有源區(qū)
[0038]C306) N面波導(dǎo)層
[0039](307) N 面包層
[0040](308)保護(hù)層
[0041 ](309) N面電極接觸層
[0042]綠光外延生長層:
[0043](401) P面電極接觸層
[0044](402) P 面包層
[0045](403)P面波導(dǎo)層
[0046](404) P面電子阻擋層
[0047](405)有源區(qū)
[0048](406) N面波導(dǎo)層
[0049](407) N 面包層
[0050](408)保護(hù)層
[0051](409) N面電極接觸層
[0052]藍(lán)光外延生長層:
[0053](501)P面電極接觸層
[0054](502) P 面包層
[0055](5O3)P面波導(dǎo)層
[0056](504) P面電子阻擋層
[0057](505)有源區(qū)
[0058](5O6) N面波導(dǎo)層
[0059](507) N 面包層
[0060](508)保護(hù)層
[0061 ](509) N面電極接觸層

【具體實施方式】
[0062]本發(fā)明能使同一片芯片具有三個不同組分的有源區(qū)，形成三波長鎵氮基半導(dǎo)體激光芯片結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)使一片芯片同時發(fā)射出三種不同波長的可獨(dú)立調(diào)節(jié)的光為例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明。
[0063]如圖1所示，由藍(lán)寶石襯底(I)、緩沖層(2)、黃光外延生長層(3)、綠光外延生長層
(4)、藍(lán)光外延生長層(5)、藍(lán)光P型電極(6)、藍(lán)光N型電極(7)、綠光P型電極⑶、綠光N型電極(9)、黃光P型電極(10)、黃光N型電極(11)構(gòu)成。
[0064]所述的黃光外延生長層包括N面電極接觸層(309)、保護(hù)層(308)、N面包層(307)、N面波導(dǎo)層(306)、有源區(qū)(305)、P面電子阻擋層(304)、P面波導(dǎo)層(303)、P面包層(302)、P面電極接觸層(301)。
[0065]所述的綠光外延生長層包括N面電極接觸層(409)、保護(hù)層(408)、N面包層(407)、N面波導(dǎo)層(406)、有源區(qū)(405)、P面電子阻擋層(404)、P面波導(dǎo)層(403)、P面包層(402)、P面電極接觸層(401)。
[0066]所述的藍(lán)光外延生長層包括N面電極接觸層(509)、保護(hù)層(508)、N面包層(507)、N面波導(dǎo)層(506)、有源區(qū)(505)、P面電子阻擋層(504)、P面波導(dǎo)層(503)、P面包層(502)、P面電極接觸層(501)。
[0067]所述藍(lán)寶石襯底作為激光介質(zhì)是生長其他結(jié)構(gòu)的基板，主要成分是氧化鋁(Al2O3);所述外延生長層是采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相淀積的方法逐層沉積生長于藍(lán)寶石襯底上方；所述P型電極與N型電極是通過光刻腐蝕外延生長層，再采用蒸發(fā)或濺射的方法覆蓋一層或多層金屬，在適當(dāng)?shù)臏囟认逻M(jìn)行合金化形成的低阻金屬。從左到右依次為藍(lán)光P型電極，藍(lán)光N型電極，綠光P型電極，綠光N型電極，黃光P型電極和黃光N型電極。
[0068]所述緩沖層⑵為0.03 μ m厚的GaN，需在550°C的條件下生長。
[0069]所述藍(lán)寶石襯底⑴為三方晶系，折光率為1.76-1.77，是非均質(zhì)體，無解理，是裂理發(fā)育。
[0070]所述保護(hù)層(308)、保護(hù)層(408)及保護(hù)層(508)為0.1 μ m厚的In0.如0.具作為防止AlGaN薄膜破裂的緩沖層。
[0071]所述P面電子阻擋層(304)、P面電子阻擋層(404)及P面電子阻擋層(504)為0.02 μ m厚的Ala2Gaa8N,防止有源區(qū)InGaN在生長P型材料時解離。
[0072]所述N面包層(307)、P面包層(302)、N面包層(407)、P面包層(402)、N面包層(507)、P面包層(502)為0.4 μ m厚Al0.15Ga0.85N, N型材料中摻雜Si，P型材料中摻雜Mg，主要用作限制有源區(qū)量子阱層發(fā)出的光。
[0073]且本專利中的所有N面包層內(nèi)含1*1017_2*1019個Si離子/m3，所有P面包層內(nèi)含1*1017-2*1019 個 Mg 離子 /m3。
[0074]所述N面波導(dǎo)層(306)、P面波導(dǎo)層(303)、N面波導(dǎo)層(406)、P面波導(dǎo)層(403)、N面波導(dǎo)層(506)、P面波導(dǎo)層(503)為0.1 μ m的GaN，N型材料中摻雜Si，P型材料中摻雜Mg，主要用作限制電流。
[0075]且N面波導(dǎo)層內(nèi)含1*1017_2*1019個Si離子/m3，P面波導(dǎo)層內(nèi)含1*1017_2*1019個Mg離子/m3。
[0076]本發(fā)明基于以藍(lán)寶石為襯底的表面型半導(dǎo)體器件，選取適當(dāng)?shù)乃{(lán)寶石基底，在藍(lán)寶石基底上采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相淀積的方法逐層沉積材料，首先形成發(fā)射黃光的外延層，即依次生長緩沖層(0.03 μ m厚的GaN)、襯底層(3 μ m厚摻雜Si的N型GaN)、保護(hù)層(0.1 μ m 厚摻雜 Si 的 N 型 In。.Aaa9N)、N 面包層(0.4 μ m 厚摻雜 Si 的 N 型 Al。.15Ga0.85N)、N面波導(dǎo)層(0.1 μ m厚摻雜Si的N型GaN)、有源區(qū)(0.0025 μ m厚的Ina 32GaN)、電子阻擋層(0.02 μ m厚摻雜Mg的P型Ala2Gaa8N)、P面波導(dǎo)層(0.1 μ m厚摻雜Mg的P型GaN)、P面包層(0.4 μ m厚摻雜Mg的P型Al0.15Ga0.85N)、電極接觸層(0.5 μ m厚摻雜Mg的P型GaN)，此部分結(jié)構(gòu)中的有源區(qū)為發(fā)射黃光的1% 32GaN材料。
[0077]在黃光外延生長層的電極接觸層上重復(fù)生長發(fā)射綠光的外延層，即襯底層(3μπι厚摻雜Si的N型GaN)、保護(hù)層(0.1 μ m厚摻雜Si的N型Ina Aaa9N)、N面包層(0.4 μ m厚摻雜Si的N型Alai5Gaa85NhN面波導(dǎo)層(0.1ym厚摻雜Si的N型GaN)、有源區(qū)(0.0025 μ m厚的Ina3GaN)、電子阻擋層(0.02 μ m厚摻雜Mg的P型Ala2Gaa8N)、P面波導(dǎo)層(0.1 μ m厚摻雜Mg的P型GaN)、P面包層(0.4 μ m厚摻雜Mg的P型Al0.15Ga0.85N)、電極接觸層(0.5 μ m厚摻雜Mg的P型GaN)，此部分結(jié)構(gòu)中的有源區(qū)為發(fā)射綠光的Ina3GaN材料。
[0078]在綠光外延生長層的電極接觸層上重復(fù)生長發(fā)射藍(lán)光的外延層，即襯底層(3μπι厚摻雜Si的N型GaN)、保護(hù)層(0.1 μ m厚摻雜Si的N型Ina Aaa9N)、N面包層(0.4 μ m厚摻雜Si的N型Alai5Gaa85NhN面波導(dǎo)層(0.1ym厚摻雜Si的N型GaN)、有源區(qū)(0.0025 μ m厚的Inai8GaN)、電子阻擋層(0.02 μ m厚摻雜Mg的P型Ala2Gaa8N)、P面波導(dǎo)層(0.1ymj?摻雜Mg的P型GaN)、P面包層(0.4 μ m厚摻雜Mg的P型Al0.15Ga0.85N)、電極接觸層(0.5 μ m厚摻雜Mg的P型GaN)，此部分結(jié)構(gòu)中的有源區(qū)為發(fā)射藍(lán)光的Inai8GaN材料。
[0079]在刻蝕過程中，首先將光刻膠涂于藍(lán)光P型電極的位置，采用化學(xué)腐蝕的方法去掉除其余位置藍(lán)光襯底層以上的多余材料；再將光刻膠涂于藍(lán)光N型電極的位置，采用化學(xué)腐蝕的方法去掉除其余位置綠光電極接觸層以上的多余材料；同樣的方法依次腐蝕出具有六個電極的臺階型表面結(jié)構(gòu)，隨后去掉光刻膠。采用蒸發(fā)或濺射的方法在三組N面和P面上覆蓋一層或多層金屬或合金，然后在適當(dāng)?shù)臏囟认逻M(jìn)行合金化，形成低阻的金屬，使之形成三組P型電極和N型電極，從左到右依次為藍(lán)光P型電極，藍(lán)光N型電極，綠光P型電極，綠光N型電極，黃光P型電極和黃光N型電極。將除電極以外的區(qū)域用PVD的方法覆蓋SiN/Si02絕緣材料。如此便形成了有三組P型電極與N電極的臺階型表面結(jié)構(gòu)(如圖1)。因為三組電極彼此獨(dú)立，因此可單獨(dú)對三路光束進(jìn)行加電流控制。此結(jié)構(gòu)使以藍(lán)寶石為基底的激光器的應(yīng)用范圍更寬、更廣、更靈活。
[0080]惟以上所述者，僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，舉凡熟悉此項技藝的專業(yè)人士。在了解本發(fā)明的技術(shù)手段之后，自然能依據(jù)實際的需要，在本發(fā)明的教導(dǎo)下加以變化。因此凡依本發(fā)明申請專利范圍所作的同等變化與修飾，都應(yīng)仍屬本發(fā)明專利涵蓋的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種三波長鎵氮基半導(dǎo)體激光芯片結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括:藍(lán)寶石襯底、緩沖層、三個外延生長層； 所述藍(lán)寶石襯底為基板，依次覆上緩沖層和三個外延生長層； 所述三個外延生長層是采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相淀積的方式逐層沉積于所述藍(lán)寶石襯底上方； 其中，每個外延生長層從下往上依次包括N面電極接觸層、保護(hù)層、N面包層、N面波導(dǎo)層、有源區(qū)、P面電子阻擋層、P面波導(dǎo)層、P面包層、P面電極接觸層； 在每個外延生長層的N面電極接觸層生長相應(yīng)的N型電極，在每個外延生長層的P面電極接觸層生長相應(yīng)的P型電極； 所述P型電極和N型電極是在每個外延生長層上經(jīng)光刻腐蝕、蒸發(fā)或濺射的方法覆蓋一層或多層金屬，然后再進(jìn)行合金化形成的低阻金屬。
2.如權(quán)利要求1所述的三波長鎵氮基半導(dǎo)體激光芯片結(jié)構(gòu)，其特征在于， 三波長鎵氮基半導(dǎo)體激光芯片結(jié)構(gòu)的外延生長層有三層，從緩沖層開始分別為:黃光外延生長層、綠光外延生長層和藍(lán)光外延生長層。
3.如權(quán)利要求1所述的三波長鎵氮基半導(dǎo)體激光芯片結(jié)構(gòu)，其特征在于， 所述緩沖層的材質(zhì)為GaN，厚度為0.03 μ m。
4.如權(quán)利要求1所述的三波長鎵氮基半導(dǎo)體激光芯片結(jié)構(gòu)，其特征在于， 所述藍(lán)寶石襯底為三方晶系，折光率為1.76-1.77。
5.如權(quán)利要求1所述的三波長鎵氮基半導(dǎo)體激光芯片結(jié)構(gòu)，其特征在于， 所述保護(hù)層的材質(zhì)為1% Aaa9N,厚度為0.Ιμπι。
6.如權(quán)利要求1所述的三波長鎵氮基半導(dǎo)體激光芯片結(jié)構(gòu)，其特征在于， 所述P面電子阻擋層的材質(zhì)為Ala2Gaa8N,厚度為0.02 μ m。
7.如權(quán)利要求1所述的三波長鎵氮基半導(dǎo)體激光芯片結(jié)構(gòu)，其特征在于， 所述N面包層和所述P面包層的材質(zhì)為Ala 15Ga0.85N,厚度為0.4 μ m。
8.如權(quán)利要求1所述的三波長鎵氮基半導(dǎo)體激光芯片結(jié)構(gòu)，其特征在于， 所述N面波導(dǎo)層和所述P面波導(dǎo)層的材質(zhì)為GaN，厚度為0.1 μ m。
【文檔編號】H01S5/323GK104393488SQ201410763909
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月11日
【發(fā)明者】堯舜, 呂朝蕙, 王智勇, 邱運(yùn)濤, 雷宇鑫, 賈冠男, 高祥宇 申請人:北京工業(yè)大學(xué)