GaN襯底激光二極管的制作方法
【專利摘要】一種GaN襯底激光二極管裝置，包括：設(shè)置在GaN襯底上的緩沖層（11）；設(shè)置在緩沖層上的共摻雜層（12）；設(shè)置于共摻雜層12上面的n型包覆層；n型包覆層上設(shè)置有有源層，由氮化物III-V族化合物半導(dǎo)體構(gòu)成；在有源層上設(shè)置有P型包覆層；所述共摻雜層，由包含至少3B族元素中的鎵和至少5B族元素中的氮的III-V族化合物半導(dǎo)體構(gòu)成，并且被共摻雜作為施主工作的雜質(zhì)的硅和鍺之一和作為受主工作的雜質(zhì)的鎂和鋅之一，其中所述共摻雜層的載流子濃度是從2.0×1018cm-3至8.0×1018cm-3，以及其中所述共摻雜層具有比所述n型覆層的禁帶窄的禁帶，所述共摻雜層的導(dǎo)電類型是n型。本發(fā)明所提供的激光器光輸出波長穩(wěn)定，具有較高的發(fā)光效率。
【專利說明】GaN襯底激光二極管
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體激光二極管，尤其涉及一種GaN襯底的激光管。
【背景技術(shù)】
[0002]在光纖通信、光纖傳感、醫(yī)療檢測、環(huán)境監(jiān)測、科學(xué)研究等領(lǐng)域中半導(dǎo)體激光器被廣泛應(yīng)用。近年來，GaN襯底的氮化物化合物激光二極管裝置已經(jīng)被廣泛地用作高容量光盤、光纖傳感器、環(huán)境監(jiān)測、光通信等【技術(shù)領(lǐng)域】，具有較高輸出和較高可靠性的裝置已經(jīng)處于積極的研發(fā)中。在這樣的氮化物化合物激光二極管裝置中，相對于有源層的垂直方向(豎直方向)中的光學(xué)約束通過使用光導(dǎo)層和覆層實(shí)現(xiàn)。
[0003]現(xiàn)有的激光二極管裝置在光輸出穩(wěn)定性、發(fā)光效率等方面存在著諸多的不足與缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷與不足，本發(fā)明的目的在于提供一種具有較好光輸出穩(wěn)定性，發(fā)光效率較高的GaN襯底激光二極管。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0005]一種GaN襯底激光二極管裝置，包括:
[0006]設(shè)置在GaN襯底上的緩沖層(11);
[0007]設(shè)置在緩沖層上的共摻雜層(12); [0008]設(shè)置于共摻雜層12上面的n型包覆層；
[0009]n型包覆層上設(shè)置有有源層，由氮化物II1-V族化合物半導(dǎo)體構(gòu)成；
[0010]在有源層上設(shè)置有P型包覆層；
[0011]所述共摻雜層，由包含鎵和氮的II1-V族化合物半導(dǎo)體構(gòu)成，并且被共摻雜作為施主工作的雜質(zhì)的硅和作為受主工作的雜質(zhì)的鎂，
[0012]其中所述共摻雜層的載流子濃度是從2.0X IO18CnT3至8.0X 1018cm_3，以及
[0013]其中所述共摻雜層具有比所述n型覆層的禁帶窄的禁帶，所述共摻雜層的導(dǎo)電類型是n型。
[0014]所述n型包覆層包括第一 n型包覆層和第二 n型包覆層。
[0015]其中所述n型覆層由AlxGa1^N混合晶體構(gòu)成,其中0.01 < X≤0.86，研究表明如果鋁的含量超過0.86，半導(dǎo)體基片產(chǎn)生裂紋的概率大大增加，并且對于給定的鋁成份比率X具有不超過裂紋產(chǎn)生臨界膜厚度的厚度。
[0016]其中所述共摻雜層中Mg雜質(zhì)的濃度為2.6X 1018cm_3至5.3X 1018cm_3, Si雜質(zhì)的濃度為 3.0X IO18Cm 3 至 6.0X IO18Cm 3。
[0017]其中作為所述共摻雜層的厚度為50_200nm。
[0018]從下列描述中，本發(fā)明的其它和進(jìn)一步的目標(biāo)、特征和優(yōu)點(diǎn)將更為充分地顯見。【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的激光二極管裝置的結(jié)構(gòu)的截面圖；
【具體實(shí)施方式】
[0020]以下將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。
[0021]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的激光二極管裝置的截面結(jié)構(gòu)，該激光二極管具有其中共摻雜層13、第一 η型覆層14、第二 η型覆層15、η型光導(dǎo)層16、η側(cè)居間層17、有源層18、ρ側(cè)居間層19、電子阻擋層20、ρ型覆層21和ρ側(cè)接觸層22依次被層疊于由GaN構(gòu)成的襯底11的一表面?zhèn)壬希哂芯彌_層12位于中間。
[0022]緩沖層12例如1.00-5.00 μ m厚，并且由摻雜作為η型雜質(zhì)的硅Si的η型GaN構(gòu)成。
[0023]共摻雜層13用于吸收通過第二 η型覆層15和第一 η型覆層14滲出至襯底11側(cè)的光。共摻雜層13設(shè)置為相鄰于第一 η型覆層14，并且具有比第一 η型覆層14和第二 η型覆層15的禁帶窄的禁帶。共摻雜層13由例如包含至少3Β族元素中的鎵Ga和至少5Β族元素中的氮N的氮化物II1-V族化合物半導(dǎo)體構(gòu)成，并且被摻雜作為施主工作的雜質(zhì)的硅Si和作為受主工作的雜質(zhì)的鎂Mg。由此，在該激光二極管裝置中，可以抑制滲出至襯底11側(cè)的光和穿過有源層18的波導(dǎo)的光之間的模式耦合。
[0024]共摻雜層13的組份材料的實(shí)例包括GaN和InGaN混合晶體。具體地，優(yōu)選GaN。在使用InGaN混合晶體的情形中，盡管能夠增加吸收系數(shù)，但是難于控制最適合的成份，并且存在影響第一 η型覆層14的結(jié)晶的可能性。
[0025]研究表明，未摻雜雜質(zhì)的未摻雜GaN層在400nm處的吸收系數(shù)(cm_l)不超過10，摻雜硅Si的GaN層在400nm處的吸收系數(shù)(cm-1)不會超過30，、摻雜鎂Mg的GaN層在400nm處的吸收系數(shù)(cm-1)不會超過100,和而共摻雜娃Si和鎂Mg的GaN層吸收系數(shù)明顯高于摻雜單種雜質(zhì)的其它樣品。同時研究含發(fā)現(xiàn)Mg雜質(zhì)的濃度為2.6 X IO18CnT3至5.SXlO1W3,Si雜質(zhì)的濃度為3.0X IO18CnT3至6.0X IO18CnT3時上述吸收系數(shù)出現(xiàn)峰值，能夠多達(dá)1000，該數(shù)值最為適合激光器輸出波長穩(wěn)定的激光，而在上述濃度范圍外是發(fā)光效率明顯下降。
[0026]發(fā)現(xiàn)在共摻雜層13設(shè)置于襯底11/緩沖層12和第一 η型覆層14之間的情形中，通過第二 η型覆層15和第一 η型覆層14滲出至襯底11側(cè)的光能夠被吸收而不增加第一η型覆層14和第二 η型覆層15的厚度。此外，通過調(diào)整共摻雜層13的厚度和雜質(zhì)的添加濃度可以避免光吸收量過大。因而，可以避免閾值電流或者工作電流增加。但是，共摻雜層13的厚度優(yōu)選為480nm或者更小。如果共摻雜層13的厚度是480nm或者更大，則結(jié)晶性可能被共摻雜所干擾。
[0027]共摻雜層13的導(dǎo)電類型優(yōu)選是η型。共摻雜層13的載流子濃度優(yōu)選從
2.0X IO18CnT3至8.0X 1018cm_3，都包括兩端點(diǎn)。2.0X 1018cm_3的載流子濃度對應(yīng)于產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)分布(inverted population)所必須的載流子的下限值。值8.0 X 1019cm_3對應(yīng)于在共摻雜層13在結(jié)晶和光學(xué)特性不受影響的范圍內(nèi)被摻雜雜質(zhì)的情形中可以產(chǎn)生載流子濃度的上限值。
[0028]共摻雜層13的作為受主工作的雜質(zhì)(例如鎂Mg)的添加濃度，優(yōu)選從
2.6 X IO1W3至5.SXlO1W30研究表明在上述數(shù)值范圍對產(chǎn)生載流子最為有利。如果鎂Mg的添加濃度超出上述數(shù)值范圍，則載流子濃度變得逐漸減小。在某個雜質(zhì)添加濃度時載流子濃度飽和或者下降的現(xiàn)象也出現(xiàn)在其它化合物半導(dǎo)體中。此外，如果雜質(zhì)被添加直至出現(xiàn)載流子濃度飽和或者下降時，則結(jié)晶度下降。因而，作為共摻雜層13的受主工作的雜質(zhì)的添加濃度的上限值優(yōu)選是5.3X1018cm_3。調(diào)整添加濃度使得在從下限值至上限值的范圍中獲得理想的吸收量。具體地，大約5.0X IO18CnT3可以被實(shí)現(xiàn)。
[0029]作為共摻雜層13的受主工作的雜質(zhì)的添加濃度在共摻雜層13的厚度方向中可以是均勻的，但是添加濃度可以逐漸增加，或者可以逐漸減小。例如，作為受主工作的雜質(zhì)的添加濃度在共摻雜層13的厚度方向的兩端(在與襯底11的界面附近或者在與第一 n型覆層14的界面附近)都優(yōu)選低于在共摻雜層13的厚度方向中的中心作為受主工作的雜質(zhì)的添加濃度。由此，避免作為受主工作的雜質(zhì)(例如鎂)在襯底11中或者在第一 n型覆層14中被分散。
[0030]作為共摻雜層13的施主工作的雜質(zhì)(例如硅Si)的添加濃度，優(yōu)選是Si雜質(zhì)的濃度為3.0父1018(^_3至6.0\1018(^_3。顯示n型導(dǎo)電性的作為施主工作的雜質(zhì)(例如硅Si)，必須被添加至共摻雜層13。硅Si的添加濃度通過與作為受主被共摻雜的雜質(zhì)(例如鎂Mg)的添加濃度的關(guān)系而被確定。作為施主工作的雜質(zhì)應(yīng)當(dāng)被添加使得共摻雜層13的載流子濃度變?yōu)閺?.0 X IO18CnT3至8.0 X 1018cm_3，在上述范圍內(nèi)時，激光二級管發(fā)光效率最高。具體地，作為施主工作的雜質(zhì)的添加濃度可以是大約5.0 X 1018cm_3。
[0031]優(yōu)選在圖1中所示出的第一 n型覆層14和第二 n型覆層15分別由例如，具有相互不同的成份的AlxGai_xN(0 < X≤0.86)混合晶體構(gòu)成，并且具有對于給定的鋁成份比率X不超過產(chǎn)生裂紋的臨界膜厚度的厚度。由此，可以避免裂紋產(chǎn)生于第一 n型覆層14和第
二n型覆層15中，并且通過縮短生長時間可以改善產(chǎn)率。此外，存在串連電阻可以通過減小第一 n型覆層14和第二 n型覆層15的厚度而被降低的優(yōu)點(diǎn)。
[0032]鋁成份比率X的理想地是0.045，并且厚度t理想地是從2.5 ii m至2.6 ii m，都包
括兩端點(diǎn)。
[0033]具體地，第一 n型覆層14例如2.40 ii m厚，并且由摻雜硅Si作為n型雜質(zhì)的n型Al0.03Ga0.97N混合晶體構(gòu)成。第二 n型覆層15例如0.20 y m厚，并且由摻雜硅Si作為n型雜質(zhì)的n型AlatllGaa99N混合晶體構(gòu)成。第一 n型覆層14的鋁成份比率與第二 n型覆層15的鋁成份比率不同，以避免由于在有源層18中產(chǎn)生的光強(qiáng)度的峰向第一 n型覆層14側(cè)移位而使特性降低。
[0034]在圖1中所示出的n型光導(dǎo)層16例如0.21 iim厚，并且由摻雜硅Si作為n型雜質(zhì)的n型GaN構(gòu)成。在圖1中示出的n側(cè)居間層17例如0.005 y m厚，并且由未摻雜雜質(zhì)的未摻雜GaInN混合晶體構(gòu)成。
[0035]在圖1中示出的有源層18例如0.056 iim厚，并且具有由具有相互不同成份的GaxIrvxNU≥0)混合晶體分別形成的阱層和壘層構(gòu)成的多量子阱結(jié)構(gòu)。
[0036]在圖1中示出的p側(cè)居間層19例如0.027 Umj?,并且由未摻雜雜質(zhì)的未摻雜GaInN混合晶體構(gòu)成。在圖1中所示出的電子阻擋層20例如0.02 y m厚，并且由摻雜鎂Mg作為P型雜質(zhì)的P型AlGaN混合晶體構(gòu)成。在圖1中所示出的p型覆層21例如0.38iim厚，并且具有由摻雜鎂Mg作為p型雜質(zhì)的p型AlGaN混合晶體層以及p型GaN層構(gòu)成的超晶格結(jié)構(gòu)。在圖1中示出的P側(cè)接觸層22例如0.1Oiim厚，并且由摻雜鎂Mg作為p型雜質(zhì)的P型GaN構(gòu)成。
[0037]在圖1中所示出的ρ側(cè)接觸層22上，ρ側(cè)電極31用具有由SiO2層和在其間的Si層構(gòu)成的層疊結(jié)構(gòu)的掩埋層23形成。P側(cè)電極31具有例如其中鈀(Pd)、鉬(Pt)和金(Au)按順序從P側(cè)接觸層22側(cè)層疊的結(jié)構(gòu)，并且電連接到P側(cè)接觸層22。ρ側(cè)電極31以條形狀延伸用于電流約束。有源層18對應(yīng)于ρ側(cè)電極31的區(qū)域是發(fā)光區(qū)。同時，在襯底11的后面上，形成η側(cè)電極32。η側(cè)電極32具有例如其中鈦(Ti)、鉬(Pt)和金(Au)按順序?qū)盈B的結(jié)構(gòu)。η側(cè)電極32被電連接至第一 η型覆層14，在二者之間為與襯底11、緩沖層12和共摻雜層13。
[0038]在激光二極管裝置中，例如，在ρ側(cè)電極31的縱向相互面對的一對側(cè)面是振蕩器的一對端面。在振蕩器一對端面上，分別形成一對反射鏡膜(未被不出)。在該一對反射鏡膜中，一個反射鏡膜被調(diào)整以便具有較低的反射系數(shù)，并且另一反射鏡膜被調(diào)整以便具有較高的反射系數(shù)。由此，在有源層18中產(chǎn)生的光在這一對反射鏡膜之間往返、被放大并且作為激光束從所述一個反射鏡膜被射出。
[0039]激光二極管可以例如如下被制造。
[0040]首先，制備由GaN構(gòu)成的襯底11。在襯底11的表面上，例如，通過MOCVD (金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積)法生長由前述材料制成的緩沖層12。
[0041]接著，再次通過MOCVD法生長共摻雜層。此時，提供鎵原材料氣體和氮原材料氣體，提供硅原材料氣體和鎂原材料氣體，并且由此共摻雜硅作為施主工作的雜質(zhì)和鎂作為受主工作的雜質(zhì)，形成共摻雜層13。
[0042]隨后，再次通過MOCVD法生長由前述材料制成的第一 η型覆層14、第二 η型覆層
15、η型波導(dǎo)層16、η側(cè)居間層17、有源層18、ρ側(cè)居間層19、電子阻擋層20、ρ型覆層21和P側(cè)接觸層22。
[0043]在進(jìn)行MOCVD中，例如三甲基鎵(CH3) 3Ga作為鎵原材料氣體，例如三甲基鋁(CH3)3Al作為鋁原材料氣體，例如三甲基銦(CH3)3In作為銦原材料氣體，并且例如氨NH3作為氮原材料氣體被分別使用。此外，例如硅烷SiH4用作硅原材料氣體，并且例如二茂鎂(bis (cyclopentadienyl)magnesium, (C5H5) 2Mg)被用作鎂原材料氣體。
[0044]接著，掩模(未示出)被形成于P側(cè)接觸層22上。通過使用該掩模，P側(cè)接觸層22和部分ρ型覆層21通過例如RIE (反應(yīng)離子蝕刻)法被選擇性地蝕刻，以便將ρ型覆層21的上部和ρ側(cè)接觸層22形成為條形突起條紋部。
[0045]結(jié)果，在ρ型覆層21和ρ例接觸層22上，形成由前述材料制成的掩埋層23。在掩埋層23中，提供對應(yīng)于ρ側(cè)接觸層22的開口以便形成ρ側(cè)電極31。此外，襯底11的后面?zhèn)壤绫谎心セ蛘邟伖馐沟靡r底11的厚度變成例如大約100 μ m。此后，η側(cè)電極32形成于襯底11的后面上。此后，襯底11被形成為給定的尺寸，并且反射鏡膜(未示出)形成于一對相對的振蕩器端面上。因而，完成在圖1中示出的激光二極管裝置。
[0046]在激光二極管中，在給定的電壓被施加于η側(cè)二極管32和ρ側(cè)二極管31之間的情形中，電流被注入有源層18，并且光通過電子-空穴復(fù)合而射出。該光被一對反射鏡膜反射，在其間往返，產(chǎn)生激光振蕩，并且作為激光束被發(fā)射至外面。在該實(shí)施例中，由摻雜作為施主工作的雜質(zhì)的硅Si —和作為受主工作的雜質(zhì)的鎂Mg的GaN構(gòu)成的共摻雜層13設(shè)置于襯底11/緩沖層12和第一 η型覆層14之間。因而，通過第二 η型覆層15和第一 η型覆層14滲出至襯底11的光在共摻雜層13中被吸收，并且被衰減至不會與通過有源層18的波導(dǎo)的光的產(chǎn)生模式耦合的程度。因而，在FFP中觀察不到波紋，并且允許穩(wěn)定的激光振蕩。
[0047]另外，例如，在前述實(shí)施例中，激光二極管裝置的結(jié)構(gòu)已經(jīng)以具體實(shí)例被描述。但是，不一定提供所有的層，或者可以進(jìn)一步提供其它層。
[0048]本領(lǐng)域中的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解根據(jù)設(shè)計(jì)要求和其它因素可以出現(xiàn)各種改進(jìn)、結(jié)合、自結(jié)合和替代，只要它們在權(quán)利要求及其等同方案的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種GaN襯底激光二極管裝置，包括: 設(shè)置在GaN襯底上的緩沖層； 設(shè)置在緩沖層上的共摻雜層； 設(shè)置于共摻雜層上面的η型包覆層； η型包覆層上設(shè)置有有源層，由氮化物II1-V族化合物半導(dǎo)體構(gòu)成； 在有源層上設(shè)置有P型包覆層； 所述共摻雜層，由包含鎵和氮的II1-V族化合物半導(dǎo)體構(gòu)成，并且被共摻雜作為施主工作的雜質(zhì)的硅和作為受主工作的雜質(zhì)的鎂， 其中所述共摻雜層的載流子濃度是從2.0X IO18CnT3至8.0X 1018cm_3，以及其中所述共摻雜層具有比所述η型覆層的禁帶窄的禁帶，所述共摻雜層的導(dǎo)電類型是η型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的激光二極管裝置，所述η型包覆層包括第一η型包覆層和第二 η型包覆層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的激光二極管裝置，其中所述η型覆層由AlxGahN混合晶體構(gòu)成，其中0.01 < X < 0.86，并且對于給定的鋁成份比率X具有不超過裂紋產(chǎn)生臨界膜厚度的厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的激光二極管裝置，其中所述共摻雜層中Mg雜質(zhì)的濃度為2.6 X IO18Cm 3 至 5.3 X IO18Cm 3，Si 雜質(zhì)的濃度為 3.0X IO18Cm 3 至 6.0X IO18Cm 3。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的激光二極管裝置，其中作為所述共摻雜層的厚度為50-200nm。
【文檔編號】H01S5/343GK103812004SQ201210440780
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2012年11月7日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月7日
【發(fā)明者】耿振民 申請人:無錫華御信息技術(shù)有限公司