專利名稱：氮化鎵基激光器列陣管芯的器件結(jié)構(gòu)及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種氮化鎵基激光器列陣管芯的器件結(jié)構(gòu) 及制作方法
背景技術(shù)：
GaN基量子阱結(jié)構(gòu)激光器在增大光信息存儲密度、投影顯示、激光打印、水下通信、 生物化學(xué)試劑的激活以及臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。光存儲系統(tǒng)中，光盤容量與 激光波長平方成反比，采用GaN基激光器的藍(lán)光DVD，其光盤的存儲容量可達(dá)到單面單層 27GB，單面雙層50GB，是紅光的2-3倍。藍(lán)光光盤系統(tǒng)已經(jīng)在消費電子產(chǎn)品領(lǐng)域獲得了廣泛 的應(yīng)用，目前已有藍(lán)光影碟機(jī)、光盤刻錄機(jī)、光盤攝像機(jī)、PlayStation3等產(chǎn)品。而激光顯 示由于采用了偏振度極高的激光作為光源，因此畫質(zhì)具有超高的對比度。激光相干長度大、 光束發(fā)散角小，可以投影到任何曲面。此外，激光顯示還有屏幕尺寸靈活、響應(yīng)速度快、沒有 可視角度限制等優(yōu)點。除電視外還有望開發(fā)成為真正超輕、超便攜、高亮度的投影儀器。這 種體積小、低功耗的激光投影系統(tǒng)還可以被集成到手機(jī)、MP4等手持電子設(shè)備中。日后這種 投影顯示技術(shù)將根據(jù)人們的想象力開發(fā)出各種魔幻般的應(yīng)用，如天文館、飛行模擬，甚至可 以將衛(wèi)星導(dǎo)航圖像直接投影到汽車或飛機(jī)的擋風(fēng)玻璃上。應(yīng)用GaN基激光器于打印技術(shù)基 于其波長短，可以提高激光打印的分辨率，而藍(lán)綠光的GaN基激光器與AlfeInP紅光激光器 結(jié)合可以實現(xiàn)全彩打印。GaN基激光器也是可以用于深海探測和通信，在國防領(lǐng)域具有深遠(yuǎn)
眉、ο目前GaN基激光器的研究目標(biāo)之一是實現(xiàn)大的功率輸出。大功率半導(dǎo)體激光器主 要有兩種結(jié)構(gòu)一是寬接觸的單管激光器，二做成列陣式激光器。由于低位錯密度的GaN襯 底價格昂貴，目前仍主要采用的是藍(lán)寶石襯底異質(zhì)外延生長GaN基激光器。對于藍(lán)寶石襯 底上制作寬接觸大功率GaN基激光器最大的問題在外延層和器件結(jié)構(gòu)中有高的位錯密度， 熱效應(yīng)無法忽視；加之腔面解理困難，無法實現(xiàn)寬接觸的激光器，故而采用列陣激光器來實 現(xiàn)大的功率輸出。然而藍(lán)寶石襯底不導(dǎo)電，在其上制作的激光器采用的是平面電極結(jié)構(gòu)，P 電極和N電極都在激光器的正面。列陣中的各個脊形發(fā)光區(qū)，由于所處位置不同，與N電極 之間的距離不同，故而串聯(lián)電阻不同。在相同的外加電壓下，各個脊形發(fā)光區(qū)注入的電流密 度不同，導(dǎo)致各個脊形發(fā)光區(qū)的有源層中載流子濃度不同。另外，P-AWaN/GaN超晶格光限 制層的水平方向電阻較小，在電場的驅(qū)動下載流子會在不同的脊形發(fā)光區(qū)之間遷移，載流 子的側(cè)向擴(kuò)展嚴(yán)重。以上兩個原因?qū)е铝嘘囍械母鱾€脊形發(fā)光區(qū)的載流子濃度不同，難以 同時激射。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種氮化鎵基激光器列陣管芯的器件結(jié)構(gòu)及制作方法，通 過設(shè)計脊形發(fā)光區(qū)的位置分布和寬度，消除串聯(lián)電阻和載流子側(cè)向擴(kuò)展的影響，從而實現(xiàn) 氮化鎵基激光器列陣管芯的各個脊形發(fā)光區(qū)同時激射。
本發(fā)明實現(xiàn)了氮化鎵基列陣激光器各個脊形發(fā)光區(qū)同時激射，實現(xiàn)了大的功率輸出。


為了進(jìn)一步說明本發(fā)明的內(nèi)容，以下結(jié)合實施例對本發(fā)明做一詳細(xì)的描述，其 中圖1是本發(fā)明中的氮化鎵基激光器列陣管芯的外延結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖2是本發(fā)明中的氮化鎵基激光器列陣管芯的結(jié)構(gòu)平面圖；圖3是本發(fā)明中的氮化鎵基激光器列陣管芯的結(jié)構(gòu)剖面圖。
具體實施例方式首先請參閱圖3所示，一種氮化鎵基激光器列陣管芯的器件結(jié)構(gòu)，包括一絕緣襯底10，所述的絕緣襯底10為藍(lán)寶石襯底，藍(lán)寶石襯底的厚度為300-500 微米；一第一接觸層11，該第一接觸層11生長在絕緣襯底10上，所述的第一接觸層11 為N型氮化鎵層；一第一光限制層12，該第一光限制層12生長在第一接觸層11上面的中間，使第一 接觸層11上面的兩側(cè)形成臺面111，由于氮化鎵基激光器生長在絕緣襯底上，無法從背面 引出N電極，所以要在第一接觸層11表面形成臺面111，暴露出第一接觸層11，在上面制作 N歐姆接觸電極，所述的第一光限制層12為N型鋁鎵氮層，該第一光限制層12起到將光限 制在有源區(qū)14和波導(dǎo)層內(nèi)的作用；一第一波導(dǎo)層13，該第一波導(dǎo)層13生長在第一光限制層12上，該第一波導(dǎo)層13 的表面形成偶多個脊形21，所述的第一波導(dǎo)層13為N型氮化鎵層，該第一波導(dǎo)層13起到將 載流子限制在有源區(qū)14中的作用，同時它與第二波導(dǎo)層15、有源區(qū)14 一起構(gòu)成光波導(dǎo)；在該第一波導(dǎo)層13表面的脊形21上分別生長有源區(qū)14，所述的有源區(qū)14為銦鎵 氮多量子阱結(jié)構(gòu)；在該有源區(qū)14的上面生長有第二波導(dǎo)層15，所述第二波導(dǎo)層15為P型氮化鎵層， 該第二波導(dǎo)層15起到將載流子限制在有源區(qū)14中的作用，同時它與第一波導(dǎo)層13、有源區(qū) 14 一起構(gòu)成光波導(dǎo)；在該第二波導(dǎo)層15的上面生長有第二光限制層16，所述第二光限制層16為P型 鋁鎵氮層，該第二光限制層16起到將光限制在有源區(qū)14和波導(dǎo)層內(nèi)的作用；在該第二光限制層16的上面生長有第二接觸層17，所述第二接觸層17為P型氮 化鎵層；該第一波導(dǎo)層表面的脊形、有源區(qū)、第二波導(dǎo)層、第二光限制層、第二接觸層合稱 為脊形發(fā)光區(qū)，發(fā)光區(qū)為脊形結(jié)構(gòu)，起到了側(cè)向載流子限制和側(cè)向光場限制的作用；在該第二接觸層17的上面生長有P型歐姆接觸電極18，所述的P型歐姆接觸電極 18 為 Ni/Au、Pd/Au、Pd/Pt/Au、Pt/Au 或 Pt/Ni/Au ；在第一波導(dǎo)層13的上面和側(cè)邊，在有源區(qū)14、第二波導(dǎo)層15、第二光限制層16、第 二接觸層17和P型歐姆接觸電極18的側(cè)邊生長有絕緣層22，該絕緣層阻止空穴從脊形發(fā)光區(qū)上表面以外的區(qū)域注入，起到載流子的側(cè)向限制作用，此外由于該絕緣層的折射率比 空氣大，改變了光場側(cè)向的限制；兩個N型歐姆接觸電極沈，分別制作在第一接觸層11上面的兩側(cè)的臺面111的中 間，以使氮化鎵基激光器列陣管芯的各個脊形發(fā)光區(qū)盡可能靠近N型電極，減小串聯(lián)電阻， 同時減少由于各個脊形發(fā)光區(qū)與N電極的距離不同導(dǎo)致的各個脊形發(fā)光區(qū)的載流子分布 的不均勻；所述的N型歐姆接觸電極沈為Ti/Al/Ti/Au ；在第一接觸層11上面兩側(cè)暴露出的臺面111上生長絕緣層22，該絕緣層起到隔離 P型材料和N型歐姆電極的作用；一 P型加厚電極25，該P(yáng)型加厚電極25制作在第一波導(dǎo)層13、有源區(qū)14、第二波 導(dǎo)層15，第二光限制層16、第二接觸層17、P型歐姆接觸電極18的絕緣層22上和P型歐姆 接觸電極18的上面。所述的第一波導(dǎo)層表面的脊形21對稱分布在第一波導(dǎo)層16兩側(cè)且靠近N型歐姆 接觸電極沈，從而減小各個脊形發(fā)光區(qū)與N型歐姆接觸電極的距離的差，即減小各個脊形 發(fā)光區(qū)的串聯(lián)電阻的差別，從而使各個脊形發(fā)光區(qū)在相同的外加電壓下注入的電流密度盡 可能相同，即使得各個脊形發(fā)光區(qū)的有源區(qū)中的載流子濃度盡可能相同，以減小串聯(lián)電阻 對各個脊形發(fā)光區(qū)載流子分布的影響；脊形21的寬度為1-25 μ m，中間兩個脊形之間的距 離大于80 μ m,以制備壓焊電極點，其它脊形之間的距離為3-50 μ m。請參閱圖1及圖2，同時結(jié)合參閱圖3所示，本發(fā)明一種氮化鎵基激光器列陣管芯 的器件結(jié)構(gòu)的制作方法，包括如下步驟步驟1 在絕緣襯底10上依次外延生長第一接觸層11、第一光限制層12、第一波 導(dǎo)層13、有源區(qū)14、第二波導(dǎo)層15、第二光限制層16和第二接觸層17，形成氮化鎵基激光 器列陣管芯的外延結(jié)構(gòu)；所述的絕緣襯底10為藍(lán)寶石襯底，藍(lán)寶石襯底的厚度為300-500 微米；其中在絕緣襯底10上外延生長的方法是金屬化學(xué)有機(jī)氣相沉積方法或分子束外延 方法；所述的第一接觸層11為N型氮化鎵層；所述第二接觸層17為P型氮化鎵層；所述的 第一光限制層12為N型鋁鎵氮層，第二光限制層16為P型鋁鎵氮層；該第一光限制層12、 第二光限制層16起到將光限制在有源區(qū)和波導(dǎo)層內(nèi)的作用；所述的第一波導(dǎo)層13為N型 氮化鎵層，第二波導(dǎo)層15為P型氮化鎵層；該第一波導(dǎo)層13、第二波導(dǎo)層15起到將載流子 限制在有源區(qū)中的作用，同時它們與有源區(qū)一起構(gòu)成光波導(dǎo)；所述的有源區(qū)14為銦鎵氮多 量子阱結(jié)構(gòu)；步驟2 在外延結(jié)構(gòu)的第二接觸層17上制備P型歐姆接觸電極18，所述的P型歐 姆接觸電極 18 為 Ni/Au、Pd/Au、Pd/Pt/Au、Pt/Au 或 Pt/Ni/Au ；步驟3 在制備了 P型歐姆接觸電極18的外延結(jié)構(gòu)上刻蝕出脊形發(fā)光區(qū)，刻蝕深 度不超過第一波導(dǎo)層13，其中所述的脊形發(fā)光區(qū)包括第一波導(dǎo)層表面的脊形、有源區(qū)、第 二波導(dǎo)層、第二光限制層、第二接觸層；由于各個脊形發(fā)光區(qū)之間的有源區(qū)14、第二波導(dǎo)層 15、第二光限制層16、第二接觸層17和P型歐姆接觸電極18被刻斷，載流子不能在各個脊 形發(fā)光區(qū)之間遷移，從而阻斷了載流子的側(cè)向擴(kuò)展，保證了各個脊形發(fā)光區(qū)的有源區(qū)中載 流子濃度的一致；刻蝕出脊形發(fā)光區(qū)所用的技術(shù)為離子束刻蝕技術(shù)(IBE)；步驟4:將刻蝕形成脊形發(fā)光區(qū)的外延結(jié)構(gòu)的兩側(cè)進(jìn)行刻蝕，刻蝕度到第一接觸 層11的表面，形成臺面111 ；其中所述的刻蝕形成臺面111所用的技術(shù)為感應(yīng)耦合等離子(ICP)刻蝕技術(shù)或離子束刻蝕技術(shù)(IBE)；步驟5 在刻蝕形成脊形發(fā)光區(qū)21和形成臺面111的外延結(jié)構(gòu)的表面制備絕緣層 22，所述的絕緣層22為二氧化硅絕緣薄膜，二氧化硅絕緣薄膜的厚度為0. 1-0. 5微米；步驟6 在臺面111的中間開有N型歐姆接觸電極窗口 M，在N型歐姆接觸電極窗 口 M制備N型歐姆接觸電極沈，所述的N型歐姆接觸電極沈為Ti/Al/Ti/Au ；步驟7 在脊形發(fā)光區(qū)上的絕緣層22上開有P型加厚電極窗口 23，所述的P型加 厚電極窗口 23長度和寬度不超過脊形發(fā)光區(qū)上表面的長度和寬度；在第一波導(dǎo)層13、有源 區(qū)14、第二波導(dǎo)層15、第二光限制層16、第二接觸層17、P型歐姆接觸電極18的絕緣層22 上和P型加厚電極窗口 23上制備P型加厚電極25，所述的P型加厚電極25為Ti/Au。步驟8 將絕緣襯底10從背面減薄，減薄的厚度到40-120微米；步驟9 解理分割，形成單個列陣激光器的管芯。所述的脊形發(fā)光區(qū)對稱分布在第一波導(dǎo)層13兩側(cè)且靠近N型歐姆接觸電極沈，從 而減小各個脊形發(fā)光區(qū)與N型歐姆接觸電極的距離的差，即減小各個脊形發(fā)光區(qū)的串聯(lián)電 阻的差別，從而使各個脊形發(fā)光區(qū)在相同的外加電壓下注入的電流密度盡可能相同，即使 得各個脊形發(fā)光區(qū)的有源區(qū)中的載流子濃度盡可能相同，以減小串聯(lián)電阻對各個脊形發(fā)光 區(qū)載流子分布的影響；脊形發(fā)光區(qū)的寬度為1_25μπι，中間兩個脊形發(fā)光區(qū)之間的距離大 于80 μ m，用以制備壓焊電極點，其它脊形發(fā)光區(qū)之間的距離為3-50 μ m。其中所述的臺面111包括N型歐姆接觸電極區(qū)、N型歐姆接觸電極與P型材料之 間的隔離區(qū)和管芯之間的分割道區(qū)19、20，腔面位置處兩個管芯之間的分割道19寬度為 40 μ m,與腔面垂直的側(cè)邊兩個管芯之間的分割道20寬度為80 μ m。其中所述的解理分割激光器管芯的方法為在藍(lán)寶石襯底背面，沿腔面方向的分割 道中間劃出解理導(dǎo)向溝槽。然后用裂片機(jī)將激光器管芯沿劃好的導(dǎo)向槽解理成條。然后在 藍(lán)寶石背面沿垂直于腔面的方向的分割道的中間劃出溝槽，用裂片機(jī)將激光器管芯的列陣 條分割，形成單個的激光器管芯。本發(fā)明解決了絕緣襯底上共面電極氮化鎵基激光器列陣管芯的串聯(lián)電阻和載流 子側(cè)向擴(kuò)展所帶來的問題，實現(xiàn)了氮化鎵基列陣激光器各個脊形發(fā)光區(qū)同時激射，實現(xiàn)了 大的功率輸出。
權(quán)利要求
1.一種氮化鎵基激光器列陣管芯的器件結(jié)構(gòu)，包括 一絕緣襯底；一第一接觸層，該第一接觸層生長在絕緣襯底上；一第一光限制層，該第一光限制層生長在第一接觸層上面的中間，使第一接觸層上面 的兩側(cè)形成臺面；一第一波導(dǎo)層，該第一波導(dǎo)層生長在第一光限制層上，該第一波導(dǎo)層的表面形成偶多 個脊形；在該第一波導(dǎo)層表面的脊形上分別生長有源區(qū)； 在該有源區(qū)的上面生長有第二波導(dǎo)層； 在該第二波導(dǎo)層的上面生長有第二光限制層； 在該第二光限制層的上面生長有第二接觸層；該第一波導(dǎo)層表面的脊形、有源區(qū)、第二波導(dǎo)層、第二光限制層和第二接觸層合稱為脊 形發(fā)光區(qū)；在該第二接觸層的上面生長有P型歐姆接觸電極；在第一波導(dǎo)層的上面及側(cè)邊，在有源區(qū)、第二波導(dǎo)層、第二光限制層、第二接觸層和P 型歐姆接觸電極的側(cè)邊生長有絕緣層；兩個N型歐姆接觸電極，分別制作在第一接觸層上面的兩側(cè)臺面的中間； 在第一接觸層上面兩側(cè)暴露出的臺面上生長絕緣層；一 P型加厚電極，該P(yáng)型加厚電極制作在第一波導(dǎo)層、有源層、第二波導(dǎo)層、第二光限制 層、第二接觸層、P型歐姆接觸電極的絕緣層上和P型歐姆接觸電極的上面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鎵基激光器列陣管芯的器件結(jié)構(gòu)，其中所述的絕緣襯底 為藍(lán)寶石襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鎵基激光器列陣管芯的器件結(jié)構(gòu)，其中所述的第一接觸 層為N型氮化鎵層，第二接觸層為P型氮化鎵層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鎵基激光器列陣管芯的器件結(jié)構(gòu)，其中所述的第一光限 制層為N型鋁鎵氮層，第二光限制層為P型鋁鎵氮層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鎵基激光器列陣管芯的器件結(jié)構(gòu)，其中所述的第一波導(dǎo) 層為N型氮化鎵層，第二波導(dǎo)層為P型氮化鎵層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鎵基激光器列陣管芯的器件結(jié)構(gòu)，其中所述的有源區(qū)為 銦鎵氮多量子阱結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鎵基激光器列陣管芯的器件結(jié)構(gòu)，其中所述的脊形對稱 分布在第一波導(dǎo)層兩側(cè)且靠近N型歐姆接觸電極，以減小串聯(lián)電阻對各個脊形發(fā)光區(qū)載流 子分布的影響；脊形的寬度為1_25μπι，中間兩個脊形之間的距離大于80μπι，其它脊形之 間的距離為3-50 μ m。
8.一種氮化鎵基激光器列陣管芯的器件結(jié)構(gòu)的制作方法，包括如下步驟步驟1 在絕緣襯底上依次外延生長第一接觸層、第一光限制層、第一波導(dǎo)層、有源區(qū)、 第二波導(dǎo)層、第二光限制層和第二接觸層，形成氮化鎵基激光器列陣管芯的外延結(jié)構(gòu)； 步驟2 在外延結(jié)構(gòu)的第二接觸層上制備P型歐姆接觸電極；步驟3 在制備了 P型歐姆接觸電極的外延結(jié)構(gòu)上刻蝕出脊形發(fā)光區(qū)，刻蝕深度不超過第一波導(dǎo)層；步驟4:將刻蝕形成脊形發(fā)光區(qū)的外延結(jié)構(gòu)的兩側(cè)進(jìn)行刻蝕，刻蝕度到第一接觸層的 表面，形成臺面；步驟5 在刻蝕形成脊形發(fā)光區(qū)和形成臺面的外延結(jié)構(gòu)的表面制備絕緣層；步驟6 在臺面的中間開有N型歐姆接觸電極窗口，在N型歐姆接觸電極窗口制備N型 歐姆接觸電極；步驟7 在脊形發(fā)光區(qū)上的絕緣層上開有P型加厚電極窗口，在第一波導(dǎo)層、有源區(qū)、第 二波導(dǎo)層、第二光限制層、第二接觸層、P型歐姆接觸電極的絕緣層上和P型加厚電極窗口 上制備P型加厚電極；步驟8 將絕緣襯底從背面減??；步驟9 解理分割，形成單個列陣激光器的管芯。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氮化鎵基激光器列陣管芯的器件結(jié)構(gòu)的制作方法，其中所述 的絕緣襯底為藍(lán)寶石襯底。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氮化鎵基激光器列陣管芯的器件結(jié)構(gòu)的制作方法，其中所 述的第一接觸層為N型氮化鎵層，第二接觸層為P型氮化鎵層。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氮化鎵基激光器列陣管芯的器件結(jié)構(gòu)的制作方法，其中所 述的第一光限制層為N型鋁鎵氮層，第二光限制層為P型鋁鎵氮層。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氮化鎵基激光器列陣管芯的器件結(jié)構(gòu)的制作方法，其中所 述的第一波導(dǎo)層為N型氮化鎵層，第二波導(dǎo)層為P型氮化鎵層。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氮化鎵基激光器列陣管芯的器件結(jié)構(gòu)的制作方法，其中所 述的有源區(qū)為銦鎵氮多量子阱結(jié)構(gòu)。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氮化鎵基激光器列陣管芯的器件結(jié)構(gòu)的制作方法，其中所 述的脊形發(fā)光區(qū)包括第一波導(dǎo)層表面的脊形、有源區(qū)、第二波導(dǎo)層、第二光限制層、第二接 觸層。
15.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氮化鎵基激光器列陣管芯的器件結(jié)構(gòu)的制作方法，其中所 述的脊形發(fā)光區(qū)對稱分布在第一波導(dǎo)層兩側(cè)且靠近N型歐姆接觸電極，以減小串聯(lián)電阻對 各個脊形發(fā)光區(qū)載流子分布的影響；脊形發(fā)光區(qū)的寬度為1_25μπι，中間兩個脊形發(fā)光區(qū) 之間的距離大于80 μ m,其它脊形發(fā)光區(qū)之間的距離為3-50 μ m。
16.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氮化鎵基激光器列陣管芯的器件結(jié)構(gòu)的制作方法，其中在 絕緣襯底上外延生長的方法是金屬化學(xué)有機(jī)氣相沉積方法或分子束外延方法。
全文摘要
一種氮化鎵基激光器列陣管芯的器件結(jié)構(gòu)，包括一絕緣襯底；在該絕緣襯底上依次生長第一接觸層、第一光限制層、第一波導(dǎo)層；在該第一波導(dǎo)層表面的脊形上分別生長有源區(qū)；在該有源區(qū)的上面生長有第二波導(dǎo)層、第二光限制層、第二接觸層、P型歐姆接觸電極；該第一波導(dǎo)層上面及側(cè)邊，在有源區(qū)、第二波導(dǎo)層、第二光限制層、第二接觸層和P型歐姆接觸電極的側(cè)邊生長有絕緣層；兩個N型歐姆接觸電極，分別制作在第一接觸層上面的兩側(cè)臺面的中間；在第一接觸層上面兩側(cè)暴露出的臺面上生長絕緣層；一P型加厚電極，該P(yáng)型加厚電極制作在第一波導(dǎo)層、有源區(qū)、第二波導(dǎo)層、第二光限制層、第二接觸層、P型歐姆接觸電極的絕緣層上和P型歐姆接觸電極的上面。
文檔編號H01S5/227GK102074894SQ20091024154
公開日2011年5月25日 申請日期2009年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月25日
發(fā)明者劉宗順, 季蓮, 張書明, 楊輝 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所