氮化鎵同質(zhì)襯底上激光器量子阱有源區(qū)的同溫生長(zhǎng)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子器件領(lǐng)域，特別是一種氮化鎵同質(zhì)襯底上激光器量子阱有源區(qū)外延過(guò)程中的同溫生長(zhǎng)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在氮化物激光器材料結(jié)構(gòu)的外延生長(zhǎng)過(guò)程中，有源區(qū)中的量子阱結(jié)構(gòu)和界面控制是影響阱內(nèi)載流子發(fā)光復(fù)合效率的關(guān)鍵技術(shù)。
[0003]目前由于氮化鎵同質(zhì)襯底的技術(shù)還不是特別成熟，很多的氮化鎵同質(zhì)襯底都是采用氫化物氣相外延(Hydride Vapor Phase Epitaxy, HVPE)技術(shù)在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)并剝離而成，存在著很大的應(yīng)力。在采用藍(lán)寶石襯底和氮化鎵同質(zhì)襯底進(jìn)行激光器結(jié)構(gòu)材料外延生長(zhǎng)的過(guò)程中，襯底溫度在垂直于襯底表面方向上分布的不均勻以及外延材料和襯底之間的晶格失配和熱失配導(dǎo)致的應(yīng)力會(huì)使得襯底連同襯底上面的激光器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生翹曲，而且不同溫度下的翹曲程度還不一樣。對(duì)于藍(lán)寶石襯底，由于單片襯底是由高質(zhì)量的藍(lán)寶石晶體切割而成，應(yīng)力較小，且激光器結(jié)構(gòu)中的AlGaN限制層和藍(lán)寶石之間存在熱失配，在生長(zhǎng)溫度降低至有源區(qū)所需的生長(zhǎng)溫度的過(guò)程中，AlGaN層產(chǎn)生的張應(yīng)力和藍(lán)寶石襯底產(chǎn)生的壓應(yīng)力相互部分抵消，因此藍(lán)寶石襯底在降溫生長(zhǎng)有源區(qū)時(shí)的翹曲程度相對(duì)較弱；但是對(duì)于氮化鎵同質(zhì)襯底，在藍(lán)寶石襯底上進(jìn)行HVPE外延生長(zhǎng)GaN厚膜并剝離這一制備過(guò)程中已經(jīng)產(chǎn)生了很大的應(yīng)力，并且同質(zhì)襯底和外延層之間不存在明顯的熱失配，AlGaN層產(chǎn)生的張應(yīng)力無(wú)法消除，因此，襯底在生長(zhǎng)過(guò)程中的翹曲程度更加嚴(yán)重。
[0004]襯底及激光器外延結(jié)構(gòu)隨生長(zhǎng)溫度不同而產(chǎn)生的翹曲，會(huì)改變外延片不同位置的溫度分布和氣流分布，使得外延片上各個(gè)位置的生長(zhǎng)速率、In組分的并入、雜質(zhì)濃度、外延層厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)產(chǎn)生差異，各個(gè)位置處加工出來(lái)的激光器的激射中心波長(zhǎng)、閾值電流/電壓、輸出功率等器件性能參數(shù)差異更大，整個(gè)外延片的均勻性、一致性和器件的成品率顯著降低。
[0005]在量子阱有源區(qū)的生長(zhǎng)過(guò)程中，襯底翹曲的不利影響更為嚴(yán)重。當(dāng)采用傳統(tǒng)的雙溫量子阱生長(zhǎng)方法時(shí)，阱層和皇層的生長(zhǎng)溫度不同，在阱層和皇層生長(zhǎng)過(guò)程中，氮化鎵同質(zhì)襯底由于在垂直方向上溫度分布不均勻產(chǎn)生的應(yīng)力和AlGaN層熱失配產(chǎn)生的張應(yīng)力大小不同，氮化鎵襯底及外延生長(zhǎng)的激光器結(jié)構(gòu)的翹曲程度不同，導(dǎo)致量子阱的皇層和阱層的界面不夠陡峭，阱層的厚度產(chǎn)生起伏，界面態(tài)密度升高，量子阱的發(fā)光復(fù)合幾率下降，使得激光器的量子效率下降。
[0006]針對(duì)雙溫量子阱生長(zhǎng)方法的不足，我們提出了本發(fā)明中的同溫量子阱生長(zhǎng)方法，使得阱層和皇層在同樣的溫度下生長(zhǎng)，生長(zhǎng)過(guò)程中襯底溫度在垂直方向上的分布、AlGaN層產(chǎn)生的張應(yīng)力的情況相同，氮化鎵襯底及外延生長(zhǎng)的激光器結(jié)構(gòu)因溫度產(chǎn)生的翹曲程度相同，量子阱的阱層和皇層也相應(yīng)地存在同樣的翹曲程度。雖然不能避免外延片整體的翹曲，但是由于阱層和皇層的翹曲情況保持一致，量子阱界面的平整度和陡峭度沒(méi)有被破壞，因此避免了由于界面陡峭程度下降導(dǎo)致的載流子發(fā)光復(fù)合幾率下降的問(wèn)題，在采用同等質(zhì)量的氮化鎵襯底的前提下有效地提高了激光器的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明主要目的在于提供一種氮化鎵同質(zhì)襯底上激光器量子阱有源區(qū)外延過(guò)程中的同溫生長(zhǎng)方法，在同樣的溫度下外延生長(zhǎng)量子阱中的阱層和皇層，降低傳統(tǒng)的雙溫生長(zhǎng)方法中由于阱層和皇層的生長(zhǎng)溫度不同導(dǎo)致的襯底翹曲程度的變化，以及與此相關(guān)的量子阱界面平整度的下降和有源區(qū)內(nèi)載流子發(fā)光復(fù)合效率的下降。
[0008]本發(fā)明提供一種氮化鎵同質(zhì)襯底上激光器量子阱有源區(qū)的同溫生長(zhǎng)方法，包括:
[0009]步驟1、在氮化鎵同質(zhì)襯底的下表面制作η型歐姆電極；
[0010]步驟2、在氮化鎵同質(zhì)襯底的上表面制作η型同質(zhì)外延層；
[0011]步驟3、在η型同質(zhì)外延層之上制作η型AlGaN限制層；
[0012]步驟4、在η型AlGaN限制層之上制作η型GaN波導(dǎo)層；
[0013]步驟5、在η型GaN波導(dǎo)層之上制作InGaN/GaN量子阱有源區(qū)；
[0014]步驟6、在InGaN/GaN量子阱有源區(qū)之上制作P型AlGaN電子阻擋層；
[0015]步驟7、在P型AlGaN電子阻擋層之上制作P型GaN波導(dǎo)層；
[0016]步驟8、在P型GaN波導(dǎo)層之上制作P型AlGaN限制層；
[0017]步驟9、在P型AlGaN限制層之上制作P型摻雜/p型重?fù)浇佑|層；
[0018]步驟10、在P型摻雜/p型重?fù)浇佑|層的上表面制作P型歐姆電極；
[0019]步驟11、從P型摻雜/p型重?fù)浇佑|層的上表面開(kāi)始制作脊型結(jié)構(gòu)，向下刻蝕至P型AlGaN限制層的上下表面之間，形成脊型結(jié)構(gòu)。
[0020]本發(fā)明的關(guān)鍵在于采用同樣的生長(zhǎng)溫度在氮化鎵同質(zhì)襯底上外延生長(zhǎng)激光器量子阱有源區(qū)的阱層和皇層。由于生長(zhǎng)溫度相同，所以在阱層和皇層外延生長(zhǎng)過(guò)程中氮化鎵襯底和激光器結(jié)構(gòu)材料的翹曲程度相同，與采用傳統(tǒng)的雙溫生長(zhǎng)方法時(shí)阱層和皇層生長(zhǎng)溫度不同導(dǎo)致的翹曲程度不同、量子阱界面的陡峭度和平整度下降相比，同溫生長(zhǎng)過(guò)程中雖然氮化鎵襯底和激光器結(jié)構(gòu)也存在翹曲，但是阱層和皇層的翹曲程度保持一致，量子阱的界面不容易產(chǎn)生明顯的起伏，從微觀結(jié)構(gòu)來(lái)看量子阱仍然能夠保持較好的界面平整度，因此與雙溫生長(zhǎng)方法相比可以提高阱內(nèi)載流子的發(fā)光復(fù)合幾率，并提高激光器的性能。此外，由于在有源區(qū)生長(zhǎng)過(guò)程中襯底的翹曲程度保持不變，整個(gè)外延片上的氣流分布、生長(zhǎng)速率、In組分并入、雜質(zhì)濃度等生長(zhǎng)參數(shù)均相應(yīng)地保持較高的一致性，從而提高了外延片整體的均勻性和一致性。利用本發(fā)明中所述的同溫方法生長(zhǎng)的激光器結(jié)構(gòu)外延片，經(jīng)過(guò)工藝加工研制出的GaN基激光器，在閾值電流/電壓、激射中心波長(zhǎng)、輸出功率等性能參數(shù)方面也能保持更好的一致性，從而提高了從外延片到激光器的成品率。
【附圖說(shuō)明】
[0021]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下參照附圖，并結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，其中:
[0022]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖2是襯底不同的翹曲程度導(dǎo)致激光器有源區(qū)的量子阱界面出現(xiàn)起伏的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖3是分別采用傳統(tǒng)的雙溫量子阱生長(zhǎng)方法和本發(fā)明中所述的同溫量子阱生長(zhǎng)方法制備的激光器實(shí)際測(cè)試性能的對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0026]請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種在氮化鎵同質(zhì)襯底上激光器量子阱有源區(qū)的同溫生長(zhǎng)方法，包括:
[0027]步驟1、在氮化鎵同質(zhì)襯底102的下表面制作η型歐姆電極101 ;其中，氮化鎵襯底為η型摻雜的自支撐氮化鎵材料，厚度為200-1000 μ mo
[0028]步驟2、在氮化鎵同質(zhì)襯底102的上表面制作η型同質(zhì)外延層103，該η型GaN同質(zhì)外延層103為摻Si的η型GaN，厚度為1_10 μ m。
[0029]步驟3、在η型同質(zhì)外延層103之上制作η型AlGaN限制層104，該η型AlGaN限制層104為摻Si的η型AlGaN, Al組分為0.08，厚度為0.3-1 μ m。
[0030]步驟4、在η型AlGaN限制層104之上制作η型GaN波導(dǎo)層105，該η型GaN波導(dǎo)層105為摻Si的η型GaN，厚度為50-300 μ m。
[0031]步驟5、在η型GaN波導(dǎo)層105之上制作InGaN/GaN量子阱有源區(qū)106，該InGaN/GaN量子阱有源區(qū)106為非故意摻雜或輕摻Si的InGaN/GaN，量子阱的數(shù)目為1_5個(gè)；阱層為InGaN材料，In組分為0.01-1，厚度為1-1Onm ;皇層為GaN、InGaN或AlGaN，InGaN中的In組分和AlGaN中的Al組分為0-0.9，厚度為5_30nm。其中，量子阱有源區(qū)的制作過(guò)程如下:將生長(zhǎng)溫度設(shè)定為650-850°C之間的溫度，在η型GaN波導(dǎo)層105之上周期交替生長(zhǎng)阱層和皇層，阱層和皇層在相同的溫度下外延生長(zhǎng)。
[0032]步驟6、在InGaN/GaN量子阱有源區(qū)106之上制作p型AlGaN電子阻擋層107，該P(yáng)型AlGaN電子阻擋層107為摻Mg的p型AlGaN，厚度為5_40nm，Al組分為0.1-0.3。
[0033]步驟7、在P型AlGaN電子阻擋層107之上制作p型GaN波導(dǎo)層108，該p型GaN波導(dǎo)層108為摻Mg的P型GaN，厚度為30_300nm。
[0034]步驟8、在P型GaN波導(dǎo)層108之上制作p型AlGaN限制層109，該p型AlGaN限制層109為摻Mg的P型AlGaN, Al組分為0.08，厚度為0.3-1 μ m。
[0035]步驟9、在P型AlGaN限制層109之上制作p型摻雜/p型重?fù)浇佑|層110，該p型摻雜/p型重?fù)浇佑|層110為P型摻雜和P型重?fù)诫s的復(fù)合結(jié)構(gòu)；p型摻雜層為摻Mg的P型GaN，厚度為lO-lOOnm，Mg摻雜濃度為I X 119-1 X 1020cm^3；p型重?fù)诫s層為重?fù)诫sMg的P型GaN或P型InGaN層，厚度小于p型摻雜層，為5_50nm，Mg摻雜濃度高于P型摻雜層，為 I X