GaN基激光器和超辐射发光二极管及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种GaN基激光器和超辐射发光二极管及其制备方法。所述激光器和超辐射发光二极管的脊型结构通过外延生长直接形成，其包括表面分布有条形台阶结构的衬底，设置在所述衬底上并包覆所述条形台阶结构的、具有脊型结构的外延层，所述外延层包括依次于衬底上形成的下接触层、下限制层、下波导层、有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层和上接触层。本发明专利技术通过在衬底上形成窗口区或预先刻蚀形成台阶结构的方法，直接在衬底上生长激光器和超辐射发光二极管脊型，脊型结构的两侧生长有光学限制层，不仅可有效提升器件的横向限制，降低器件的阈值电流，同时还可省去刻蚀操作，从而避免刻蚀损伤，进一步降低器件阈值电流，提高器件可靠性。

GaN base laser and super radiation light-emitting diode and preparation method thereof

The invention discloses a GaN base laser and an ultra luminescent diode and a preparation method thereof. The laser and ridge structure superluminescent diodes formed by epitaxial growth, including surface distribution of substrate step shaped structure, is disposed on the substrate and coating the strip structure, step epitaxial layer having ridge structure, the epitaxial layer on a substrate includes forming under the the contact layer and the lower limiting layer, a waveguide layer, an active layer, a waveguide layer, electron barrier layer, the upper limiting layer and the contact layer. The present invention by forming a window region on the substrate or pre etching step structure forming method, directly grown on the substrate and laser superluminescent diode ridge, on both sides of the ridge structure growth limiting layer not only can effectively improve the transverse optical limiting device, reduce the threshold current of the device, but also can save the etching operation thus, to avoid the etching damage, further reducing the threshold current, improve the reliability of the device.

【技术实现步骤摘要】
GaN基激光器和超辐射发光二极管及其制备方法
本专利技术涉及一种半导体激光器和超辐射发光二极管及其制备方法，特别涉及一种具有脊形波导结构的GaN基激光器和超辐射发光二极管及其制备方法，属于半导体光电

技术介绍
III-V族氮化物半导体被称为第三代半导体材料，具有禁带宽度大，化学稳定性好，抗辐照性强等优点；其禁带宽度涵盖整个可见光范围，因此可用于制作半导体发光器件，如发光二极管、激光器和超辐射发光二极管等。基于III-V族氮化物半导体的激光器和超辐射发光二极管具有制作简单，体积小，重量轻，寿命长，效率高等优点，在光通信、光泵浦、光存储和激光显示等领域得到了广泛应用。相对于GaAs或InP基材料，GaN基材料的化学稳定性好，耐酸碱，不易腐蚀，因此对GaN基脊型激光器和超辐射发光二极管，脊型需干法刻蚀形成。由于干法刻蚀通常会引入表面态和缺陷，这些表面态和缺陷会成为漏电通道，影响器件的可靠性和稳定性。为减少刻蚀损伤的影响，通常在刻蚀处沉积介质膜来钝化表面态和缺陷，然而介质膜通常与氮化物之间晶格失配和热失配较大，无法完全钝化刻蚀损伤。为减少刻蚀损伤的影响，常规激光器和超辐射发光二极管基本都采用浅刻蚀，通常只刻蚀到上限制层，然而刻蚀损伤仍然会影响激光器特性。由于激光器和超辐射发光二极管采用浅刻蚀只刻蚀到上限制层，残留的上限制层、上波导层和量子阱将会成为光波导，使光场发生泄漏，从而导致横向限制减弱，因此导致激光器和超辐射发光二极管光斑的横向发散角很小，纵横比较大，呈现椭圆形，影响光斑的耦合等。又及，激光器和超辐射发光二极管上限制层通常为AlGaN/GaN超晶格结构，由于极化效应，超晶格界面处GaN中存在二维空穴气，导致超晶格的横向传输电阻较小，远小于其纵向传输电阻，因此没有被完全刻蚀的上限制层会充当电流扩展通道，从脊型注入的空穴易在此处发生横向扩展，扩展到脊型以外的电流与光场不重合，无法产生增益，对激光器激射无帮助，等同于泄漏电流，导致电流注入效率降低，激光器和超辐射发光二极管的阈值电流增加，器件性能恶化。此外，激光器和超辐射发光二极管中的功能层都均匀连续生长在异质衬底上，随着衬底尺寸增加，激光器和超辐射发光二极管中的应力逐渐增加，易导致外延片翘曲过大，不利于后续器件工艺制作，同时影响器件良率；当应力足够大时还会在外延片中产生裂纹，严重影响器件性能和良率。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种GaN基激光器和超辐射发光二极管及其制备方法，以克服现有技术中的不足。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：在一些实施例中，提供了一种GaN基激光器和超辐射发光二极管，其包括表面分布有条形台阶结构的衬底以及具有脊型结构的外延层，所述外延层设置在所述衬底上并包覆所述条形台阶结构，且所述外延层包括依次于衬底上形成的下接触层、下限制层、下波导层、量子阱有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层和上接触层。在一些实施例中还提供了一种制备GaN基激光器和超辐射发光二极管的方法，其包括：提供表面分布有条形台阶结构的衬底，在所述衬底上依次生长下接触层、下限制层、下波导层、量子阱有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层和上接触层，从而形成包覆所述条形台阶结构的、具有脊型结构的外延层。较之现有技术，本专利技术的优点包括：通过在衬底上形成窗口区或预先刻蚀形成台阶的方法，直接在衬底上生长激光器和超辐射发光二极管脊型结构，脊型结构的两侧生长有光学限制层，不仅可有效提升器件的横向限制，降低器件的阈值电流，同时还可省去刻蚀操作，从而避免刻蚀损伤，进一步降低器件的阈值电流，提高器件可靠性。附图说明图1是本专利技术一典型实施例中在衬底上生长GaN薄膜的示意图；图2是本专利技术一典型实施例中经过光刻刻蚀露出窗口区之后的外延片的示意图；图3是本专利技术一典型实施例中经过二次外延之后的GaN薄膜的示意图；图4是本专利技术一典型实施例中生长器件结构之后的外延片的示意图；图5是本专利技术另一典型实施例中表面有条形台阶结构衬底的示意图；图6是本专利技术另一典型实施例中生长器件结构之后的外延片的示意图；附图标记说明：衬底1，GaN层2，介质膜3，二次外延的GaN层4，下接触层5，下限制层6，下波导层7，量子阱有源区8，上波导层9，电子阻挡层10，上限制层11，上接触层12。具体实施方式鉴于现有技术中的不足，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。本专利技术的一个方面提供了GaN基激光器和超辐射发光二极管，其包括表面分布有条形台阶结构的衬底以及设置在所述衬底上并包覆所述条形台阶结构的、具有脊型结构的外延层，所述外延层包括依次于衬底上形成的下接触层、下限制层、下波导层、量子阱有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层和上接触层。本专利技术的另一个方面还提供了一种制作GaN基激光器和超辐射发光二极管的方法，其包括：提供表面分布有条形台阶结构的衬底。在所述衬底上依次生长下接触层、下限制层、下波导层、量子阱有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层和上接触层，从而形成包覆所述条形台阶结构的、具有脊型结构的外延层。在一些实施例中，所述上、下接触层，上、下限制层和上、下波导层的材料包括Alx1Iny1Ga1-x1-y1N，其中，x1和y1均大于或等于0，而小于或等于1，0≤(x1+y1)≤1。在一些实施例中，所述量子阱有源层的材料包括Alx2Iny2Ga1-x2-y2N/Alx3Iny3Ga1-x3-y3N，x2、y2，x3和y3均大于或等于0，而小于或等于1，且(x2+y2)和(x3+y3)均大于或等于0，而小于或等于1。在一些较为具体的实施例中，所述外延层包括从下向上依次设置的n-GaN下接触层、n-AlGaN/GaN超晶格下限制层、n-InGaN下波导层、InGaN/GaN量子阱有源层、u-InGaN上波导层、p-AlGaN电子阻挡层、p-AlGaN/GaN超晶格上限制层，以及p-GaN上接触层。较为优选的，所述外延层中至少一结构层完全包覆设置于其下方的至少一结构层。尤为优选的，所述外延层中的任一结构层均完全包覆分布于其下方的各结构层。较为优选的，所述衬底上条形台阶结构的宽度为0.5μm～20μm，高度大于0而小于或等于100μm。在一些实施例中，所述条形台阶结构是通过对所述衬底表面进行物理或化学刻蚀而形成。或者，在一些实施例中，所述条形台阶结构是通过沉积介质膜等方法形成窗口区，进行选区外延生长形成。其中，所述衬底的材质包括GaN、AlN、蓝宝石、SiC、Si中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。在一些实施例中，所述的制作方法可以包括：对所述衬底表面进行物理或化学刻蚀，从而形成所述条形台阶结构。在一些实施例中，所述的制作方法可以包括：通过沉积介质膜等方法形成窗口区，进行选区外延生长形成所述条形台阶结构。优选的，所述选区外延生长工艺采用的掩膜材料包括氧化硅(SiOx)、氮化硅(SiNx)、SiON和W中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。在一些较佳实施例中，所述的制作方法包括：在高温、低压和高V/III生长条件下生长形成所述外延层，其中温度范围为700℃～1100℃，压力范围为50Torr～500Torr，V/本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种GaN基激光器和超辐射发光二极管，其特征在于包括表面分布有条形台阶结构的衬底以及具有脊型结构的外延层，所述外延层设置在所述衬底上并包覆所述条形台阶结构，且所述外延层包括依次于衬底上形成的下接触层、下限制层、下波导层、量子阱有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层和上接触层。

【技术特征摘要】
1.一种GaN基激光器和超辐射发光二极管，其特征在于包括表面分布有条形台阶结构的衬底以及具有脊型结构的外延层，所述外延层设置在所述衬底上并包覆所述条形台阶结构，且所述外延层包括依次于衬底上形成的下接触层、下限制层、下波导层、量子阱有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层和上接触层。2.根据权利要求1所述的GaN基激光器和超辐射发光二极管，其特征在于所述上、下接触层，上、下限制层和上、下波导层的材料包括Alx1Iny1Ga1-x1-y1N，其中，x1和y1均大于或等于0，而小于或等于1，0≤(x1+y1)≤1；和/或，所述量子阱有源层的材料包括Alx2Iny2Ga1-x2-y2N/Alx3Iny3Ga1-x3-y3N，x2、y2，x3和y3均大于或等于0，而小于或等于1，且(x2+y2)和(x3+y3)均大于或等于0，而小于或等于1。3.根据权利要求1或2所述的GaN基激光器和超辐射发光二极管，其特征在于：所述外延层中至少一结构层完全包覆设置于其下方的至少一结构层；优选的，所述外延层中的任一结构层均完全包覆分布于其下方的各结构层。4.根据权利要求1所述的GaN基激光器和超辐射发光二极管，其特征在于：所述条形台阶结构的宽度为0.5μm～20μm，高度大于0而小于或等于100μm；和/或，所述条形台阶结构是通过对所述衬底表面进行物理或化学刻蚀而形成；和/或，所述条形台阶结构是通过掩膜采用选区外延生长工艺于所述衬底表面生长形成，所述选区外延生长工艺采用的掩膜材料包括氧化硅、氮化硅、SiON和W中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述衬底的材质包括GaN、AlN、蓝宝石、SiC、Si中的任意一种或两种以上的组合。5.一种GaN基激光器和超辐射发光二极管的制备方法，其特征在于包括：...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙钱，冯美鑫，周宇，杨辉，池田昌夫，刘建平，张书明，李德尧，张立群，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32