一种GaN基蓝绿光激光二极管器件及制作方法技术

本发明专利技术涉及一种GaN基蓝绿光激光二极管器件，包括由下而上设置的第二衬底、GaN基外延层和N电极，在GaN基外延层的P型面为周期性的脊波导条状结构，在所述脊波导条状结构的表面设置有有P电极，所述P电极宽度小于脊波导条状结构表面的宽度，所述P电极也呈脊波导条状，所述P电极包括底面和倾斜阶梯侧边，所述P电极的底面与所述第二衬底相连，所述P电极的倾斜阶梯侧边与所述第二衬底通过焊接层相连。本发明专利技术还涉及一种如上述GaN基蓝绿光激光二极管器件的制作方法。本发明专利技术与现有不导电衬底激光二极管平面电极结构相比，采用LED芯片换衬底工艺技术，制备出上下电极的倒装衬底结构的激光器二极管。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，属于利用非同质衬底外延薄膜制备激光二极管的
。
技术介绍
作为一种化合物半导体材料，GaN材料具有许多硅基半导体材料所不具备的优异性能，包括能够满足大功率、高温高频和高速半导体器件的工作要求。其中GaN区别于第一和第二代半导体材料最重要的物理特点是具有更宽的禁带，可以发射波长比红光更短的蓝绿光。 GaN半导体材料的商业应用研究开始于1970年，其在高频和高温条件下能够激发蓝光的独特性质吸引了半导体开发人员的极大兴趣。但是GaN的生长技术和器件制造工艺一直没有取得商业应用的实质进展突破。1992年被誉为GaN产业应用鼻祖的美国ShujiNakamura教授制造了第一支GaN发光二极管(LED) ；1999年日本Nichia公司制造了第一支GaN蓝光激光器(LD)，该激光器的稳定性能相当于商用红光激光器。从1999年初到2001年底，GaN基半导体材料在薄膜和单晶生长技术、光电器件方面的重大技术突破有40多个。由于GaN半导体器件在光显示、光存储、激光打印、光照明以及医疗和军事等领域有着广阔的应用前景，GaN器件的广泛应用将预示着光电信息乃至光子信息时代的来临。尤其是Nichia公司的成功以及蓝光LD的巨大市场潜力致使许多大公司和科研机构纷纷加入到开发III族氮化物蓝光LD的行列之中，其中Nichia公司的GaN蓝光LD在世界上居领先地位，GaN蓝光LD室温下2mW连续工作的寿命已突破10000小时。因此，以GaN为代表的第三代半导体材料被誉为IT产业新的发动机。近几年世界各国政府有关机构、相关企业以及风险投资公司纷纷加大了对GaN基半导体材料及其器件的研发投入和支持。美国政府2002年要求用于GaN相关研发的财政预算超过5500万美元。通用、飞利浦、Agilent等国际知名公司都已经启动了大规模的GaN基光电器件商用开发计划。 作为一种具有独特光电属性的优异半导体材料，GaN的应用市场可以分为两个部分:(I)凭借GaN半导体材料在高温高频、大功率工作条件下的出色性能取代部分硅和其它化合物半导体材料器件市场；(2)凭借GaN半导体材料宽禁带、激发蓝光的独特性质开发新的光电应用产品。目前GaN光电器件和电子器件在光学存储、激光打印、高亮度LED以及无线基站等应用领域具有明显的竞争优势。相关的商业专利已经有20多项，涉足GaN半导体器件商业开发和制造的企业也越来越多。其中高亮度LED、蓝光激光器和功率晶体管是当前器件制造商和投资商最为感兴趣和关注的三个GaN器件市场。 目前制作的GaN基激光器常用蓝宝石、SiC和GaN衬底。蓝宝石异质外延技术生长出的GaN单晶存在薄膜生长材料质量、芯片工艺腔面反射镜制作、电极工艺等问题。SiC上生长的InGaN LD的室温脉冲工作和连续波工作时有报道，P型和N型电极分别制作在芯片的顶部和底部的垂直导电结构InGaN LD。 1998年三星的研究人员演示了蓝宝石衬底上生长氮化物蓝光激光器室温下的脉冲工作。外延未用外延横向过生长，有源区包括一个InGaNAiaNMQWjlaci7Gaa93N用作包层，利用离子束向下刻蚀到η型GaN层制作出了 10 μ mX 800 μ m的条带，激光器端面未镀膜，在测量高于阈值电流时，观察到了一种强烈且清晰的发射模式，中心波长为418nm。1998年Shiji Nakamura等人在蓝宝石上横向过生长的GaN上生长了 InGaN多量子阱(MQW)结构激光二极管；InGaN MQff LD生长在去除蓝宝石后得到的独立GaN衬底上，这实际上是同质外延激光器。该激光器待解理镜面的输出功率高达30mW。脊波导减小到2μπι能观察到稳定的基横模，在50°C环境温度、CW应用条件下，5mW恒定输出功率下的LD寿命约为160小时。富士通继Nichia Cree Research和索尼等公司之后，宣布研制成了 InGaN蓝光激光器,激光器结构是在SiC衬底上生长的，并且采用了垂直导电结构(P型和η型接触分别制作在晶体片的顶面和背面)。富士通研制的激光器是利用LP-MOVPE在6H-SiC衬底上生长的。晶体磨薄到大约10nm和形成接触后,解理晶片形成500nm的长腔。条带方向是 ,具有高反射率镀膜的解理面为(1100)。激光器芯片P侧朝上安装在管芯上。在25C脉冲应用(300ns, IKHz)下，阈值电流和阈值电压分别是84mA和12.0V，相当于506KA/cm2的阈值电流密度，这是SiC上InGaN激光器的最低值。 目前GaN激光器根据衬底导电性主要分为垂直结构和水平结构两种。富士通报道的垂直器件结构的CW蓝光激光器，该结构蓝光激光器是以导电的SiC衬底为GaN生长基底，上下垂直导通脊波导结构。Nichia公司的Shuji Nakamura最近还研制成功了大功率长寿命的InGaN MQW结构LD，在这种激光器采用GaN同质衬底生长外延层，其中缓冲层采用了调制掺杂应变层超晶格(MD-SLS)和外延横向过生长GaN (EL-OG)衬底，制备的GaN激光器是平面PN电极的脊波导结构。 选择生长GaN单晶的衬底通常要考虑因素:同一系统的材料；失配度越小越好；材料的热膨胀系数相近；光电器件最好寻求低阻衬底；微波器件中最好选取良好微波介质性质的半绝缘材料；激光器要易于解理以形成腔面。同时还要考虑到材料的尺寸和价格问题。 目前GaN异质外延衬底主要采用的只有SiC和蓝宝石。蓝宝石衬底是目前使用最为普遍的一种衬底材料。它具有与纤锌矿III族氮化物相同的六方对称性，也是微电子研究中经常使用的衬底材料。制备工艺成熟、价格较低、易于清理和处理，且高温下具有很好的稳定性，可以大尺寸稳定生长。但蓝宝石衬底本身不导电，不能制作电极，其解理较为困难，晶格常数与GaN相差15%，而且同GaN材料的热膨胀系数也存在较大的差异。目前以蓝宝石为衬底的GaN/GalnN蓝绿光LED已经实现商品化，蓝光LD也已经实现室温条件下的连续激射。SiC是另一类重要的衬底材料，同蓝宝石相比，SiC本身具有蓝光发光特性，且为低阻材料，可以制作电极，晶格常数和材料的热膨胀系数与GaN材料更为接近，并且易于解理。SiC材料的缺点是价格昂贵。GaN是最为理想的衬底材料，但目前所能获得的单晶尺寸太小。最近有人提出了外延横向过生长GaN (Epitaxial Lateral Overgrowth GaN,ELOGMf底和端面开始的外延横向过生长技术(Faced Initiated Epitaxial Lateral Overgrowth,FIELO)，这种技术用于生产低位错密度的GaN。目前ELOG技术已经用于蓝光LD，并获得了满意的结果。Masaru利用FIELO技术在蓝宝石衬底上成功地生长出了无裂纹且具有类镜面表面的低位错密度GaN层。通过除去蓝宝石衬底可得到独立的GaN晶片。研究表明FIELO衬底上生长的LD的激射阈值总比蓝宝石衬底上生长的LD低，可靠性也有显著提高。 SiC衬底和GaN衬底生长的GaN LD外延薄膜质量虽然优于蓝宝石衬底生长的GaNLD外延薄膜，但SiC衬底和GaN衬底的价格昂贵，制作的LD成本高。蓝宝石衬底上生长的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种GaN基蓝绿光激光二极管器件，其特征在于，该二极管器件包括由下而上设置的第二衬底、GaN基外延层和N电极，在GaN基外延层的P型面为周期性的脊波导条状结构，在所述脊波导条状结构的表面设置有有P电极，所述P电极宽度小于脊波导条状结构表面的宽度，所述P电极也呈脊波导条状，所述P电极包括底面和倾斜阶梯侧边，所述P电极的底面与所述第二衬底相连，所述P电极的倾斜阶梯侧边与所述第二衬底通过焊接层相连。

【技术特征摘要】
1.一种GaN基蓝绿光激光二极管器件，其特征在于，该二极管器件包括由下而上设置的第二衬底、GaN基外延层和N电极，在GaN基外延层的P型面为周期性的脊波导条状结构，在所述脊波导条状结构的表面设置有有P电极，所述P电极宽度小于脊波导条状结构表面的宽度，所述P电极也呈脊波导条状，所述P电极包括底面和倾斜阶梯侧边，所述P电极的底面与所述第二衬底相连，所述P电极的倾斜阶梯侧边与所述第二衬底通过焊接层相连。2.根据权利要求1所述的一种GaN基蓝绿光激光二极管器件，其特征在于，所述GaN基外延层由下而上分别为P型层、有源区和N型层。3.—种如权利要求1所述GaN基蓝绿光激光二极管器件的制作方法，其特征在于，该方法包括步骤如下: (1)异质外延生长GaN基激光外延片； (2)在GaN基激光外延片的P型面制备出脊波导条状结构； (3)在GaN基激光外延片的脊波导条状结构的表面制备P电极,所述P电极的宽度小于所述脊波导条状结构的表面宽度； (4)通过在GaN基激光外延片的P型面覆盖键合金属层，将其焊接到第二衬底上； (5)去除第一衬底即原生长衬底，露出GaN基激光外延片的N型面； (6)在所述的N型面上制备N电极； (7)在所述的N型面上、且沿与脊波导条状结构相垂直的方向，切割出激光器腔面巴条，其深度透过有源区；制成具有激光器腔面巴条的GaN基激光外延片； (8)沿所述激光器腔面巴条对步骤(7)的GaN基激光外延片巴条解离，形成单个巴条； (9)对步骤(8)解离成的单个巴条腔面镀膜； (10)将...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈燕，刘青，刘欢，张木青，徐现刚，
申请(专利权)人：山东浪潮华光光电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37