一种GaN基窄带发射共振腔发光二极管及其制作方法技术

一种GaN基窄带发射共振腔发光二极管及其制作方法，涉及半导体发光器件领域。包括第一反射器、顶部金属电极、第一腔、发光有源区、第二腔、第二反射器、导电衬底；第一反射器为法布里‑珀罗滤波器结构的反射器，包含n对高‑低介质膜层和n对低‑高介质膜层，反射率数值在设计的中心波长λ处较低，在其他波长处较高，其反射率曲线在λ处存在一个透光凹带；第二反射器为反射率较高的金属反射器；其中，所述第一反射器、第一腔、发光有源区、第二腔和第二反射器共同构成谐振腔，有源区发光在谐振腔内来回传输，在第一反射器反射率曲线中透光凹带对反射光的调控作用下，GaN基窄带发射共振腔发光二极管在特定中心波长λ处实现单纵模窄带发射。

【技术实现步骤摘要】
一种GaN基窄带发射共振腔发光二极管及其制作方法
本专利技术涉及半导体发光器件领域，尤其涉及一种GaN基窄带发射共振腔发光二极管及其制作方法。
技术介绍
GaN属于第三代宽禁带半导体材料，它与AlN、InN组成合金材料的禁带宽度可以在0.7～6.2eV之间连续可调，覆盖了从红外到紫外的光谱范围，是一种制作发光器件的理想材料。近年来，基于GaN材料的共振腔发光二极管(ResonantCavityLightEmittingDiode，简称RCLED)作为一种新型的高效半导体光电器件受到了人们的广泛关注。RCLED是一种将有源区置于法布里-珀罗光学谐振腔中的特殊结构LED，其器件结构和性能与垂直腔面发射激光器和传统的LED都有许多相似之处。与垂直腔面发射激光器相比，RCLED对腔面反射镜反射率的要求要低得多，制备相对容易，生产成本更低。与传统的LED相比，RCLED具有出光效率高、光谱线宽窄、光输出方向性好、与光纤耦合效率高、热稳定性好等诸多优点。在可见光通信、无散斑照明、高分辨显示、光学扫描仪、医学美容仪等领域具有广阔的应用前景。在各国科研工作者的不懈努力下，GaN基RCLED取得了长足的发展。其中，腔面反射器是RCLED的重要组成部分，目前，GaN基RCLED的腔面反射器多数采用金属反射镜、介质膜分布布拉格反射镜或氮化物分布布拉格反射镜。尽管采用以上几种反射镜制作的器件已经获得了良好的器件性能，但是，这几种反射镜的高反射带较宽，对出射光没有筛选作用，加上半导体材料宽的增益谱特征，导致出射光的光谱宽度相对较宽，多呈现多纵模光输出，不利于某些需要窄线宽的场合应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决现有技术中RCLED出射光谱线宽较宽的上述问题，提供一种GaN基窄带发射共振腔发光二极管及其制作方法，改善反射器的反射率曲线特性，实现窄带单纵模光输出。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种GaN基窄带发射共振腔发光二极管，包括第一反射器，其位于顶侧，作为发光窗口；从顶侧向下依次设有顶部金属电极、连接发光有源区到第一反射器的第一腔、发光有源区、连接发光有源区到第二反射器的第二腔、连接到第二腔的第二反射器、连接到第二反射器的导电衬底；所述第一腔包括n型层，所述第二腔包括依次设置的电子阻挡层和p型层；所述第一反射器为法布里-珀罗滤波器结构的反射器，第一反射器的反射率数值在设计的中心波长λ处较低，在其他波长处较高，其反射率曲线在λ处存在一个透光凹带；所述第二反射器为反射率较高的金属反射器；其中，所述第一反射器、第一腔、发光有源区、第二腔和第二反射器共同构成谐振腔，有源区发光在谐振腔内来回传输，在第一反射器反射率曲线中透光凹带对反射光的调控作用下，GaN基窄带发射共振腔发光二极管在特定中心波长λ处实现单纵模窄带发射。所述第一反射器包含n对高-低介质膜层和n对低-高介质膜层；上方的n对高-低介质膜层由λ/4高折射率介质膜与λ/4低折射率介质膜交替构成，其中与空气相连接的为λ/4高折射率介质膜，下方的n对低-高介质膜层由λ/4低折射率介质膜与λ/4高折射率介质膜交替构成，其中与器件相连接的为λ/4高折射率介质膜。第一反射器的高折射率材料选用TiO2、Ta2O5或HfO2，低折射率材料选用SiO2。所述n对高-低介质膜层和n对低-高介质膜层中的对数n取1～15中的任一整数值。所述第一反射器的反射率曲线中透光凹带的中心波长λ可通过改变高、低折射率介质膜层的厚度λ/4调节；所述第一反射器在不同波长处的反射率数值变化可通过调节组成介质膜层的对数n实现。所述n型层为n型掺杂的GaN，通过向GaN中掺杂Si元素实现，通过调节掺杂的杂质浓度来控制n型层中电子的数量。所述p型层为p型掺杂的GaN，通过向GaN中掺杂Mg元素实现，通过调节掺杂的杂质浓度控制p型层中空穴的数量。所述电子阻挡层为AlxGa1-xN层，用于防止在大电流注入下发光有源区中电子泄露。所述发光有源区为由交替的InxGa1-xN阱层和GaN垒层组成的量子阱有源区，位于装置的反节点处，通过调控x来调控量子阱有源区的发光波长。一种GaN基窄带发射共振腔发光二极管的制作方法，包括以下步骤：步骤1)在蓝宝石衬底上进行外延材料生长：首先在蓝宝石衬底上生长一层GaN缓冲层和一层未掺杂的GaN层，以避免衬底与GaN之间的晶格失配；随后，生长n型层、发光有源区、电子阻挡层、p型层，完成外延材料的生长过程；步骤2)生长第二反射器：在外延片生长完成后，在p型层的上方生长第二反射器，并通过退火工艺使得第二反射器与p型层之间形成良好的p型欧姆接触；步骤3)通过金属键合的方式将外延片键合到导电衬底上：将外延片倒置，通过金属键合连接第二反射器与导电衬底，使得外延片与导电衬底相连；步骤4)去除蓝宝石衬底和未掺杂的GaN层：利用激光剥离技术去除蓝宝石衬底，再利用等离子体刻蚀技术去除未掺杂的GaN层，最后利用抛光技术将n型GaN层减薄并使表面光滑，通过抛光同时可以控制装置的腔长，装置的腔长为λ/2的整数倍；步骤5)制作顶部金属电极：通过等离子体刻蚀技术制作特定形状的电流隔离区域，如圆形或者方形，在电流隔离区域内，通过光刻、掩膜辅助技术，在装置顶部利用电子束蒸发技术蒸镀特定形状的金属电极；步骤6)蒸镀第一反射器：通过光刻、掩膜辅助技术，在无金属电极覆盖的器件出光表面，即n型层的顶侧，利用电子束蒸发技术蒸镀第一反射器，即完成GaN基窄带发射共振腔发光二极管的制备。相对于现有技术，本专利技术技术方案取得的有益效果是：本专利技术中，所述第一反射器、第一腔、发光有源区、第二腔和第二反射器共同构成谐振腔，有源区发光在谐振腔中来回传输，由于第一反射器在不同波长处的反射率不同，在反射率曲线上存在一个透光凹带，其与第二反射器相结合可对输出光起到良好的选模作用，使得中心波长对应的光得到共振加强并从第一反射器出射，最终在装置中实现特定波长的单纵模窄带发射。本专利技术通过改变第一反射器中介质膜层的厚度可实现对发射波长的调谐，装置可以在不同波长处实现单纵模窄带输出。本专利技术公开的RCLED装置为垂直结构，装置的电极分别位于器件的顶侧与底侧，当电流加到上下电极上时，电流几乎垂直通过整个器件，电流分布和器件出光都比较均匀。附图说明图1为本专利技术实施例装置的结构示意图；图2为第一反射器的结构示意图；图3为第一反射器的反射率曲线；图4为本专利技术实施例装置在50mA至500mA不同驱动电流下的输出光谱图。附图标记：第一反射器101，顶部金属电极102，n型层103，发光有源区104，电子阻挡层105，p型层106，第二反射器107，导电衬底108，第一腔109，第二腔110。具体实施方式为了使本专利技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本专利技术做进一步详细说明。如图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种GaN基窄带发射共振腔发光二极管，其特征在于：包括第一反射器，其位于顶侧，作为发光窗口；从顶侧向下依次设有顶部金属电极、连接发光有源区到第一反射器的第一腔、发光有源区、连接发光有源区到第二反射器的第二腔、连接到第二腔的第二反射器、连接到第二反射器的导电衬底；/n所述第一腔包括n型层，所述第二腔包括依次设置的电子阻挡层和p型层；/n所述第一反射器为法布里-珀罗滤波器结构的反射器，第一反射器的反射率数值在设计的中心波长λ处较低，在其他波长处较高，其反射率曲线在λ处存在一个透光凹带；/n所述第二反射器为反射率较高的金属反射器；/n其中，所述第一反射器、第一腔、发光有源区、第二腔和第二反射器共同构成谐振腔，有源区发光在谐振腔内来回传输，在第一反射器反射率曲线中透光凹带对反射光的调控作用下，GaN基窄带发射共振腔发光二极管在特定中心波长λ处实现单纵模窄带发射。/n

【技术特征摘要】
1.一种GaN基窄带发射共振腔发光二极管，其特征在于：包括第一反射器，其位于顶侧，作为发光窗口；从顶侧向下依次设有顶部金属电极、连接发光有源区到第一反射器的第一腔、发光有源区、连接发光有源区到第二反射器的第二腔、连接到第二腔的第二反射器、连接到第二反射器的导电衬底；
所述第一腔包括n型层，所述第二腔包括依次设置的电子阻挡层和p型层；
所述第一反射器为法布里-珀罗滤波器结构的反射器，第一反射器的反射率数值在设计的中心波长λ处较低，在其他波长处较高，其反射率曲线在λ处存在一个透光凹带；
所述第二反射器为反射率较高的金属反射器；
其中，所述第一反射器、第一腔、发光有源区、第二腔和第二反射器共同构成谐振腔，有源区发光在谐振腔内来回传输，在第一反射器反射率曲线中透光凹带对反射光的调控作用下，GaN基窄带发射共振腔发光二极管在特定中心波长λ处实现单纵模窄带发射。


2.如权利要求1所述的一种GaN基窄带发射共振腔发光二极管，其特征在于：所述第一反射器包含n对高-低介质膜层和n对低-高介质膜层；上方的n对高-低介质膜层由λ/4高折射率介质膜与λ/4低折射率介质膜交替构成，其中与空气相连接的为λ/4高折射率介质膜，下方的n对低-高介质膜层由λ/4低折射率介质膜与λ/4高折射率介质膜交替构成，其中与器件相连接的为λ/4高折射率介质膜。


3.如权利要求2所述的一种GaN基窄带发射共振腔发光二极管，其特征在于：第一反射器的高折射率材料选用TiO2、Ta2O5或HfO2，低折射率材料选用SiO2。


4.如权利要求2所述的一种GaN基窄带发射共振腔发光二极管，其特征在于：所述n对高-低介质膜层和n对低-高介质膜层中的对数n取1～15中的任一整数值。


5.如权利要求2所述的一种GaN基窄带发射共振腔发光二极管，其特征在于：所述第一反射器的反射率曲线中透光凹带的中心波长λ可通过改变高、低折射率介质膜层的厚度λ/4调节；所述第一反射器在不同波长处的反射率数值变化可通过调节组成介质膜层的对数n实现。


6.如权利要求1所述的一种GaN基窄带发射共振腔发光二极管，其特征在于：所述n型层为n型掺杂的GaN，通...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕雪芹，赵振宇，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建;35