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CN102832539B - 一种GaN衬底激光二极管的制造方法 - Google Patents

一种GaN衬底激光二极管的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种GaN衬底激光二极管的制造方法，其包括形成GaN衬底以及依次沉积p型包覆层、p型光导层、有源层、n型阻挡层、n型光导层和n型包覆层。其中形成GaN衬底的方法包括将GaN晶片放入高温高压装置中，对GaN晶片加热的同时加压，加热温度为820～880℃，加压压力为4.1~4.6GPa，保持10～15分钟；停止加热加压，使GaN晶片恢复至常温常压；在高温高压装置中退火20～30分钟后，取出GaN晶片。该方法可以明显的减小激光二极管衬底中的晶体缺陷密度，提高激光二极管的性能和寿命。

Description

一种GaN衬底激光二极管的制造方法
技术领域
本发明涉及一种激光二极管的制造方法。
背景技术
激光二极管（LD）是一种由半导体材料形成二极管，其基本结构包括衬底以及依次沉积在衬底上的P/N型包覆层、有源层和P/N型包覆层，以及N型和P型包覆层上的欧姆接触。衬底作为LD这座大厦的地基，具有重要的作用。蓝宝石是一种常用的LD衬底，但由于其与其上的异相外延层的晶格和热应力失配，发热后由于膨胀程度不同会崩裂，导致器件损坏。另外一类LD衬底包括GaN，GaAs，InP等半导体材料。作为衬底的上述半导体材料中一般都会包括各种缺陷，例如位错、间隙或空位等，缺陷会引起晶体应变，应变会造成衬底上外延层的品质及性能降低，导致激光二极管的寿命缩短。多年来，随着半导体技术的发展，经过本领域技术人员的长期研究和实践，形成了较为完善的晶体生长工艺流程，减少了半导体衬底材料生长过程中形成的缺陷密度。但是，人们还希望得到缺陷密度更低的衬底，制得性能更佳、寿命更长的激光二极管。如何进一步减少或消除缺陷成为本领域急需解决的问题。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种GaN衬底激光二极管的制造方法，该方法可以明显的减小激光二极管衬底中的晶体缺陷密度，提高激光二极管的性能和寿命。
本发明的GaN衬底激光二极管包括p-GaN衬底，在衬底上依次沉积了p型包覆层、p型光导层和有源层，其中，
P型包覆层是p-AlaInbGa1-a-bN，其中0≤a，b，a+b≤1；
p型光导层为p-AlcIndGa1-c-dN，其中0≤c，d，c+d≤1；
有源层是超晶格结构的p-AleInfGa1-e-fN/p-AIgInhGa1-g-hN多量子阱层，其中0≤e，f，g，h，e+f，g+h≤1。
在有源层4上还依次沉积了n型阻挡层、n型光导层6和n型包覆层7，其中n型阻挡层5是n-AliInjGa1-i-jN，n型光导层6是n-AlkIn1Ga1-k-1N，n型包覆层7是n-AlmInnGa1-m-nN，其中0≤i，j，k，l，m，n，i+j，k+1，m+n≤1。
本发明的GaN衬底激光二极管的制造方法包括如下步骤，首先形成GaN衬底，其次在衬底上依次沉积了p型包覆层、p型光导层、有源层、n型阻挡层、n型光导层和n型包覆层。
其中形成GaN衬底的方法包括如下步骤：
（1）在常温常压下，将GaN晶片放入高温高压装置中，在高温高压装置中加入传压介质，该传压介质为NaCL和液氮；
（2）对GaN晶片加热的同时加压，加热温度为820～880℃，加压压力为4.1~4.6GPa，保持10～15分钟。其中，加热速率为100℃/分钟，加压速率为0.2～0.3GPa/分钟。
（3）停止加热，使GaN晶片冷却至常温；同时缓慢卸压，使GaN晶片恢复至常压。卸压速度为0.5～0.8GPa/分钟。
（4）在高温高压装置中退火20～30分钟后，取出GaN晶片。
附图说明
图1为本发明的GaN衬底激光二极管的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
图1示出了本发明的激光二极管的结构示意图。其包括p-GaN衬底1，在衬底1上依次沉积了p型包覆层2、p型光导层3和有源层4。
P型包覆层2是p-AlaInbGa1-a-bN，p型光导层3为p-AlcIndGa1-c-dN，其中0≤a，b，c，d，a+b，c+d≤1。
包覆层2也可以是p-AlaInbGa1-a-bN超晶格。
有源层4是超晶格结构的p-AleInfGa1-e-fN/p-AIgInhGa1-g-hN多量子阱层，其中0≤e，f，g，h，e+f，g+h≤1。
在有源层4上还沉积了n型阻挡层5，n型阻挡层5是n-AliInjGa1-i-jN，其上为n型光导层6和n型包覆层7，其中n型光导层6是n-AlkIn1Ga1-k-1N，n型包覆层7是n-AlmInnGa1-m-nN，其中0≤i，j，k，l，m，n，i+j，k+1，m+n≤1。
n型包覆层7也可以是p-AlmInnGa1-m-nN超晶格。
在一个优选实施例中，包覆层、光导层和n型阻挡层的带隙都比有源层的带隙大。
在另一个优选实施例中，光导层的带隙比包覆层的带隙小，n型阻挡层的带隙比包覆层的带隙大。
在n型包覆层7上可以设置n型接触层8，n型接触层8可以是n-AloInpGa1-o-pN，其中0≤o，p，o+p≤1，n型接触层的带隙比有源区的带隙大，比包覆层的带隙小。
n型接触层8还可以是n+-AlyInzGa1-y-zN超晶格，其中0≤y，z，y+z≤1。
通过该器件的结构蚀刻n接触层、包覆层、有源层和可选的p接触层，来形成台面结构。台面足够深以延伸到至少有源层之下，并且可以一直延伸到衬底的最上部分。
为了改善电限制和减小阈值电流，可以通过接触层的外围蚀刻一脊结构，并进入最上面的包覆层中。在腐蚀形成条形台面和脊结构之后，形成钝化层将台面和脊的侧面而非脊的顶部钝化。钝化层可以包括SiO2或者SiNx，可以通过热蒸发、电子束蒸发、溅镀等方法沉积。
然后，在顶表面(n型)和底表面(p型)上分别形成n型金属接触9和p型金属接触10。n型金属接触9优选为镍-金合金，p型金属接触10优选为钛-铝合金。其可以通过本领域已知的任何方法形成，例如溅射沉积或电子束蒸发沉积。将上述接触退火至大约400℃到950℃之间的温度即构成欧姆接触。
最后，在垂直于上述脊结构的平面内切割器件，以确定激光腔的长度尺度。激光腔的长度在100μm到2000μm之间。
上面描述了p型衬底的器件结构，n型衬底的器件结构与其相反，将p-接触层和n-接触层以及p-包覆层和n-包覆层分别颠倒即可。
本发明的激光二极管的制造方法包括如下步骤，首先形成GaN衬底，其次在衬底上依次沉积了p型包覆层、p型光导层、有源层、n型阻挡层、n型光导层和n型包覆层。
其中形成GaN衬底的方法包括如下步骤：
（1）在常温常压下，将GaN晶片放入高温高压装置中，在高温高压装置中加入传压介质，该传压介质为NaCL和液氮；
（2）对GaN晶片加热的同时加压，加热温度为820～880℃，加压压力为4.1~4.6GPa，保持10～15分钟；此处的加压压力也可以称作加压压强。其中，加热速率为100℃/分钟，加压速率为0.2～0.3GPa/分钟。
（3）停止加热，使GaN晶片冷却至常温；同时缓慢卸压，使GaN晶片恢复至常压。卸压速度为0.5～0.8GPa/分钟。
（4）在高温高压装置中退火20～30分钟后，取出GaN晶片。
本发明进行了50组不同温度和压力范围的实验，对GaN晶片进行了高温高压处理。实验数据表明，对GaN晶片实施加热温度为820～880℃，加压压力为4.1~4.6GPa的高温高压处理并退火后，其位错和空隙的密度降低至处理前的20～30％，说明该方法明显减少了晶片内的缺陷密度。实验数据也表明，处理后晶片的缺陷密度与加热温度、加压压力有关，且温度范围和压力范围其主要作用，但加热、加压以及卸压速率也对缺陷密度的减少其作用，上文中已经记载了优选的温度和压力范围，以及优选的加热、加压与卸压速率。降温不需采用特殊方法，停止加热后自然冷却即可。采用处理后的GaN晶片作为衬底形成的激光二极管，增大了击穿场强，减少了漏电，增加了导热性，光发射效率更高，可靠性更大。
用于处理本发明的晶片的高温高压装置可以采用已有的两面顶和多面体高压装置，多面体高压装置包括六面体压腔装置和八面体压腔装置。优选采用两面顶大腔体静高压装置，简称为两面顶大压机。该装置的外壳和压杆的材料均为合金钢，压砧的材料为碳化钨。采用该两面顶大压机可以达到的最高压力为7GPa。其最高压力相比较多面体高压装置以及金刚石对顶砧超高压装置虽然低，但是由于其腔体体积大，处理样品的直径自十厘米左右，适合用于处理衬底晶片。
在该高压装置中设有电热装置，其通过电热丝提供加热热量，对电热装置通电后可以对晶片进行加热。加热温度最高可达1700摄氏度。
压力介质为氯化钠（NaCl）、氧化镁（MgO）或液态氮气，该介质可以使压力均匀分布在晶体上，使得非各向同性应力最小。
NaCl和MgO为低抗剪强度固体，其内摩擦系数低于0.2，可以很好的传压，同时起到隔热的作用，以利于加温加压。液氮在起到传压作用的同时，可以抑止GaN在加热和退火时的分解。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种GaN衬底激光二极管的制造方法，包括如下步骤，
首先形成GaN衬底，其次在衬底上依次沉积了p型包覆层、p型光导层、有源层、n型阻挡层、n型光导层和n型包覆层，其特征在于，
形成GaN衬底的方法包括如下步骤：
（1）在常温常压下，将GaN晶片放入高温高压装置中，在高温高压装置中加入传压介质，该传压介质为NaCL和液氮；
（2）对GaN晶片加热的同时加压，加热至温度为820～880℃，加压至压力为4.1～4.6GPa，保持10～15分钟；
（3）停止加热，使GaN晶片冷却至常温；同时缓慢卸压，使GaN晶片恢复至常压；卸压速度为0.5～0.8GPa/分钟；
（4）在高温高压装置中退火20～30分钟后，取出GaN晶片。
2.如权利要求1所述的GaN衬底激光二极管的制造方法，其特征在于，步骤（2）中加热速率为100℃/分钟，加压速率为0.2～0.3GPa/分钟。
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