专利名称：不对称的脊形氮化镓基半导体激光器及其制作方法
技术领域：
本发明属于半导体器件领域，特别是指一种不对称的脊形氮化镓基半导体激光器及其制作方法。
背景技术：
作为第三代半导体，氮化镓(GaN)及其系列材料(包括氮化铝、铝镓氮、铟镓氮、氮化铟)以其禁带宽度大、光谱范围宽(覆盖了从紫外到红外全波段)、耐高温性和耐腐蚀性好，在光电子学和微电子学领域内有巨大的应用价值。GaN基激光器是一种非常重要的GaN基光电子器件，由于其发射的光波在蓝紫光波段，GaN基激光器在高密度光信息存储、投影显示、激光打印、水下通信、生物化学试剂的感应和激活以及医疗方面具有重要的应用价值。而以基模工作的GaN基激光器更是信息存储、激光打印等许多应用领域所必需的。脊形波导结构由于其在平行于结的方向的光限制和电流限制的作用，在半导体激光器中被广泛采用。为了获得以基模稳定工作的GaN基激光器，通常采用刻蚀的方法形成对称的脊形结构。这种对称的脊形结构要实现激光器基模工作所允许的脊形宽度不能大于3μm。由于注入电流密度的限制，这种结构会造成激光器的输出功率明显偏低，阻碍GaN基激光器在许多需要高功率激光输出领域的应用。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种不对称的脊形氮化镓基半导体激光器，其是利用刻蚀方法在平行于结的方向形成不对称脊形波导GaN基激光器结构，该结构在脊形条宽较大时也可以实现激光器在基模下工作，这种结构的脊形宽度较普通脊形结构实现基模工作所允许的脊形宽度大，在注入电流密度相同的情况下，可以增加注入电流，从而提高激光器在基模工作时的输出功率。
本发明的另一目的在于，提供一种不对称的脊形氮化镓基半导体激光器的制作方法，具有工艺简单和节省成本的优点。
本发明一种不对称的脊形波导氮化镓基半导体激光器，其特征在于，其中包括一衬底；一欧姆接触层，该欧姆接触层制作在衬底上；
一下限制层，该下限制层制作在欧姆接触层上，该下限制层的面积小于欧姆接触层；一下波导层，该下波导层制作在下限制层上；一有源层，该有源层制作在下波导层上；一电子阻挡层，该电子阻挡层制作在有源层上；一上波导层，该上波导层制作在电子阻挡层上；一上限制层，该上限制层制作在上波导层上，该上限制层在刻蚀后形成台阶状结构，越是上面的一层面积越小；一覆盖层，该覆盖层生长在上限制层的上面，脊形结构刻蚀结束后，只有面积最小的部分上限制层上保留覆盖层；一绝缘层，该绝缘层制作在部分欧姆接触层、部分上限制层上，以及下限制层、下波导层、有源层、电子阻挡层、上波导层、上限制层和覆盖层的一侧；一欧姆电极，该欧姆电极制作在欧姆接触层上；一欧姆电极，该欧姆电极制作在覆盖层的上表面及上限制层和覆盖层上的绝缘层上。
其中所述的衬底为蓝宝石材料。
其中该上限制层经过刻蚀后在脊形的一侧形成的台阶状结构的高度为0.1μm到0.3μm、宽度为3μm到5μm。
本发明一种不对称的脊形氮化镓基半导体激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤(1)取一衬底；(2)在衬底上依次制作生长欧姆接触层、下限制层、下波导层、有源层、电子阻挡层、上波导层、上限制层和覆盖层；(3)第一次刻蚀，利用两步套刻，将步骤2所述的器件结构中的上限制层和覆盖层刻蚀，使一侧形成一缺口，另一侧形成台阶状结构；(4)第二次刻蚀，将经步骤3的器件结构中没有台阶的一侧刻蚀到欧姆接触层处；(5)在部分欧姆接触层、部分上限制层上表面制作绝缘层，以及在下限制层、下波导层、有源层、电子阻挡层、上波导层、上限制层和覆盖层的一侧制作绝缘层；(6)在欧姆接触层上制作欧姆电极；(7)在覆盖层的上表面及上限制层和覆盖层上的绝缘层上制作欧姆电极，完成器件的制作。
其中所述的衬底为蓝宝石材料。
其中该上限制层经过刻蚀后在脊形的一侧形成的台阶状结构的高度为0.1μm到0.3μm、宽度为3μm到5μm。
本发明是对普通的脊形GaN基激光器的结构做了改进。其是将普通的脊形GaN基激光器脊形两边相同的刻蚀深度，改为在远离N电极的一边增加一宽度大于3μm、高度为0.1，0.3μm的台阶。该结构导致在平行于结的方向形成一不对称的三层波导，使高阶模在脊形宽度较大时仍能被截止。由于这种结构的脊形宽度较普通结构的脊形宽度明显增大，激光器的输出功率可以得到显著提高。同时，由于在脊形的远离N电极的一侧，增加了一层刻蚀深度较小的台阶，会造成空穴电流向这一侧一定程度的扩展而使载流子在脊形下有源区的分布较普通的脊形结构GaN基激光器更趋向对称。因此，这种新型的脊形GaN基激光器能够明显地提高激光器以基模工作时的输出光功率。
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中图1是本发明中脊形GaN基激光器的材料结构示意图；图2是本发明中脊形GaN基激光器经第一步刻蚀后的结构示意图；图3是本发明中脊形GaN基激光器经两步刻蚀后的结构示意图；
图4是本发明中脊形GaN基激光器的器件结构示意图；具体实施方式
请参阅图4所示，本发明一种不对称的脊形波导氮化镓基半导体激光器，其中包括一衬底10，该衬底10为蓝宝石材料；一欧姆接触层11，该欧姆接触层11制作在衬底10上；一下限制层12，该下限制层12制作在欧姆接触层11的上，该下限制层12的面积小于欧姆接触层11；一下波导层13，该下波导层13制作在下限制层12上；一有源层14，该有源层14制作在下波导层13上；一电子阻挡层15，该电子阻挡层15制作在有源层14上；一上波导层16，该上波导层16制作在电子阻挡层15上；一上限制层17，该上限制层17制作在上波导层16上，该上限制层17在刻蚀后形成面积不同的台阶结构，越是上面的一层面积越小；该上限制层17经过刻蚀后在脊形的台阶结构的高度为0.1μm到0.3μm、宽度为3μm到5μm。
一覆盖层18，该覆盖层18生长在上限制层17的上面，脊形结构刻蚀结束后，只有面积最小的部分上限制层17上保留覆盖层18；一绝缘层41，该绝缘层41制作在部分欧姆接触层11、部分上限制层17上，以及下限制层12、下波导层13、有源层14、电子阻挡层15、上波导层16、上限制层17和覆盖层18的一侧；一欧姆电极42，该欧姆电极制作在欧姆接触层11上；一欧姆电极43，该欧姆电极制作在覆盖层18的上表面及上限制层17和覆盖层18上的绝缘层41上。
请参阅图1至图4所示，本发明一种不对称的脊形氮化镓基半导体激光器的制作方法，包括如下步骤(1)取一衬底10，该衬底10为蓝宝石材料；(2)在衬底10上依次制作生长欧姆接触层11、下限制层12、下波导层13、有源层14、电子阻挡层15、上波导层16、上限制层17和覆盖层18(图1所示)；(3)第一次刻蚀，利用两步套刻，将步骤2所述的器件结构中的上限制层17和覆盖层18刻蚀，使一侧形成一缺口，另一侧形成台阶结构(图2及图3所示)；该上限制层17经过刻蚀后在脊形的一侧形成的台阶结构的高度为0.1μm到0.3μm、宽度为3μm到5μm；
(4)第二次刻蚀，将经步骤3的器件结构中没有台阶的一侧刻蚀到欧姆接触层11处(图4所示)；(5)在部分欧姆接触层11、部分上限制层17上表面制作绝缘层41，以及在下限制层12、下波导层13、有源层14、电子阻挡层15、上波导层16、上限制层17和覆盖层18的一侧制作绝缘层41(图4所示)；(6)在欧姆接触层11上制作欧姆电极42(图4所示)；(7)在覆盖层18的上表面及上限制层17和覆盖层18上的绝缘层41上制作欧姆电极43(图4所示)，完成器件的制作。
实施例请结合参阅图1至图4所示，本发明提出的新型脊形GaN基激光器的器件制备过程为以蓝宝石材料为衬底10，利用MOCVD、MBE或者其他生长GaN材料的设备生长出器件结构。该结构包括N型GaN欧姆接触层11、N型AlGaN下限制层12、N型GaN下波导层13、InGaN/GaN有源层14、AlGaN电子阻挡层15、P型GaN上波导层16，P型AlGaN上限制层17和P型GaN覆盖层18。用干法刻蚀等方法分两步刻出不对称的脊形台阶结构，脊形长度方向沿氮化镓的[11-20]方向，第一步先刻出一个宽的高度小的脊形，第二步将激光器脊形的掩膜板对准第一步刻蚀形成的脊形的一边再继续刻蚀以形成所需要的不对称脊形结构。在制作N电极的区域继续刻蚀直到露出N-GaN欧姆接触层。蒸镀二氧化硅绝缘层。蒸镀欧姆接触电极金属并热退火实现欧姆接触电极。将衬底10减薄至100μm左右。将外延片沿氮化镓的[11-20]方向划片分割成长条，将长条沿氮化镓的(11-20)面解理成所设计腔长的激光器管芯。在激光器管芯的两个腔面蒸镀介质反射膜。最后再压焊引出电极、封装成激光器器件。该结构在脊形条宽较大时也可以实现激光器在基模下工作，这种结构的脊形宽度较普通脊形结构实现基模工作所允许的脊形宽度大，在注入电流密度相同的情况下，可以增加注入电流，从而提高激光器在基模工作时的输出功率。
为了进一步说明本器件结构的效果，我们以工作波长为405nm的GaN基激光器为例说明该器件结构的制备过程。各层的材料及厚度见表1。具体如下利用MOCVD方法在蓝宝石材料为衬底10上生长出器件结构。该结构包括N型GaN欧姆接触层11(厚度为5μm，掺杂浓度为3×1018cm-3)、N型Al0.1 Ga0.9N下限制层12(厚度为0.8μm，掺杂浓度为3×1018cm-3)、N型GaN下波导层13(厚度为0.08μm，掺杂浓度为5×1015cm-3)、In0.15Ga0.85N/GaN有源区层14(多量子阱为5个周期，InGaN阱宽为3nm，GaN垒宽为8nm，掺杂浓度为3×1017cm-3)、Al0.2Ga0.8N电子阻挡层15(厚度为20nm，掺杂浓度为5×1015cm-3)、P型GaN上波导层16(厚度为0.08μm，掺杂浓度为3×1017cm-3)、P型Al0.08Ga0.92N上限制层17(厚度为0.6μm，掺杂浓度为8×1019cm-3)和P型GaN覆盖层18(厚度为0.2μm，掺杂浓度为2.4×1020cm-3)。用反应离子刻蚀方法分两步刻出不对称的脊形台阶结构，脊形长条沿氮化镓的[11-20]方向。第一步先刻出一个宽度为9μm的高度为0.15μm的脊形，第二步将激光器脊形(脊形宽度为5μm)的掩膜板对准第一步刻蚀形成的脊形的一边再继续刻蚀0.6μm形成一边刻蚀深度为0.75μm另一边刻蚀深度为0.6μm的不对称脊形结构。在制作N电极的区域继续刻蚀1.2μm以露出N-GaN欧姆接触层。蒸镀二氧化硅绝缘层，蒸镀欧姆接触电极金属并热退火实现欧姆接触电极。将衬底10减薄至100μm左右。将外延片沿氮化镓的[11-20]方向划片分割成长条。将长条沿氮化镓的(11-20)面解理成腔长为800μm的激光器管芯。在激光器管芯的前腔面蒸镀一对TiO2/SiO2反射膜，后腔面蒸镀三对TiO2/SiO2反射膜。最后再压焊、封装成激光器器件。
我们用等效折射率方法对本发明提出的新的器件结构与普通的脊形GaN基激光器的模式进行了模拟计算。并进行了对比，其中对于普通的脊形GaN基激光器，当脊形宽度为5μm，刻蚀深度为0.75μm(留置上限制层厚度为0.05μm)时，其允许存在的导波模式包括基模、一阶模、二阶模、三阶模及四阶模。当脊形宽度为5μm，刻蚀深度为0.6μm(留置上限制层厚度为0.2μm)时，其允许存在的导波模式包括基模和一阶模。当脊形宽度为2μm，刻蚀深度为0.75μm(留置上限制层厚度为0.05μm)时，其允许存在的导波模式包括基模和一阶模。
对于脊形非对称结构的激光器，当脊形宽度为5μm，一边刻蚀深度为0.75μm(留置上限制层厚度为0.05μm)，另一边增加一个宽度为4μm刻蚀深度为0.6μm(留置上限制层厚度为0.2μm)的台阶时，其允许存在的导波模式只有基模，其它各高阶模全部截止。由于该激光器条宽比普通的以基模工作的脊形宽度(约2μm)要大，在注入电流密度相同的情况下，可以增加注入电流，因而该激光器的输出光功率必然会明显增大。
表1为本发明中GaN基激光器的各层材料及参数。
表1
权利要求
1.一种不对称的脊形波导氮化镓基半导体激光器，其特征在于，其中包括一衬底；一欧姆接触层，该欧姆接触层制作在衬底上；一下限制层，该下限制层制作在欧姆接触层上，该下限制层的面积小于欧姆接触层；一下波导层，该下波导层制作在下限制层上；一有源层，该有源层制作在下波导层上；一电子阻挡层，该电子阻挡层制作在有源层上；一上波导层，该上波导层制作在电子阻挡层上；一上限制层，该上限制层制作在上波导层上，该上限制层在刻蚀后形成台阶状结构，越是上面的一层面积越小；一覆盖层，该覆盖层生长在上限制层的上面，脊形结构刻蚀结束后，只有面积最小的部分上限制层上保留覆盖层；一绝缘层，该绝缘层制作在部分欧姆接触层、部分上限制层上，以及下限制层、下波导层、有源层、电子阻挡层、上波导层、上限制层和覆盖层的一侧；一欧姆电极，该欧姆电极制作在欧姆接触层上；一欧姆电极，该欧姆电极制作在覆盖层的上表面及上限制层和覆盖层上的绝缘层上。
2.根据权利要求1所述的不对称的脊形氮化镓基半导体激光器，其特征在于，其中所述的衬底为蓝宝石材料。
3.根据权利1所述的不对称的脊形氮化镓基半导体激光器，其特征在于，其中该上限制层经过刻蚀后在脊形的一侧形成的台阶状结构的高度为0.1μm到0.3μm、宽度为3μm到5μm。
4.一种不对称的脊形氮化镓基半导体激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤(1)取一衬底；(2)在衬底上依次制作生长欧姆接触层、下限制层、下波导层、有源层、电子阻挡层、上波导层、上限制层和覆盖层；(3)第一次刻蚀，利用两步套刻，将步骤2所述的器件结构中的上限制层和覆盖层刻蚀，使一侧形成一缺口，另一侧形成台阶状结构；(4)第二次刻蚀，将经步骤3的器件结构中没有台阶的一侧刻蚀到欧姆接触层处；(5)在部分欧姆接触层、部分上限制层上表面制作绝缘层，以及在下限制层、下波导层、有源层、电子阻挡层、上波导层、上限制层和覆盖层的一侧制作绝缘层；(6)在欧姆接触层上制作欧姆电极；(7)在覆盖层的上表面及上限制层和覆盖层上的绝缘层上制作欧姆电极，完成器件的制作。
5.根据权利要求4所述的不对称的脊形氮化镓基半导体激光器的制作方法，其特征在于，其中所述的衬底为蓝宝石材料。
6.根据权利要求4所述的不对称的脊形氮化镓基半导体激光器的制作方法，其特征在于，其中该上限制层经过刻蚀后在脊形的一侧形成的台阶状结构的高度为0.1μm到0.3μm、宽度为3μm到5μm。
全文摘要
一种不对称的脊形波导氮化镓基半导体激光器，包括一衬底；在该衬底依次生长的欧姆接触层、下限制层、下波导层、有源层、电子阻挡层、上波导层、上限制层、覆盖层，经过刻蚀后该上限制层形成台阶状结构，并制作绝缘层及欧姆电极。其是利用刻蚀方法在平行于结的方向形成不对称脊形波导GaN基激光器结构，该结构在脊形条宽较大时也可以实现激光器在基模下工作，这种结构的脊形宽度较普通脊形结构实现基模工作所允许的脊形宽度大，在注入电流密度相同的情况下，可以增加注入电流，从而提高激光器在基模工作时的输出功率。
文档编号H01S5/323GK101047300SQ200610067460
公开日2007年10月3日 申请日期2006年3月29日 优先权日2006年3月29日
发明者李德尧, 张书明, 杨辉, 梁俊吾 申请人:中国科学院半导体研究所