在降低的温度下制造的(Al、Ga、In)N二极管激光器的制作方法

专利名称：在降低的温度下制造的(Al、Ga、In)N二极管激光器的制作方法
在降低的温度下制造的(AI、Ga、ln)N 二极管激光器相关申请的交叉引用本申请要求 Daniel A.Cohen、Steven P. Denbaars 禾口 Shuji Nakamura 于 2008 年 5 月 30 日提交的名称为 “(Al，Ga, In) N DIODE LASER FABRICATED AT REDUCED TEMPERATURE”、代理人案号30794. 265-US-P1 (2008-416-1)的共同未决和共同转让的美国 临时专利申请序列号61/057，519在35 U. S. C. Section 119(e)下的权益，本文通过引用并 入该申请。该申请与下面的共同未决和共同转让的美国专利申请相关Akihiko Murai、Christina Ye CheruDaniel B. Thompson、Lee S. McCarthy> Steven P. DenBaars、Shuji Nakamura 和 Umesh K. Mishra 于 2006 年 6 月 16 日提交的名 称为 “(Al，Ga, In) N AND ZnO DIRECT WAFER BONDING STRUCTURE FOR OPTOELECTRONIC APPLICATIONS AND ITS FABRICATION METHOD”、代理人案号 30794. 134-US-U1 (2005-536) 的美国专利申请序列号11/454，691，该申请要求35 U. S. C. Section 119(e)的权益Akihiko Murai、Christina Ye CheruLee S. McCarthy、Steven P. DenBaars、 Shuji Nakamura 和 Umesh K. Mishra 于 2005 年 6 月 17 日提交的名称为 “(Al，Ga, In) N AND ZnO DIRECT WAFER BONDING STRUCTURE FOR OPTOELECTRONIC APPLICATIONS AND ITS FABRICATION METHOD”、代理人案号30794. 134-US-P1 (2005-536-1)的美国临时专利申请序 列号 60/691，710 ；Akihiko Murai、Christina Ye Chen>Daniel B. Thompson、Lee McCarthy、Steven P. DenBaars、Shuji Nakamura 和 Umesh K. Mishra 于 2005 年 11 月 1 日提交的名称为“ (Al, Ga, In)N AND ZnO DIRECT WAFER BONDED STRUCTURE FOR OPTOELECTRONIC APPLICATIONS, AND ITS FABRICATION METHOD”、代理人案号 30794. 134-US-P2 (2005-536-2)的美国临时专 利申请序列号 60/732，319 ；和 Akihiko Murai、Christina Ye Chen, Daniel B.Thompson、 Lee S. McCarthy、Steven P.DenBaars、Shuji Nakamura 禾口 Umesh K. Mishra 于 2006 年 2 月 3 日提交的名称为 “(Al，Ga，In)N AND ZnO DIRECT WAFER BONDED STRUCTURE FOR OPTOELECTRONIC APPLICATIONS AND ITS FABRICATION METHOD，，、代理人案号 30794. 134-US-P3 (2005-536-3)的美国临时专利申请序列号 60/764，881 ；本文通过弓I用并入所有这些申请。
背景技术：
1.发明领域本发明涉及二极管激光器和二极管激光器的制备方法。2.相关领域的描述(注本申请参考了许多不同的出版物，其贯穿于说明书中并以一个或多个括号 内的参考号，例如[X]表示。依照这些参考号顺序排列的这些不同的出版物清单可以在以 下题名为“参考文献”的部分中找到。这些出版物中的每一个均通过引用并入本文中。)本发明涉及在波长470和630nm之间——任何二极管激光器技术作用差的光谱范围——起作用的二极管激光器。这样的激光器将发现在科学的、生物医学的、传感、照明和 显示器应用中具有广泛使用，代替现存市场中旧的技术和使新的市场依赖二极管激光器的 独特优点。这些优点包括小尺寸、低成本、高效率和高速调制的能力。特别感兴趣的是绿色光谱范围，大约495-570纳米(nm)。当与商业上可买到的蓝 色和红色二极管激光器结合时，发射绿色的二极管激光器将使用于非常大的商业市场的高 质量全色投影显示器成为可能。已显示了基于II-VI材料系统的发射绿色的二极管激光器，它们的工作寿命非常 短，所以它们不能获得商业生存能力，这样的II-VI激光器的发展已被大量地放弃[5]。在 488nm和514nm工作的氩离子气体激光器已广泛地用于上面列出的几个应用，但是它太大 了，在大型市场中使用是效率低的。由闪光灯或近红外二极管激光器泵浦的(抽运的，pumped)、在532nm发射的双频 率固态激光器也广泛地用于科学和材料加工应用中。这些双频率二极管泵浦固态激光器最 小的型式的确显示了二极管激光器的许多优点它们是小的、轻重量的，并能高频调制。然 而与直接发射期望的波长的二极管激光器相比，双频率二极管泵浦固态(DPSQ激光器是 效率低的、低功率的、制造昂贵的。例如，现有技术水平小型的双频率DPSS激光器[6]达到 泵浦激光器和双晶体之间的61%耦合效率，双晶体中的58%效率。与泵浦激光器的47% 电/光转换效率结合，双DPSS模块的总壁插头效率(wall plug efficiency)只是17%，是 原来的泵浦激光器的三分之一。此外，制造期间需要的透镜、双晶体和仔细的校准给双频率 DPSS激光器增加了明显的成本，直接发射二极管激光器不产生这些成本。基于(Al、Ga、In) As材料系统的二极管激光器已被商业化，具有大约IOOOnm下至 630nm的直接发射波长。已使基于(Al、(;a、In)P的发光二极管商业化，波长下至橙色范围， 570-590nm，但是由于在那个波长范围的材料系统的缘故激光器操作还未达到。基于(Al、 Ga、In) N材料系统的二极管激光器已被商业化，具有从370nm达470nm的直接发射波长，而 且记录操作达5IOnm[7]，虽然已用(Al、(ia、In)N制造了绿色LEDs，但是在绿色光谱范围的 激光器操作依然是难以捉摸的。为了获得绿色发射，与紫色发射激光器中使用的10-15%和 纯蓝激光器中使用的20%相比，必须将活性区的铟摩尔分数增加到大约25%。人们广泛相 信(Al、Ga、系统中的限制是随后的传统二极管激光器中使用较高的上波导和电接触 层的晶体生长期间，活性区材料质量下降，以及随着铟含量、温度和生长时间增加，这种下 降变得更严重。一种解决方案是要发展低温晶体生长技术诸如血浆辅助的分子束外延(PAMBE) 或氨分子束外延(NH3-MBE)，其能使用显著低于更普通的生长技术，金属有机化学气相沉积 中使用的生长温度。实际上，已显示了完全通过PAMBE生长的发射紫色的(Al、fe、In)N二极 管激光器[8]。还未确立分子束外延(MBE)生长将能产生发射绿色的激光器，因为与MOCVD 相比低的生长压力不利于高铟掺入或高晶体质量。其他的解决方案包括许多下面描述的不同技术为了来自LED的提高的光提取的目的，Kim[9]已使用低温水热法在(Al、fet、In)N LED上生长了单晶外延的氧化锌(SiO)层。还描述了在(Al、Ga、发光二极管(LEDs) 上ZnO侧向外延过生长(LEO) [10]。ZnO形成透明的电接触，没有波导功能，没有讨论与二 极管激光器的使用。
为了改进发射紫光或蓝光的激光器性能的目的，SaSa0ka[l]已描述了通过AlN掩 模中的开口用(Al、fei、In)N层的高温LEO形成(Al、Ga、脊波导的方法。再生的波导 执行电和光的功能，但是它们在将劣化意欲绿色发射的(Al、fe、In)N活性区的温度生长。Fang[2]已描述了将由(Al、fei、In) As 和(Al、fei、In) (As，P)形成的，分别在 GaAs 或InP衬底上生长的半导体活性区结合到在绝缘体上的硅衬底中形成的脊波导的技术，特 别地用于III-V光电元件与硅电子设备的集成。该硅脊波导是电无源的，不像本申请中提 出的导电波导。它们已显示使在近红外波长操作的电泵浦激光器、光检测器和放大器运转。 它们不要求对其它材料系统的任何适用性。Sink[3]已描述了将(Al、fei、In) N激光器结构结合到立方体衬底诸如GaAs或InP 的技术，随后去除生长衬底，特别地以促进高质量激光器小平面的裂开。该裂开衬底没有执 行光学作用。Murai [4]已描述了将大量ZnO结合到(Al、Ga、In)N LED结构用于增强来自LEDs 的光提取目的的技术。结合的ZnO执行电和光的作用(还参见Akihiko Murai et. al于 2006年6 月 16 日提交的名称为“ (Al，(ia，In)N AND ZnO DIRECT WAFER BONDING STRUCTURE FOR OPTOELECTRONIC APPLICATIONS AND ITS FABRICATION METHOD” 的美国专利申请序列 号11/454，691，本文通过引用并入该申请。)为了来自LEDs的增强的光提取目的和对垂直空腔表面发射激光器的低损失电接 触，Margalith[15]已描述了通过氧化锡铟(ITO)或氮化钛的溅射沉积形成的与(Al、Ga、
的透明的电接触。没有获得表面发射激光器操作，没提出波导功能或与平面激光器的 其它使用。这里描述的关键发明是使用非传统设计和制造方法来消除激光器活性区形成之 后在高温的延长的生长，同时保留活性区的MOCVD生长的益处。
发明概述贯穿本公开，本发明涉及第III族氮化物(Group Ill-Nitride)材料的使用，该材 料可被称作III-N、III-氮化物、AKktInN或(Al、fei、In) N，具有稍微不同的含义。注意，例 如，AlGaInN也包括二元和三元合金feiN、AlGaN和hGaN。贯穿本公开，本发明涉及III-N活性区和III-N激光器核心。使用术语活性区来 指产生光的层是本领域常见的，通常是一个或多个量子阱。在本公开中，术语激光器核心指 产生光和大量地限制光的激光器部分，包括活性区层；包围活性层的III-N层，它用于限制 载流子，通常称作阻挡层；包围最外面阻挡层的III-N层，它用于将载流子注射进阻挡层和 活性区层，还可用作波导核心层；和用于进一步将载流子限制到活性区的III-N层，通常指 电子阻挡层或空穴阻挡层。为了克服上面描述的现有技术中的局限性，并克服阅读和理解本说明书后将变得 明显的其它局限性，本发明公开基于(Al、Ga、的二极管激光器，其包括用于产生和限 制具有激光波长的光的(Al、Ga、激光器核心；和至少一个在激光器核心上沉积的透 明导电层以提供对激光器核心的电接触，其中透明导电层(i)具有比激光器核心的折射率 更低的折射率，(ii)通过除在高于550°C的温度晶体生长外的方法而被沉积，(iii)具有 低于10欧姆-厘米(Ω-cm)的体电阻率，并能够使与所述激光器核心的电接触具有低于0. 01 Ω-cm2的比接触电阻，和(iv)具有在激光波长测量的低于2000CHT1的光吸收系数。透明导电层典型地具有充分地高以提供对活性层的欧姆电接触的导电性，以便透 明导电层中的电子或空穴可被外部电压驱动到活性区并从活性区的对侧注射以产生光，在 活性区它们与相反电荷的载流子重新结合。透明导电层对激光器核心中产生的光可以是透明的，并可用作限制激光器核心中 产生的光的波导覆盖层(镀层)。例如透明导电层可以是非晶形的或结晶的。用于透明导 电层的材料包括与III氮化物材料不同的材料，诸如掺杂锡的氧化铟(ΙΤ0)、&10、氧化铟、 氧化锡、氧化镓、氧化镁、氧化镉、其它的金属氧化物、这些化合物的合金，以及III-N材料。透明导电层可在透明导电层的平面中形成图案以形成棱(rib)或脊(ridge)，以 用作侧向波导核心。晶片结合可位于透明导电层与激光器核心之间。激光器核心的下注射层(和因此激光器核心)可被沉积在较低折射率的透明层 上，以至于较低折射率的透明层用作横向光学波导覆盖层。用作改进对激光器核心的光的 限制的上覆盖层，透明导电层可以是激光器核心的III-N上注射层上的生长物。激光器核 心可位于下覆盖层上，激光器核心的有效折射率典型地高于下覆盖层的有效折射率，高于 上覆盖层的有效折射率，以便激光器核心充当横向光波导核心。激光器核心还可以在激光 器核心的平面中形成图案以形成棱或脊，以用作侧向波导核心。在一个实施例中，活性区是至少一个在III氮化物下注射层上生长的含铟III氮 化物层，其中III氮化物下注射层用于将电子或空穴注射进活性区；多个活性区层可被利 用并被III-N层(例如与活性层的每个侧面相邻)隔开，用于限制产生光的活性层中的电 子和空穴；至少一个III氮化物上注射层在活性区上生长，充当用于不是由下注射层提供 的类型的载流子的上注射层；嵌入在上注射层中的可以是III-N阻挡层以限制载流子从活 性区的逃逸；和上注射层上的透明导电层提供对上注射层的电接触并充当上波导覆盖层。 在本公开中，下覆盖层和上覆盖层之间的结构称为激光器核心。进一步的实施例包括活性区和下注射层之间的至少一个第一 III氮化物阻挡层 和/或活性区和上注射层之间的至少一个第二III氮化物阻挡层，其中(i)第一III氮化物 阻挡层用于阻止第一少数载流子注射进下注射层，第一少数载流子是不是由下注射层提供 的类型的载流子，(ii)第二 III氮化物阻挡层用于阻止第二少数载流子注射进上注射层， 第二少数载流子是不是由上注射层提供的类型的载流子。本发明进一步公开了制造基于(Al、Ga、h)N的二极管激光器的方法，包括在二极 管激光器的激光器核心上沉积至少一个透明导电层，其中透明导电层的折射率低于激光器 核心的有效折射率，透明导电层提供对激光器核心的电接触。该方法可进一步包括沉积(通过例如M0CVD)含铟(Al、(ia、h)N激光器核心。透明导电层可包括从水溶液生长的结晶透明导电氧化物层、从水溶液生长的结晶 透明导电氧化物层和通过物理气相沉积而沉积的非晶形或多晶透明导电氧化物层的组合、 通过物理气相沉积形成的非晶形或多晶透明导电氧化物、结合到激光器核心的结晶透明导 电氧化物层晶片、或牺牲衬底上生长的结晶(Al、Ga、层和结合到激光器核心的晶片。附图简述现在参考附图，其中贯穿附图相同的参考编号代表相应的部分

图1是传统的(Al、Ga、h)N脊波导激光器的示意图，其中层不是按比例画的，未显
7示缓冲层和脊介电隔离。图2是使用结晶的ZnO作为上覆盖层和接触层的脊形波导激光器的示意图，其中 层不是按比例画的，未显示缓冲层和脊介电隔离。图3 (a)是ZnO包覆的脊形波导激光器中基本光学模式分布的模拟。图3(b)是氧化锡铟包覆的hGaN/feiN MQff (Multi Quantum Well)激光器的示意 图，其中用e-电子束蒸发的ITO替换传统的p-AWaN上包覆减少随后的层的生长期间MQW 劣化，并提高与活性区的模式重叠。图4(a)_(e)是晶片结合方法的示意图，其中未显示缓冲层，去除结合牺牲衬底的 晶片之后，形成脊形波导，接下来是阳极和阴极接触沉积。图5是使用非晶形的氧化锡铟(ITO)作为上覆盖层和接触层的脊形波导激光器的 示意图，其中未显示缓冲层和脊介电隔离。图6是图解本发明方法的流程图。图7显示来自电泵浦的、ITO包覆的InGaN MQff激光器的光谱，绘图强度(每秒计 数，CPS)作为光波长的函数(纳米，nm)，其中共振器模式升高超过自发发射，表示该器件接 近激光阈值。发明详述在下面的优选实施方式的描述中，参考成为本说明书一部分的附图，并且通过图 解法示出了其中一个特定的实施例，在该特定实施例中本发明得以实践。应该了解的是，在 不偏离本发明的范围的前提下，可能采用其它实施例并且可以进行结构改变。概述在绿色范围，495-570nm中起作用的二极管激光器存在巨大的市场，但是只有用在 II-VI材料系统中制造的短寿二极管激光器或通过在近红外范围中起作用的在光学上由基 于(Al、Ga、IrOAs的二极管激光器泵浦的倍频固态激光器实现了该范围。这些先前说明 的方法都没有为重要的生物医学、传感、照明和显示应用提供足够的功率或效率。尽管已 从(Al、Ga、材料系统制造了在横跨250-560nm光谱范围的波长中发射的发光二极管 (LEDs)，但从该材料系统制造的二极管激光器已局限于510nm以下的操作。普遍认为该局 限是由于延长的高温晶体生长期间激光器核心的劣化，延长的高温晶体生长是完成在激光 器核心之后生长的光波导和电接触层所需要的。这里描述的关键发明是激光器核心生长之后高温处理步骤的减少或删除，以允许 对激光器核心进行优化获得更长的波长操作。描述三个相关的方法，其用通过较低温度过 程形成的层代替传统的外延生长的(Al、fe、In)N上波导和电接触层。一个方法使用在中等 温度结合步骤中使用直接在激光器晶片上生长或分开生长并转移到激光器晶片的结晶的 透明导电氧化物诸如&ι0。另一个方法使用在分开的衬底上生长然后用结合和衬底去除技 术转移到激光器晶片的结晶的(Al、fe、In)N层。第三个方法使用用低温方法直接沉积在激 光器晶片上的非晶形的或多晶的透明导电氧化物。在所有的情况中，激光器核心暴露的时 间和温度显著减少了，由此减少激光器核心的劣化。在基于透明导电氧化物的实施方式中期望两个另外的优点。与传统的激光器设计 相比，(Al、fei、In)N合金和透明导电氧化物之间的高指数对比和需要的ρ-型GaN的潜在的 减少提供激光器核心中光限制的显著增强和光损失的减少。同时，与传统的设计相比，透明导电氧化物的高导电性和需要的减少的包覆厚度允许工作电压的减少。技术描述传统的(Al、&、In)N 二极管激光器100示意性地显示在图1中。该器件包括衬底 102，典型地是GaN、η型GaN(n-GaN)或蓝宝石，接着GaN缓冲层(未显示)，η型(Al， 覆盖层104诸如η型AlGaN (n-AlGaN)下波导覆盖层，和η型GaN下波导层或核心106。接着 是(Al、fet、In)N活性区108，其是典型地单量子阱(well)或具有多势垒(barrier)的多量 子阱(MQff)(例如InGaN/GaN MQff)。活性区108之后是(Al，Ga)N电子阻挡层110诸如ρ型 AlGaN(p-AlGaN)电子阻挡层、ρ型GaN(p-GaN)波导层112 (例如ρ-GaN上波导核心)、ρ型 (Al，Ga)N上波导覆盖层(例如p-AlGaN) 114、薄的p.型接触层诸如p.型GaN(P+-GaN) 116、 和金属接触层(金属阳极118和金属阴极120)。活性区下面的η型层104、106典型地在高 于1100摄氏度(°C )的温度生长，而活性区108典型地在850-950°C之间生长，活性区108 上面的层 110、112、114 和 116 在 1000-1100°C生长。活性区108上面的层110、112、114和116必须具有足以阻止在波导层112、114中 传播的光场穿透到金属接触118的结合厚度122，因为在波导层112、114中传播的光场穿透 到金属接触118将导致不能接受的高光吸收损失。因为这个原因，这些上层110、112、114 和116典型地具有0. 75-1. 5微米范围内的厚度122。据认为正是在这些上波导层112、覆盖层114和接触层116的高温生长期间，(Al、 fe、In)N活性区108劣化。本发明的关键创新是用执行相等的功能但不将活性区108暴露 于促进劣化的条件而形成的层代替活性区108生长之后在高温生长的这些层112、114和 116的全部或部分。描述三个相关的方法，每一个具有可能的变型。在一个方法中，用通过低温处理，诸如从水溶液中生长，沉积在激光晶片上的结晶 的透明导体，诸如ZnO代替上覆盖层114和接触层116。在另一个方法中，(Al、Ga、In)N合 金的透明导电层在分开的衬底上于高温下生长，然后通过低温或中等温度结合和衬底去除 步骤转移到激光器晶片以完成波导和电接触层。在第三个方法中，上覆盖层和接触层是由 非晶形的或多晶的透明导体诸如ITO形成的，其在低的衬底温度下通过蒸发或溅射沉积， 可能接下来通过中等温度的退火步骤。在所有三种方法中，活性区在最佳条件下生长，后来 不暴露于导致劣化的环境。图2是基于(Al、Ga、In)N的二极管激光器200的横截面示意图，包括用于产生和 限制具有激光波长的光的(Al、Ga、激光器核心(包括活性区202)，和至少一个邻近 (或沉积或覆盖在)激光器核心的透明导电层204(不同于III氮化物)以提供对激光器 核心的电接触，其中透明导电层204具有低于激光器核心的有效折射率的折射率。图2是 第一个方法的优选实施，其中用结晶ZnO层204 (例如ZnO上波导覆盖层)代替AlGaN上覆 盖层114和ρ接触层116，p-GaN上波导核心形成图案以形成脊206波导来充当侧向波导核 心，并用较低指数的电介质诸如二氧化硅(SiO2)(未显示)隔离，然后与金属层208(金属 阳极)接触。充当上波导覆盖层的ZnO透明导电层204在III-N上注射层210(例如p-GaN 上波导核心)上，因此也在激光器核心上。活性区202位于上注射层210和下注射层212之间。含铟III氮化物活性区 202 (例如InGaN-GaN MQff)位于III氮化物下注射层212 (例如n-GaN下波导核心)上，其 中III氮化物下注射层212用于将电子注射进活性区202。活性区202上的III氮化物上注射层210充当用于不是由下注射层212提供的类型(例如ρ型)的载流子(例如空穴) 的上注射层。激光器核心包括层212上的活性区202和层202上的层210。例如，器件的 200层可生长。激光器核心的有效折射率高于下覆盖层214的有效折射率，并高于上覆盖层204 的有效折射率，以便激光器核心充当横向光学波导核心。上注射层210，并且因此激光器核心，在层210的平面中被形成图案以形成棱或脊 206，来充当侧向波导核心。还显示的是n-AlGaN下波导覆盖层214、n-GaN衬底216和金属阴极218。ZnO具有在绿色光谱区大约2. 0的折射指数，适于如图3 (a)模拟的光学模式300 的横向和侧向限制，其中为单个横向光学模式显示相等光学强度的等值线。图3(a)还显示 Si0230 2, p-GaN上波导210、活性区202、n-GaN下波导212和n-GaN衬底216。任选地，如 上面所记录的，一个或多个III-N层210可被形成图案以形成浅棱206以辅助侧向光限制。 已显示单晶ZnO在可见光谱具有低的光学损失，并具有低的电阻，能够与ρ型GaN具有相当 好的电接触，这些性质可用在GaN上由低温水浴生长的ZnO获得[9]。图3(b)是ITO 304包覆hGaN/GaN MQW202激光器的示意图，其具有图2的结构 (但使用ITO 304代替SiO 204)。还显示了 III-N独立限制异质结构下层220和上层222， 其进一步将光学模式限于激光器核心、上阻挡层2M和阳极接触面208。可通过湿法和干法蚀刻对ZnO形成图案，或ZnO可选地可通过掩模(掩蔽，mask) 使用水生长形式的LEO而生长[10]。该掩模可以是电介质诸如SW2并可在LEO步骤之后 留在合适的位置，或者它可以是可溶解的或可蚀刻的材料诸如光致抗蚀剂，并在LEO步骤 之后被去除，留下空气隙。图1显示的MGaN电子阻挡层110不是普遍使用的，没有确立它在绿色发射二极 管激光器中是需要的。可证明省略它是有利的。也已显示的是当充足W^GaN材料在活性 区108或分开的限制异质结构中生长时，除去活性区108上面的AKiaN覆盖层114或活性 区108下面的AKiaN覆盖层104、或完全除去是可能的[11]。在图2中，电子阻挡层110和 上AlGaN覆盖层114都已被省略。该器件中的基本光学模式分布300显示在图3中。模式 300在横向和侧向方向被良好地限制，它为获得高模态提供与活性区202的良好重叠。与 GaN和AWaN相比，GaN和ZnO之间的高指数对比导致光学模式更紧的限制和与有损耗ρ型 层降低的模式重叠。基于晶片结合和衬底去除的第二个基本方法导致与图1显示的传统的器件相似 的器件。制造过程示意地显示在图4(a)-(e)中。传统的晶体生长方法用于穿过活性区402 生长激光器结构400的一部分，并停止于薄的p-GaN层404，如图4 (a)所显示的。例如，结构 400可包括n-GaN衬底408上的n_AlGaN下覆盖层406、n-AlGaN下覆盖层406上的n_GaN下 波导核心410、n-GaN下波导核心410上的hGaN-GaN活性区402和活性区402上的p-GaN 波导核心的一半404。在第二牺牲衬底412上，如图4(b)所示，p-GaN 414(p-GaN波导核心 的另一半)和任选的P-AWaN层416 (例如p-AWaN电子阻挡层)沿着P+-GaN接触层418 生长，以相反的顺序生长至它们在最终器件中的位置。P-AWaN上覆盖层420和InGaN分 离层422还可在晶片似4中生长。两个衬底408和412然后对齐(如图4(c)所示)，夹紧 在一起，并在足以引起两个晶片400和4M结合、但足够低以避免劣化的温度加热，可能是在600-750°C的范围(如图4(d)所示)，由此形成层404和414之间的晶片结合426。结合 之后，通过激光器辅助的剥离(liftoff)、物理抛光和化学或光电化学蚀刻的组合去除牺牲 衬底412，留下与传统的单个生长结构相似的多层结构，为通过标准制造方法的完成做好准 备，如图4(e)所示。P-GaN波导核心404、414结合以形成单个p-GaN波导核心428。因此，图4(e)图解了在其它的III-N层，包括III-N下波导覆盖层406和III-N下 波导层410上生长的含铟III-N活性区402，其中其它的III-N层406、410生长在第一生长 衬底408上，活性区402包括(1)至少一个产生光的含铟活性层430 (例如InGaN量子阱)； 和(2)邻近活性层每个面的III-N限制层432(例如GaN势垒)，用于限制活性层430中的 载流子(电子和空穴)；(b)在牺牲衬底412和(Al、&、In) N分离层422上生长的(Al、Ga、 h)N接触层418 ； (c)在接触层418上生长的(Al、Ga、h)N上波导覆盖层420和(Al、fei、 In)N，充当上波导覆盖层；和(d) (Al、fei、In)N上波导核心的一半——层414和(Al.Ga.In) N上波导核心的另一半——层404之间的晶片结合，形成上波导核心层428，这样下波导核 心410层和上波导核心层4 结合活性区402。阻挡层416的位置变化，在这样的晶片结合的器件中，它还可位于具有活性区402 的晶片400上。通常发现通过结合相似地掺杂的层——η型对η型或ρ型对ρ型——以避免由于 在结合界面的缺陷引起的少数载流子损失，来获得优良的电性能。因此，在图4(a)_(e)显 示的实施中活性区402上方生长至少薄的ρ型III-N外延层404将是必要的。该方法的可能变型是使用商业上可获得的整体(bulk)SiO晶片代替(Al、Ga、In) N-牺牲衬底组合可在600°C附近将ZnO结合到激光器晶片，然后机械地或化学地将其变薄 和抛光到期望的厚度，接下来是脊形成和接触金属沉积[12]。已发现在p-GaN和ZnO之间 使用非常薄的金属层增进电接触，尽管必须考虑由于金属中的吸收引起的另外的光损耗。在第三个方法中，用非晶形的透明导电氧化物诸如蒸发的或溅射的ITO代替外延 的上波导层114和接触层116。非晶形的ITO的光吸收损耗在500nm处是350-lOOOcnT1，相 比单晶ZnO的IOcnT1高，但仍然是可接受的，这是由于ITO和GaN之间的高指数对比导致与 ITO的小的光重叠。变型利用结晶的和非晶形的透明导电氧化物的组合，诸如水性生长的 ZnO层，100-200nm厚，接下来是蒸发的或溅射的非晶形ITO层。在这种情况下，获得了结晶 ZnO的益处，同时避免了制造较厚的结晶ZnO层的困难。图5是第三个方法的实施例的横截面示意图，基于(Al、Ga、的二极管激光器 500包括用于发射光的(Al、fei、In)N活性区502 ；和作为沉积在活性区502上的至少一个透 明导电层504的ΙΤ0，以提供与活性层502的电接触，其中透明导电层具有低于活性区502 的折射率的折射率。含铟III氮化物活性区502(例如hGaN-GaN MQff)在III氮化物下注 射层506(例如p-GaN)上生长，其中下注射层506用于将空穴注射进活性区502。p-AlGaN 电子阻挡层508位于活性区502和下注射层506之间，p-GaN 506位于AWaN下波导覆盖 层510上，波导覆盖层510位于GaN衬底512上，金属阴极514位于ITO 504上，金属阳极 516位于p-GaN 506上。激光器核心包括活性区502、注射层506和至少一个第一 III-N阻 挡层508(电子阻挡层)。层508位于活性区502和下注射层506之间，用于阻止第一少数 载流子注射进下注射层506，其中第一少数载流子是不是由下注射层506提供的类型的载 流子。在这种情况下，阻挡层508阻止电子注射进空穴注射层506。
可选地，或此外，在活性区和上注射层之间可提供至少一个第二 III-N阻挡层，其 用于阻止第二少数载流子注射进上注射层，其中第二少数载流子是不是由上注射层提供的 类型的载流子。例如，如果上注射层是电子注射层，第二 III-N阻挡层可阻止空穴注射进上 注射层。ρ型[13]和η型[14]GaN都已达到了欧姆接触。为了利用这一点，可将GaN ρ接 触和空穴注射层506连同任选的AlGaN电子阻挡层508 —起移到活性区502之下，如图5所 示例性地显示的。这除去了在活性层108上方生长p-GaN 112和p-AKkiN 110的需要，进 一步减少了活性区108劣化的可能性。普遍发现当层的厚度增加时，P-GaN的表面粗化，这 可干扰量子阱活性区的良好生长。因为这个原因，将P-GaN层保持为与从阳极触面到活性 区足够的电流传输所需要的一样薄是有利的大约0. 5微米的厚度将提供足够的导电性， 而没有显著的粗化。这些不同的方法中哪一个将是最成功的取决于导电性和光损耗之间的平衡、每个 方法允许活性区质量的优化和保持的程度、以及取决于制造和可靠性问题。基于ITO和 P-GaN之间的最佳显示的接触电阻和ITO的最佳测量的光学透明度，和基于已知的制造技 术和ITO与III-N发光器件接触的可靠性，优选的方法是显示在图3(b)中的方法，具有活 性区202上方生长的薄的p-GaN空穴注射和波导核心层210，接下来是ITO透明导电层304。 ITO的优选制造技术是通过物理气相沉积。可选的透明导电氧化物包括但并不限于氧化铟、氧化锡、氧化锌、氧化镓、氧化镁、 氧化镉和这些化合物的各种合金，所有都具有许多种掺杂变体。通常，还可通过蒸发或溅射 技术沉积这些材料。除氧化物外的透明导体也存在并可以是有用的已显示了 TiN/ITO与 P-GaN接触面(TiN/ITO contacts to p-GaN) [15]。选择再次取决于导电性和光损耗之间 的平衡，并依赖制造和可靠性问题。透明导电层应典型地具有在激光波长测量的2000CHT1 以下的光吸收系数，和10 Ω -cm以下的体电阻率，并能产生对激光器核心的低于0. 01 Ω -cm2 比接触电阻的电接触。然而，体电阻率、比接触电阻和吸收系数的其它值也是可能的。图6显示了制造(Al、fe、In)N激光二极管的方法。该方法包括下面步骤的一个或 多个方框600表示将一个或多个III-N层沉积在生长衬底上。方框602表示沉积含铟活性区。可在第一温度将含铟活性区层被沉积在III-N层 上。含铟活性层典型地具有第一面和第二面。例如，可在第一温度将含铟(Al、(ia、In)N活 性区沉积在一个或多个(Al、Ga、第一波导核心或覆盖层，其中第一波导核心或覆盖层 生长在器件衬底上，该器件衬底位于活性区的第一面上。可通过MOCVD沉积含铟(Al、Ga、 h) N活性区，然而，可使用其它的沉积方法。方框604表示进行随后的制作步骤。例如，所有随后的制作步骤可在充分地或基 本上低于方框602的第一温度的第二温度(例如550°C以下)，以抑制活性层的劣化。随后 的制作步骤可包括在比第一温度——在该温度在方框602中沉积含铟活性区——低的第二 温度，在与第一面相反的活性区的第二面沉积后来的层，以便活性区不被劣化，其中后来的 层包括下面层中的一个或多个至少一个第二波导核心层、至少一个第二波导覆盖层、至少 一个载流子注射层、至少一个载流子阻挡层和至少一个电接触层。第二波导覆盖层的例子包括但并不限于(1)由水溶液生长的结晶透明导电氧化层，( 由水溶液生长的结晶透明导电氧化物层和通过物理气相沉积而沉积的非晶形的或 多晶的透明导电氧化物层的组合，(3)通过物理气相沉积形成的非晶形的或多晶的透明导 电氧化物，或(4)结合到激光器核心(例如，结合到活性区或第二波导核心层)的结晶透明 导电氧化物层晶片。方框606表示最后结果，器件。舰概括而言，本发明描述了主要预期在495-570nm之间的波长操作的(Al、Ga、In) N-基二极管激光器的几种相关设计和制造方法。相比可在该光谱范围中操作的其它激光器 的优点包括小尺寸、低重量、低成本、高效率、高可靠性和在高频率调制的能力。相比现有技 术的期望的性能改进应是引人注目的，以便将能够获得新种类的产品和应用。主要的创新 包括 活性区对导致劣化的环境减少的暴露，特别是，活性区已生长之后，对高温减少
的暴露。 传统的上波导覆盖层和接触层之前高温外延晶体生长的终止。 通过具有高折射率对比度的材料的使用而得到的改进的光学模式限制。 从水浴生长到GaN上的ZnO作为波导覆盖层和电接触层的应用。 结合到GaN上的整体生长的ZnO作为激光器波导和电接触层的应用。 在牺牲衬底上生长并转移到另一个衬底上的不完全激光器结构的(Al、fe、In)N 层的应用，作为波导覆盖层和电接触层。 非晶形的或多晶的透明导电氧化物作为波导覆盖层和电接触层的应用。 在激光器活性区之下生长的ρ型外延层(一个或多个)的应用。图2、3、4(a)_(e)、5和6图解了能发射具有长于515nm波长绿光的激光二极管的 实施方式，图7显示从与图2的结构相似的激光器发射的光的光谱，其用ITO上波导覆盖层 代替&10。含铟III氮化物活性区的铟组合物是这样的，活性层发射具有长于515nm波长的 光(铟组合物控制活性层的带隙的大小，这反过来决定发射的光的波长)。例如，铟组合物 可以是至少25% (举例来说，活性层例如可以是Ina25GaNa75^铟组合物和晶体质量与在 活性层上一个或多个激光器覆盖层、激光器波导或接触层结合或生长(即没有)之前的活 性区的铟组合物和晶体质量相比，至少一样高。可能的修改和变型本发明考虑了应用与高温外延生长整合的透明导电氧化物波导覆盖层和接触层、 在激光器活性区之下生长的P型电传输层、转移到活性区上的晶片结合的波导和电传输 层，并且就性能需求而言，必须优化激光器设计。贯穿本公开，必须使用透明导体代替透明导电氧化物，以包括既不是氧化物也不 是III氮化物的材料，诸如TiN。例如，透明导电层对于活性区——结晶的或非晶形的—— 发射的光可以是透明的。透明导电层典型地是辅助活性层中产生的光的限制的波导覆盖 层，由此提高了到达激光器核心的光的限制。可通过许多种方法沉积透明导电层，例如，沉积的或生长的(典型地通过除在高 于550°C的温度的晶体生长外的方法)，或晶片结合的(以便晶片结合典型地位于透明导电 层和激光器核心之间)方法。晶片结合可以在透明导电层与活性区或上注射层之间的不同位置。例如，透明导电层可直接连接活性区或上注射层，或在活性区与透明导电层之间可以 有一个或多个附加层。尽管已鉴定了本发明的主要的有用性为在490-570nm之间操作的激光器，但是这 里描述的创新的一些或全部对在其它波长操作的二极管激光器将是有用的，并且不意味着 本发明的范围限于任何特定的波长范围。存在这些创新的许多变型，可以以不同的组合使 用这些变型，并且不意味着本发明的范围限于这里描述的特定实施方式。优点和改讲一般而言，二极管激光管较任何其它类型的激光器显著地小、便宜、并更有效，并 可在高频率容易地调制。例如，微型双频二极管泵浦固态激光器限制在功率大约100毫瓦 (mW)，只达到17%壁插头效率，由于为频率加倍需要仔细排列二极管泵浦激光器和非线性 晶体而制造昂贵。相比之下，在蓝色或绿色范围直接发射的二极管激光器期望达到50%效 率或更好，提供数百mW的光功率，并且制造和包装简单。因为这些原因，一旦二极管激光器 变得可利用，二极管激光器历史上取代了许多市场中的其它激光器类型。当前，在485-570nm光谱范围发射的激光器包括氩离子、氦氖和双频固态激光器。 这些激光器主要用于科学研究、生物医学筛查和药物开发、材料加工，并且是被二极管激光 器代替的良好候选物。更重要的是，发射绿色的二极管激光器能与存在的发射蓝色和红色 的二极管激光器组合以使用于消费者使用的大量生产的高质量全色投影显示器成为可能。 这样的大型市场对许多电子元件和系统制造厂商是有兴趣的。本发明可用于制造用于结合 到许多种大量生产的消费者、工业、医学、科学和军用产品的二极管激光器。相比现有技术的优点包括由于优良的晶体质量获得较高材料增益和较长波长操 作，以及由于较高折射率对比度而获得较高模态。参考文献本文通过引用并入以下的参考文献[1]Sasaoka, C. , Physica Status Solidi (a),203 :1824-1828(2006).[2]Fang, Α. , Optics Express，14 :9203-9210 (2006) ；see also Bowers, J. E. , US Patent Application 20070170417.[3]Sink, R. K. , Applied Physics Letters, 68 :2147-2149 (1996) ；see also Bowers, J. E.，U. S. Patent No. 5985687.[4]Murai, A. , Applied Physics Letters,89 :171116(2006).[5]Okuyama, H. ， IEICE Transactions on Electronics, E83C :536-545(2000).[6]Nguyen, HK,IEEE Photonics Technology Letts. ,18 :682-685(2006).[7]Miyoshi, Τ. , Applied Physics Express,2 :062201(2009).[8]Skierbiszcewski, C. , Acta Physica Polonica A, 110 :345-351(2006).[9]Kim, J. H. , Advanced Functional Materials,17 :463-471(2007).[10]Andeen, D. , Advanced Functional Materials,16 :799-804(2006).[ll]Feezell，D. ,Japanese Journal of Applied Physics, 13 :L284_L286 (2007) ·[12]Murai, A. , Applied Physics Letters,89 :17116(2006).[13]Yao, Y.，Displays, 28 :129-132(2007).[14]Hwang, J. D. , Microelectronic Engineering, 77 :71-75(2005).
14
[15]Margalith, Τ. , Proceedings of the SPIE，3944(1-2) :10-21(2000).Mrk在此总结本发明的优选实施方式的描述。为了图解和描述的目的已提出了本发明 的一个或多个实施方式的上述描述。不是意欲详尽无遗的或将本发明限制于公开的精确形 式。根据上面的教导，许多修改和变型是可能的。本发明的范围不旨在受限于该详细的描 述，而是由所附的权利要求限定。
权利要求
1.一种基于(Al、fei、h) N的二极管激光器，包括(a)用于产生和限制具有激光波长的光的(Al、fe、In)N激光器核心；和(b)至少一个沉积在所述激光器核心上的透明导电层以提供与所述激光器核心的电接 触，其中所述透明导电层(i)具有比所述激光器核心的有效折射率低的折射率，( )通过除在高于550°C温度的晶体生长外的方法而被沉积，(iii)具有低于ΙΟΩ-cm的体电阻率，并能够使与所述激光器核心的电接触具有低于 0.01 Ω-cm2的比接触电阻，和(iv)具有在所述激光波长测量的低于2000cm-1的光吸收系数。
2.权利要求1所述的基于(Al、fe、In)N的二极管激光器，其中所述透明导电层是非晶 形的。
3.权利要求1所述的基于(Al、fe、In)N的二极管激光器，其中所述透明导电层是结晶的。
4.权利要求1所述的基于(Al、fe、In)N的二极管激光器，其中所述透明导电层是氧化 锡铟(ITO)。
5.权利要求1所述的基于(Al、fe、In)N的二极管激光器，其中所述透明导电层是氧化 锌(ZnO)。
6.权利要求1所述的基于(Al、fe、In)N的二极管激光器，其中所述透明导电层选自金 属氧化物，包括氧化锡、氧化锌、氧化镓、氧化镁、氧化镉和这些化合物的合金。
7.权利要求1所述的基于(Al、fe、In)N的二极管激光器，其中所述透明导电层是结合 到所述激光器核心的III-N材料晶片。
8.权利要求1所述的基于(Al、fe、In)N的二极管激光器，其中所述透明导电层是改进 光对所述激光器核心限制的覆盖层。
9.权利要求1所述的基于(Al、fe、In)N的二极管激光器，其中所述透明导电层不同于 III氮化物材料。
10.权利要求10所述的基于(Al、fe、In)N的二极管激光器，其中所述透明导电层在所 述透明导电层的平面中形成图案以形成棱或脊，以用作侧向波导核心。
11.权利要求1所述的基于(Al、Ga、In)N的二极管激光器，进一步包括所述透明导电 层与所述激光器核心之间的晶片结合。
12.权利要求1所述的基于(Al、Ga、In)N的二极管激光器，其中充当上覆盖层的所述 透明导电层是所述III-N激光器核心上的生长物。
13.权利要求12所述的基于(Al、fe、In)N的二极管激光器，进一步包括在下覆盖层上 的所述激光器核心，其中所述激光器核心的所述有效折射率高于所述下覆盖层，高于所述 上覆盖层，以便所述激光器核心充当横向光波导核心。
14.权利要求1所述的基于(Al、Ga、In)N的二极管激光器，其中所述激光器核心沉积 在较低折射率的透明层上，以至于所述较低折射率的透明层充当横向光波导覆盖层。
15.权利要求1所述的基于(Al、Ga、In)N的二极管激光器，其中所述激光器核心在所 述激光器核心的平面中形成图案以形成棱或脊，以用作侧向波导核心。
16.权利要求1所述的基于(Al、fe、In)N的二极管激光器，其中所述激光器核心包括(a)在III氮化物下注射层上生长的所述活性区，其中所述III氮化物下注射层用于将 电子或空穴注射进所述活性区，(b)所述活性区包括(1)至少一个产生所述光的含铟活性层；和(2)与所述活性层的每个面相邻的III氮化物限制层，用于限制所述电子和空穴；(c)至少一个在所述活性层上生长的III氮化物上注射层，充当用于不是由所述下注 射层提供的类型的载流子的上注射层；和(d)所述活性区和所述下注射层之间的至少一个第一III氮化物阻挡层，或所述活性 区和所述上注射层之间的至少一个第二 III氮化物阻挡层，或所述第一 III氮化物阻挡层 和所述第二 III氮化物阻挡层，其中(i)所述第一III氮化物阻挡层用于阻止第一少数载流子注射进所述下注射层，所述 第一少数载流子是不是由所述下注射层提供的所述类型的载流子，和(ii)所述第二III氮化物阻挡层用于阻止第二少数载流子注射进所述上注射层，所述 第二少数载流子是不是由所述上注射层提供的类型的载流子。
17.一种制造基于(Al、fe、In)N的二极管激光器的方法，包括在所述二极管激光器的激光器核心上沉积至少一个透明导电层，其中所述透明导电层(i)具有低于所述激光器核心的有效折射率的折射率，( )提供对所述激光器核心的电接触，具有低于ΙΟΩ-cm的体电阻率并能够使与所述 激光器核心的电接触具有低于0. 01 Ω-cm2的比接触电阻激光器核心，(iii)具有在所述激光波长测量的低于2000cm-1的光吸收系数，和(iii)通过不需要大于550°C的温度的沉积方法被沉积。
18.权利要求17所述的方法，其中所述激光器核心含有铟，所述含铟(Al、Ga、激 光器核心的沉积是通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)。
19.权利要求17所述的方法，其中所述透明导电层是从水溶液生长的结晶透明导电氧 化物层。
20.权利要求17所述的方法，其中所述透明导电层是从水溶液生长的所述结晶透明导 电氧化物层和通过物理气相沉积而沉积的非晶形或多晶透明导电氧化物层的组合。
21.权利要求17所述的方法，其中所述透明导电层是通过物理气相沉积形成的非晶形 或多晶透明导电氧化物层。
22.权利要求17所述的方法，其中所述透明导电层是结合到所述激光器核心的结晶透 明导电氧化物层晶片。
23.权利要求17所述的方法，其中所述透明导电层包括在牺牲衬底上生长的(Al、fe、层和结合到所述激光器核心的晶片。
全文摘要
一种制造(Al、Ga、In)N激光二极管的方法，包括在第一温度下在生长衬底上沉积一个或多个III-N层，在第二温度下在第一温度沉积的层上沉积含铟激光器核心，在抑制激光器核心劣化的条件下进行所有随后的制造步骤，其中该条件是基本上低于第二温度的温度。
文档编号H01S5/00GK102099976SQ200980128483
公开日2011年6月15日 申请日期2009年6月1日 优先权日2008年5月30日
发明者D·A·科恩, S·P·邓巴尔思, 中村修二 申请人:加利福尼亚大学董事会