本公开涉及一种发光装置及其制造方法。
背景技术：
最近几年，美国的加州大学圣芭芭拉分校和日本的sony、sumitomo等一些氮化镓(gan)的研究机构和公司成功地在一些特殊的gan半极性晶面上制备了高功率、高效率的蓝、绿光发光二极管和激光二极管等。这些gan的特殊晶面(诸如(2021)、(3031)的晶面)在高效率、低效率衰退(efficiencydroop)的发光二极管(led)以及高功率长波长激光二极管(ld)上有着极大的潜力和优势。
现在已经有报道在gan的(2021)晶面上成功制备了长波长的绿光激光二极管。传统的c面gan激光二极管，随着发光波长的增加，激射的阈值电流密度逐渐升高，导致光电转化效率低下。然而，对比c面gan激光二极管，gan(2021)面上制备的激光随着发光波长的增加，其激射的阈值电流密度升高较缓慢，因为半极性(2021)gan的极化电场比c面的要小很多，因此随着in组分的增加导致的发光波长的增加，相比c面而言，会有更多的电子空穴参与复合发光，因而可以得到更高的光电转换效率。可惜的是，即便是gan(2021)晶面上的激光二极管，现主要是采用的是algan作为包覆层。采用algan作为包覆层，一方面由于algan与gan的晶格失配会导致algan外延生长困难，而且容易产生裂痕；另一方面，algan的光学折射率和gan的光学折射率差异最大也只有0.15，因而导致光学限制效应低。因此，人们期望获得一种能够提高光学折射率差异同时又易于外延生长不易产生裂痕的发光器件。
技术实现要素：
本发明旨在解决上述和/或其他技术问题并提供一种发光装置及其制造方法。
根据一个示例性实施例，一种发光装置包括：氮化镓衬底，包括沿半极性晶相生长的半极性氮化镓晶体；电子注入层，在氮化镓衬底上；
包覆层，在氮化镓衬底上，包覆层包含氮化镓；发光层，在包覆层上。
氮化镓衬底包括沿半极性晶相(2021)生长的半极性氮化镓晶。
所述发光装置还包括：第一波导层，在包覆层和发光层之间；电子阻挡层，在发光层上，；第二波导层，在电子阻挡层上，空穴注入层，在第二波导层上。
所述发光装置还包括：第一电极，在电子注入层上；第二电极，在空穴注入层上。
包覆层为n++型gan层。包覆层包括纳米孔。包覆层包括的纳米孔的密度为10％至80％，或者纳米孔的孔径为5～100nm，优选值为10至20nm。覆层的折射率为包覆层的折射率为0至2.5nm，或者包覆层的折射率为1.5～2。
通过电化学蚀刻来形成第一介质层中的纳米孔。电子注入层被构造为在用于形成包覆层中的纳米孔的电化学蚀刻中被用作传输电子的通道。可选择地，导电层可以不是直接的电极，由于整个结构可以被放入电解液中，其中一个加电的负电极会浸入到电解液中，然后通过电解液将电子传输到导电层。
根据另一示例性实施例，一种发光装置的制造方法包括：在包括沿半极性晶相生长的半极性氮化镓晶体的氮化镓衬底上形成电子注入层；在电子注入层上形成包含氮化镓的包覆层；在包覆层上形成发光层。
氮化镓衬底包括沿半极性晶相(2021)生长的半极性氮化镓晶体。
形成发光层的步骤包括在包覆层上形成第一波导层并在第一波导层上形成发光层，所述方法还包括：在发光层上形成电子阻挡层；在电子阻挡层上形成第二波导层；在电子阻挡层上形成空穴注入层。
所述方法还包括：在电子注入层上形成第一电极；在空穴注入层上形成第二电极。
形成第一电极的步骤包括：蚀刻形成了发光层、电子阻挡层、第二波导层和空穴注入层的一部分，以暴露电子注入层；在暴露的电子注入层上形成第一电极。
所述方法还包括：在包覆层中形成纳米孔。形成纳米孔的步骤包括：通过电化学蚀刻来形成包覆层中的纳米孔，其中，电子注入层被构造为在用于形成包覆层中的纳米孔的电化学蚀刻中被用作传输电子的通道。。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1是示出根据示例性实施例的发光装置的示意性透视图；
图2是示出根据示例性实施例的发光装置的制造方法的流程图；
图3和图4是示出用于说明根据示例性实施例的发光装置的制造方法的的剖视图和透视图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本开。除非另有定义，本文使用的所有其他科学和技术术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一也可以被称为第二，反之亦然。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在…时”或“当…时”或“响应于确定”。
为了使本领域技术人员更好地理解本公开，下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细说明。
图1是示出根据示例性实施例的发光装置的示意性剖视图。如图1中所示，所述发光装置包括：氮化镓衬底110、电子注入层120、包覆层130和发光层150。
氮化镓(gan)衬底110可以包括沿半极性晶相生长的半极性氮化镓晶体，例如，沿半极性晶相(2021)或(3031)生长的半极性氮化镓晶体。氮化镓衬底110的厚度可以为3微米。氮化镓衬底110的层错的数量可以为0。这样的氮化镓衬底110可以通过在蓝宝石衬底100上进行外延生长而得到。这里，可以使用saphlux公司的大尺寸(4英寸)无层错的半极性(2021)gan衬底作为氮化镓衬底110。
电子注入层120可以在氮化镓衬底110上。根据示例性实施例，电子注入层120可以通过金属有机化学气相沉积mocvd方法形成在氮化镓衬底110上，例如，直接形成在氮化镓衬底110上。电子注入层120可以为厚度在2μm至4μm范围内的n型掺杂的gan层。电子注入层120可以以约为5e18cm-3的浓度掺杂有si。
包覆层130可以在电子注入层120上。包覆层130可以包含氮化镓gan。例如，包覆层可以为高掺杂的n++型gan层。这样的包覆层130的掺杂的杂质可以为si，杂质的浓度可以为2e19cm-3至1e20cm-3。包覆层130可以通过金属有机化学气相沉积mocvd方法形成，例如，直接形成在电子注入层130上。包覆层的厚度可以为500nm。
根据示例性实施例，因为包覆层的材料(gan)可以为与衬底的材料相同的材料，从而可以实现包覆层与衬底的晶格匹配。因此，可以避免生长的困难，容易地形成(例如，生长)包覆层。
此外，根据示例性实施例的包覆层130的折射率可以在1至2.5的范围内。为此，包覆层130可以包括纳米孔，如图1中所示。
包覆层130中的纳米孔的密度可以为10％-80％，纳米孔的孔径可以为5～100nm，优选值为10至20nm。因为纳米孔中可以填充有空气，从而通过在包覆层130中形成预定孔径的纳米孔可以改变包覆层130的光的折射率。当纳米孔的密度为0时，此时即为纯的gan，所以折射率是2.5。当纳米孔的密度为100％时，此时为空气的折射率1。简单直接的计算公式是：包覆层130的折射率＝2.5×纳米孔的截面占空比+1×(1-纳米孔的截面占空比)。因为包覆层130有纳米孔，可以与gan薄膜实现更大的折射率差异，可以更加有效地提高光学限制因子。
具体地讲，可以将形成有电子注入层120和包覆层130的结构放入诸如hf溶液、hno3溶液或者nacl溶液中。然后，可以放入一电极在溶液中施加并施加1v-5v的电压，从而可以选择性地蚀刻作为高n型掺杂的n++型gan层的包覆层130，以在它们中形成纳米孔。可以通过控制施加的电压的大小和包覆层130中杂质的掺杂浓度来控制形成的纳米孔的孔径和密度。
参照图1，发光层(有源层)150可以在包覆层130上。发光层150可以为厚度为40-50nm的ingan/gan层。此外，根据示例性实施例的发光装置还可以包括第一波导层140。第一波导层140可以在包覆层130上，发光层150可以在，例如，直接在第一波导层140上。第一波导层140可以为厚度为80nm的ingan层。
在图1中示出的根据示例性实施例的发光装置中，还可以包括电子阻挡层160、第二波导层170和/或空穴注入层180。
电子阻挡层160可以在有源层150上。例如，电子阻挡层160可以为algan层，其中，al原子数量比可以为15％。第二波导层170可以在电子阻挡层160上。例如，第二波导层170可以为厚度为80nm的ingan层。空穴注入层180可以在第二波导层170上。空穴注入层可以为厚度为100nm的p型gan层，其中，杂质可以为mg，掺杂浓度可以约为3e19cm-3。
此外，如图1中所示，根据示例性实施例的发光装置还可以包括在电子注入层上的第一电极(负极)191和在空穴注入层180上的第二电极(正极)193。
图2是示出根据示例性实施例的发光装置的制造方法的流程图。图3和图4是示出用于说明根据示例性实施例的发光装置的制造方法的的剖视图和透视图。根据示例性实施例的发光装置的制造方法可以用于制造上面参照图1描述的发光装置，因此，在下文中将省略对于相同特征的重复描述。
如图2中所示，在操作s210，可以在包括沿半极性晶相生长的半极性氮化镓晶体的氮化镓衬底上形成电子注入层。这里，氮化镓衬底可以包括沿半极性晶相(2021)或(3031)生长的半极性氮化镓晶体。
可以通过金属有机化学气相沉积mocvd方法形成电子注入层。根据示例性实施例，电子注入层120可以为厚度在2μm至4μm范围内的n型掺杂的gan层。电子注入层可以以约为5e18cm-3的浓度掺杂有si。
然后，在步骤s220，可以在电子注入层上形成包含氮化镓的包覆层。例如，包覆层可以为高掺杂的n++型gan层。这样的包覆层的掺杂的杂质可以为si，杂质的浓度可以为2e19cm-3至1e20cm-3。可以通过金属有机化学气相沉积mocvd方法在电子注入层上形成包覆层。包覆层的厚度可以为500nm。
根据示例性实施例，因为包覆层的材料(gan)可以为与衬底的材料相同的材料，从而可以实现包覆层与衬底的晶格匹配。因此，可以容易地形成(例如，生长)包覆层。
然后，在操作s230，可以在包覆层上形成发光层。这里，在形成发光层时，可以形成首先在包覆层上形成第一波导层，并然后在第一波导层上形成发光层。发光层可以为厚度为40-50nm的ingan/gan层。第一波导层可以为厚度为80nm的ingan层。
此外，根据示例性实施例的发光装置的制造方法还包括在发光层上形成电子阻挡层(s240)、在电子阻挡层上形成第二波导层(s250)以及在电子阻挡层上形成空穴注入层(s260)。
电子阻挡层可以为algan层，其中，al原子数量比可以为15％。第二波导层可以为厚度为80nm的ingan层。空穴注入层可以为厚度为100nm的p型gan层，其中，杂质可以为mg，掺杂浓度可以约为3e19cm-3。
然后，可以在包覆层中形成纳米孔(s270)。具体地讲，可以将形成有电子注入层和包覆层(以及发光层、第一和第二波导层、电子阻挡层和空穴注入层)的结构放入诸如hf溶液、hno3溶液或者nacl溶液中。然后，可以放入一电极在溶液中施加并并施加1v-5v的电压，从而可以选择性地蚀刻作为高n型掺杂的n++型gan层的包覆层，以在它们中形成纳米孔。可以通过控制施加的电压的大小和包覆层130中杂质的掺杂浓度来控制形成的纳米孔的孔径和密度。因此，可以通过纳米孔的孔径和密度来使包覆层的折射率在1至2.5的范围内改变。通过提高包覆层中形成纳米孔的密度，降低包覆层的折射率，从而降低激光二极管的激射阈值电流密度，进而有效地提高激光二极管的光电转化效率，以获取更高的激光出光功率。
如此，可以得到如图3中所示的结构。随后可以先采用光刻和反应离子刻蚀技术或者等离子刻蚀(reactiveionetching或ioncouplingplasma)等干法刻蚀技术技术将(2021)gan激光二极管样品制备成如图1所示的脊状结构。具体而言，首先，先均匀沉积光刻胶在(2021)gan激光二极管样品上。接着，使用光刻板掩模进行曝光，在曝光之后进行显影，以便获得条状的光刻胶图案。随后，采用干法刻蚀将(2021)gan激光二极管样品的裸露部分刻蚀掉，即，将没有被光刻胶覆盖住的地方蚀刻掉。最后，洗掉光刻胶，最后所剩下的就是如图4所示的脊状条形结构。如图4所示的脊状条形结构是半导体激光器的基本结构，采用这种结构的目的是为了更好地在两侧进行光限制。脊状条形的宽约为3～10微米，长约为0.5～3mm。
然后，在操作s280，可以在电子注入层上形成第一电极，并可以在空穴注入层上形成第二电极。具体地讲，在形成第一电极时，可以蚀刻如图3所示的结构中的发光层、电子阻挡层、第二波导层和空穴注入层的一部分，以暴露电子注入层，如图4中所示。然后可以在暴露的电子注入层上形成第一电极。此外，可以在空穴注入层上形成第二电极，例如，可以在同一道工艺中同时形成第一电极和第二电极。因此，得到如图1中所示的发光装置。形成第一电极和第二电极的工艺可以是已知的，并因此省略对已知工艺的详细描述。
术语“约”和“大约”可用于意指在一些实施方案中目标尺寸的±20％以内、在一些实施方案中目标尺寸的±10％以内、在一些实施方案中目标尺寸的±5％以内，以及还有在一些实施方案中目标尺寸的±2％以内。术语“约”和“大约”可包括目标尺寸。
本文所述的技术方案可实现为方法，其中已经提供了至少一个实施例。作为所述方法的一部分所执行的动作可以以任意合适的方式排序。因此，可以构建实施方案，其中各动作以与所示的次序所不同的次序执行，其可包括同时执行一些动作，即使这些动作在说明性实施方案中被示为顺序动作。此外，方法在一些实施方案中可包括比示出的那些更多的动作，在其他实施方案中包括比示出的那些更少的动作。
虽然在此描述了本发明的至少一个说明性的实施方案，但是对于本领域的技术人员而言，可容易地进行多种改变、修改和改进。这样的改变、修改和改进旨在在本发明的精神和范围以内。因此，前述说明仅通过举例方式并不旨在作为限制。本发明仅由下列权利要求及其等同物所限定。