[實(shí)用新型]一種GaN基藍(lán)綠光激光二極管器件

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201320155548.4
• 申請(qǐng)日: 2013-03-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN203205703U
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-09-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 沈燕;劉青;劉歡;張木青;徐現(xiàn)剛
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 山東浪潮華光光電子股份有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): H01S5/323
• 分類(lèi)號(hào): H01S5/323
• 代理公司: 濟(jì)南金迪知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37219
• 代理人: 呂利敏

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及一種GaN基藍(lán)綠光激光二極管器件，屬于利用非同質(zhì)襯底外延薄膜制備激光二極管的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

作為一種化合物半導(dǎo)體材料，GaN材料具有許多硅基半導(dǎo)體材料所不具備的優(yōu)異性能，包括能夠滿足大功率、高溫高頻和高速半導(dǎo)體器件的工作要求。其中GaN區(qū)別于第一和第二代半導(dǎo)體材料最重要的物理特點(diǎn)是具有更寬的禁帶，可以發(fā)射波長(zhǎng)比紅光更短的藍(lán)綠光。

GaN半導(dǎo)體材料的商業(yè)應(yīng)用研究開(kāi)始于1970年，其在高頻和高溫條件下能夠激發(fā)藍(lán)光的獨(dú)特性質(zhì)吸引了半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)人員的極大興趣。但是GaN的生長(zhǎng)技術(shù)和器件制造工藝一直沒(méi)有取得商業(yè)應(yīng)用的實(shí)質(zhì)進(jìn)展突破。1992年被譽(yù)為GaN產(chǎn)業(yè)應(yīng)用鼻祖的美國(guó)Shuji?Nakamura教授制造了第一支GaN發(fā)光二極管（LED）；1999年日本Nichia公司制造了第一支GaN藍(lán)光激光器（LD），該激光器的穩(wěn)定性能相當(dāng)于商用紅光激光器。從1999年初到2001年底，GaN基半導(dǎo)體材料在薄膜和單晶生長(zhǎng)技術(shù)、光電器件方面的重大技術(shù)突破有40多個(gè)。由于GaN半導(dǎo)體器件在光顯示、光存儲(chǔ)、激光打印、光照明以及醫(yī)療和軍事等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，GaN器件的廣泛應(yīng)用將預(yù)示著光電信息乃至光子信息時(shí)代的來(lái)臨。尤其是Nichia公司的成功以及藍(lán)光LD的巨大市場(chǎng)潛力致使許多大公司和科研機(jī)構(gòu)紛紛加入到開(kāi)發(fā)Ⅲ族氮化物藍(lán)光LD的行列之中，其中Nichia公司的GaN藍(lán)光LD在世界上居領(lǐng)先地位，GaN藍(lán)光LD室溫下2mW連續(xù)工作的壽命已突破10000小時(shí)。因此，以GaN為代表的第三代半導(dǎo)體材料被譽(yù)為IT產(chǎn)業(yè)新的發(fā)動(dòng)機(jī)。近幾年世界各國(guó)政府有關(guān)機(jī)構(gòu)、相關(guān)企業(yè)以及風(fēng)險(xiǎn)投資公司紛紛加大了對(duì)GaN基半導(dǎo)體材料及其器件的研發(fā)投入和支持。美國(guó)政府2002年要求用于GaN相關(guān)研發(fā)的財(cái)政預(yù)算超過(guò)5500萬(wàn)美元。通用、飛利浦、Agilent等國(guó)際知名公司都已經(jīng)啟動(dòng)了大規(guī)模的GaN基光電器件商用開(kāi)發(fā)計(jì)劃。

作為一種具有獨(dú)特光電屬性的優(yōu)異半導(dǎo)體材料，GaN的應(yīng)用市場(chǎng)可以分為兩個(gè)部分：（1）憑借GaN半導(dǎo)體材料在高溫高頻、大功率工作條件下的出色性能取代部分硅和其它化合物半導(dǎo)體材料器件市場(chǎng)；（2）憑借GaN半導(dǎo)體材料寬禁帶、激發(fā)藍(lán)光的獨(dú)特性質(zhì)開(kāi)發(fā)新的光電應(yīng)用產(chǎn)品。目前GaN光電器件和電子器件在光學(xué)存儲(chǔ)、激光打印、高亮度LED以及無(wú)線基站等應(yīng)用領(lǐng)域具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。相關(guān)的商業(yè)專(zhuān)利已經(jīng)有20多項(xiàng)，涉足GaN半導(dǎo)體器件商業(yè)開(kāi)發(fā)和制造的企業(yè)也越來(lái)越多。其中高亮度LED、藍(lán)光激光器和功率晶體管是當(dāng)前器件制造商和投資商最為感興趣和關(guān)注的三個(gè)GaN器件市場(chǎng)。

目前制作的GaN基激光器常用藍(lán)寶石、SiC和GaN襯底。藍(lán)寶石異質(zhì)外延技術(shù)生長(zhǎng)出的GaN單晶存在薄膜生長(zhǎng)材料質(zhì)量、芯片工藝腔面反射鏡制作、電極工藝等問(wèn)題。SiC上生長(zhǎng)的InGaN?LD的室溫脈沖工作和連續(xù)波工作時(shí)有報(bào)道，P型和N型電極分別制作在芯片的頂部和底部的垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)InGaN?LD。

1998年三星的研究人員演示了藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)氮化物藍(lán)光激光器室溫下的脈沖工作。外延未用外延橫向過(guò)生長(zhǎng)，有源區(qū)包括一個(gè)InGaN/GaNMQW，Al_0.07Ga_0.93N用作包層，利用離子束向下刻蝕到n型GaN層制作出了10μm×800μm的條帶，激光器端面未鍍膜，在測(cè)量高于閾值電流時(shí)，觀察到了一種強(qiáng)烈且清晰的發(fā)射模式，中心波長(zhǎng)為418nm。1998年Shiji?Nakamura等人在藍(lán)寶石上橫向過(guò)生長(zhǎng)的GaN上生長(zhǎng)了InGaN多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)激光二極管；InGaN?MQWLD生長(zhǎng)在去除藍(lán)寶石后得到的獨(dú)立GaN襯底上，這實(shí)際上是同質(zhì)外延激光器。該激光器待解理鏡面的輸出功率高達(dá)30mW。脊波導(dǎo)減小到2μm能觀察到穩(wěn)定的基橫模，在50℃環(huán)境溫度、CW應(yīng)用條件下，5mW恒定輸出功率下的LD壽命約為160小時(shí)。富士通繼Nichia?Cree?Research和索尼等公司之后，宣布研制成了InGaN藍(lán)光激光器，激光器結(jié)構(gòu)是在SiC襯底上生長(zhǎng)的，并且采用了垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)（p型和n型接觸分別制作在晶體片的頂面和背面）。富士通研制的激光器是利用LP-MOVPE在6H-SiC襯底上生長(zhǎng)的。晶體磨薄到大約100nm和形成接觸后，解理晶片形成500nm的長(zhǎng)腔。條帶方向是[1100]，具有高反射率鍍膜的解理面為（1100）。激光器芯片p側(cè)朝上安裝在管芯上。在25C脈沖應(yīng)用（300ns,1KHz）下，閾值電流和閾值電壓分別是84mA和12.0V，相當(dāng)于506KA/cm2的閾值電流密度，這是SiC上InGaN激光器的最低值。