[發明專利]氮化物半導體發光器件及其制作方法

有效

• 申請號: 201710022586.5
• 申請日: 2017-01-12
• 公開（公告）號: CN108305918B
• 公開（公告）日: 2019-07-16
• 發明（設計）人: 孫錢;馮美鑫;周宇;高宏偉;楊輝
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所
• 主分類號: H01L33/00
• 分類號: H01L33/00;H01L33/16;H01L33/20;H01L33/44;H01S5/22;H01S5/30
• 代理公司: 南京利豐知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 32256
• 代理人: 王鋒

本申請公開了一種氮化物半導體發光器件及其制作方法。所述氮化物半導體發光器件包括外延結構，所述外延結構具有第一面和與第一面相背對的第二面，所述第一面為面并位于所述外延結構的n型側，所述第二面位于所述外延結構的p型側，所述外延結構的n型側與n型電極電性接觸，p型側與p型電極電性接觸，并且所述第一面形成有脊型波導結構。本申請的氮化物半導體發光器件，特別是III?V族氮化物半導體激光器或超輻射發光二極管具有電阻低、內損耗低、閾值電流小、熱阻小、穩定性和可靠性好等優點，同時其制備工藝簡單易實施。

技術領域

本申請涉及一種半導體光電器件及其制備方法，特別涉及一種具有脊形波導結構的氮化物半導體發光器件，如III-V族氮化物半導體激光器、超輻射發光二極管及其制備方法，屬于半導體光電技術領域。

背景技術

III-V族氮化物半導體被稱為第三代半導體材料，具有禁帶寬度大、化學穩定性好、抗輻照性強等優點；其禁帶寬度涵蓋從深紫外、整個可見光、到近紅外范圍，可用于制作半導體發光器件，如發光二極管、激光器和超輻射發光二極管等。其中，基于III-V族氮化物半導體的激光器、超輻射發光二極管具有制作簡單、體積小、重量輕、壽命長和效率高等優點，未來有望在激光顯示、激光照明和激光存儲等領域得到廣泛應用。

氮化物半導體光電器件通常為p-n結結構。對于III-V族氮化物半導體，通常采用二茂鎂(CP₂Mg)作為p型摻雜劑，由于Mg受主在氮化物中的電離能較高(GaN:170meV,AlN:470meV)，通常不到10％的Mg受主發生電離，使得作為p型層的p型氮化物半導體中的空穴濃度較低。同時由于p型氮化物半導體中的Mg受主摻雜濃度較高，空穴有效質量較大，空穴的遷移率較低，導致p型氮化物半導體中的電阻較大。而且，為使III-V族氮化物半導體激光器、超輻射發光二極管等保證較好的光場限制，一般需要將p型氮化物半導體的厚度控制于500nm左右，但這也使得器件的串聯電阻很大，導致激光器工作時約30％以上的電壓降在激光器的串聯電阻上。激光器工作時的熱功率較高，結溫大幅上升，嚴重影響了激光器的性能和壽命。在紫外激光器中p型層電阻更大，因為紫外激光器中p型AlGaN光學限制層中的Al組分更高，Mg受主的電離能更大，p型AlGaN光學限制層中空穴濃度更低，激光器的電阻更大，熱功率更大，結溫更高；與此同時，空穴濃度低，造成電子空穴注入不對稱，影響了激光器的注入效率，上述這些因素都影響紫外激光器的閾值電流密度、壽命等。

此外，氮化物半導體激光器或超輻射發光二極管通常采用AlGaN作為光學限制層。傳統激光器或超輻射發光二極管中，AlGaN光學限制層與波導層的折射率差較小(約為5％)，導致激光器或超輻射發光二極管的光學限制因子較小(約為2.5％)，遠小于傳統III-V族GaAs或InP基半導體激光器或超輻射發光二極管(8％)。因此，氮化物半導體激光器或超輻射發光二極管激射所需的發光材料增益更高，閾值電流更大。

受激光器或超輻射發光二極管中p型層電阻大和激光器量子阱限制因子小等因素影響，目前氮化物半導體激光器或超輻射發光二極管的電光轉換效率仍然小于40％，其余的電功率都轉換成了熱功率。而傳統的激光器或超輻射發光二極管均采用正裝的方式封裝，熱量需通過約3μm厚的激光器或超輻射發光二極管結構和約100μm厚的襯底傳導到熱沉中，激光器或超輻射發光二極管中熱量的傳導路徑很長，且由于襯底熱導率較低，因此激光器或超輻射發光二極管的熱阻很大。而激光器或超輻射發光二極管的熱功率較大，因此器件的結溫較高，嚴重影響了器件的性能和壽命。