[發明專利]一種GaN基窄帶發射共振腔發光二極管及其制作方法

有效

• 申請號: 202010615441.8
• 申請日: 2020-06-29
• 公開（公告）號: CN111785819B
• 公開（公告）日: 2021-09-07
• 發明（設計）人: 呂雪芹;趙振宇
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: H01L33/46
• 分類號: H01L33/46;H01L33/10;H01L33/00
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務所(普通合伙) 35200
• 代理人: 張素斌

1.一種GaN基窄帶發射共振腔發光二極管，其特征在于：包括位于頂側同一平面內的第一反射器和頂部金屬電極，所述第一反射器作為發光窗口；從頂側向下依次設有連接發光有源區到第一反射器的第一腔、發光有源區、連接發光有源區到第二反射器的第二腔、連接到第二腔的第二反射器、連接到第二反射器的導電襯底；

所述第一腔包括n型層，所述第二腔包括依次設置的電子阻擋層和p型層；

所述第一反射器為法布里-珀羅濾波器結構的反射器，第一反射器的反射率數值在設計的中心波長λ處較低，在其他波長處較高，其反射率曲線在λ處存在一個透光凹帶；

所述第二反射器為金屬反射器；

其中，所述第一反射器、第一腔、發光有源區、第二腔和第二反射器共同構成諧振腔，有源區發光在諧振腔內來回傳輸，在第一反射器反射率曲線中透光凹帶對反射光的調控作用下，GaN基窄帶發射共振腔發光二極管在特定中心波長λ處實現單縱模窄帶發射；

所述第一反射器包含n對高-低介質膜層和n對低-高介質膜層；上方的n對高-低介質膜層由λ/4厚度高折射率介質膜與λ/4厚度低折射率介質膜交替構成，其中與空氣相連接的為λ/4厚度高折射率介質膜，下方的n對低-高介質膜層由λ/4厚度低折射率介質膜與λ/4厚度高折射率介質膜交替構成，其中與器件相連接的為λ/4厚度高折射率介質膜。

2.如權利要求1所述的一種GaN基窄帶發射共振腔發光二極管，其特征在于：第一反射器的高折射率材料選用T_iO₂、Ta₂O₅或HfO₂，低折射率材料選用SiO₂。

3.如權利要求1所述的一種GaN基窄帶發射共振腔發光二極管，其特征在于：所述n對高-低介質膜層和n對低-高介質膜層中的對數n取1～15中的任一整數值。

4.如權利要求1所述的一種GaN基窄帶發射共振腔發光二極管，其特征在于：所述第一反射器的反射率曲線中透光凹帶的中心波長λ可通過改變高、低折射率介質膜層的厚度λ/4調節；所述第一反射器在不同波長處的反射率數值變化可通過調節組成介質膜層的對數n實現。

5.如權利要求1所述的一種GaN基窄帶發射共振腔發光二極管，其特征在于：所述n型層為n型摻雜的GaN，通過向GaN中摻雜Si元素實現，通過調節摻雜的雜質濃度來控制n型層中電子的數量。

6.如權利要求1所述的一種GaN基窄帶發射共振腔發光二極管，其特征在于：所述p型層為p型摻雜的GaN，通過向GaN中摻雜Mg元素實現，通過調節摻雜的雜質濃度控制p型層中空穴的數量。

7.如權利要求1所述的一種GaN基窄帶發射共振腔發光二極管，其特征在于：所述電子阻擋層為Al_xGa_1-xN層，用于防止在大電流注入下發光有源區中電子泄露。

8.如權利要求1所述的一種GaN基窄帶發射共振腔發光二極管，其特征在于：所述發光有源區為由交替的In_xGa_1-xN阱層和GaN壘層組成的量子阱有源區，位于裝置的反節點處，通過調控x來調控量子阱有源區的發光波長。

9.權利要求1～8任一項所述的一種GaN基窄帶發射共振腔發光二極管的制作方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟1)在藍寶石襯底上進行外延材料生長：首先在藍寶石襯底上生長一層GaN緩沖層和一層未摻雜的GaN層，以避免襯底與GaN之間的晶格失配；隨后，生長n型層、發光有源區、電子阻擋層、p型層，完成外延材料的生長過程；

步驟2)生長第二反射器：在外延片生長完成后，在p型層的上方生長第二反射器，并通過退火工藝使得第二反射器與p型層之間形成良好的p型歐姆接觸；

步驟3)通過金屬鍵合的方式將外延片鍵合到導電襯底上：將外延片倒置，通過金屬鍵合連接第二反射器與導電襯底，使得外延片與導電襯底相連；

步驟4)去除藍寶石襯底和未摻雜的GaN層：利用激光剝離技術去除藍寶石襯底，再利用等離子體刻蝕技術去除未摻雜的GaN層，最后利用拋光技術將n型GaN層減薄并使表面光滑，通過拋光同時可以控制裝置的腔長，裝置的腔長為λ/2的整數倍；

步驟5)制作頂部金屬電極：通過等離子體刻蝕技術制作圓形或者方形的電流隔離區域，在電流隔離區域內，通過光刻、掩膜輔助技術，在裝置頂部利用電子束蒸發技術蒸鍍特定形狀的金屬電極；

步驟6)蒸鍍第一反射器：通過光刻、掩膜輔助技術，在無金屬電極覆蓋的器件出光表面，即n型層的頂側，利用電子束蒸發技術蒸鍍第一反射器，即完成GaN基窄帶發射共振腔發光二極管的制備。