[發(fā)明專利]一種GaN基窄帶發(fā)射共振腔發(fā)光二極管及其制作方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010615441.8
• 申請日: 2020-06-29
• 公開（公告）號: CN111785819B
• 公開（公告）日: 2021-09-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 呂雪芹;趙振宇
• 申請（專利權(quán)）人: 廈門大學(xué)
• 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(wù)所(普通合伙) 35200
• 代理人: 張素斌

1.一種GaN基窄帶發(fā)射共振腔發(fā)光二極管，其特征在于：包括位于頂側(cè)同一平面內(nèi)的第一反射器和頂部金屬電極，所述第一反射器作為發(fā)光窗口；從頂側(cè)向下依次設(shè)有連接發(fā)光有源區(qū)到第一反射器的第一腔、發(fā)光有源區(qū)、連接發(fā)光有源區(qū)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(dǎo)電襯底；

所述第一腔包括n型層，所述第二腔包括依次設(shè)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(jié)構(gòu)的反射器，第一反射器的反射率數(shù)值在設(shè)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(fā)光有源區(qū)、第二腔和第二反射器共同構(gòu)成諧振腔，有源區(qū)發(fā)光在諧振腔內(nèi)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(diào)控作用下，GaN基窄帶發(fā)射共振腔發(fā)光二極管在特定中心波長λ處實現(xiàn)單縱模窄帶發(fā)射；

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

2.如權(quán)利要求1所述的一種GaN基窄帶發(fā)射共振腔發(fā)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(quán)利要求1所述的一種GaN基窄帶發(fā)射共振腔發(fā)光二極管，其特征在于：所述n對高-低介質(zhì)膜層和n對低-高介質(zhì)膜層中的對數(shù)n取1～15中的任一整數(shù)值。

4.如權(quán)利要求1所述的一種GaN基窄帶發(fā)射共振腔發(fā)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(zhì)膜層的厚度λ/4調(diào)節(jié)；所述第一反射器在不同波長處的反射率數(shù)值變化可通過調(diào)節(jié)組成介質(zhì)膜層的對數(shù)n實現(xiàn)。

5.如權(quán)利要求1所述的一種GaN基窄帶發(fā)射共振腔發(fā)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(xiàn)，通過調(diào)節(jié)摻雜的雜質(zhì)濃度來控制n型層中電子的數(shù)量。

6.如權(quán)利要求1所述的一種GaN基窄帶發(fā)射共振腔發(fā)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(xiàn)，通過調(diào)節(jié)摻雜的雜質(zhì)濃度控制p型層中空穴的數(shù)量。

7.如權(quán)利要求1所述的一種GaN基窄帶發(fā)射共振腔發(fā)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(fā)光有源區(qū)中電子泄露。

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

9.權(quán)利要求1～8任一項所述的一種GaN基窄帶發(fā)射共振腔發(fā)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(fā)光有源區(qū)、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(dǎo)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(dǎo)電襯底，使得外延片與導(dǎo)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(shù)去除藍寶石襯底，再利用等離子體刻蝕技術(shù)去除未摻雜的GaN層，最后利用拋光技術(shù)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(shù)倍；

步驟5)制作頂部金屬電極：通過等離子體刻蝕技術(shù)制作圓形或者方形的電流隔離區(qū)域，在電流隔離區(qū)域內(nèi)，通過光刻、掩膜輔助技術(shù)，在裝置頂部利用電子束蒸發(fā)技術(shù)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(shù)，在無金屬電極覆蓋的器件出光表面，即n型層的頂側(cè)，利用電子束蒸發(fā)技術(shù)蒸鍍第一反射器，即完成GaN基窄帶發(fā)射共振腔發(fā)光二極管的制備。