GaN基蓝紫光垂直腔面发射激光器芯片及其制作方法与流程

gan基蓝紫光垂直腔面发射激光器芯片及其制作方法
技术领域
1.本公开涉及半导体器件制作领域，特别涉及一种gan基蓝紫光垂直腔面发射激光器芯片及其制作方法。


背景技术：

2.垂直腔表面发射激光器是一种常见的半导体光学器件，常用于短距离数据网络、传感应用等领域。垂直腔表面发射激光器芯片为用于制备垂直腔表面发射激光器的基础结构，垂直腔表面发射激光器芯片通常包括n电极、p电极与外延片，外延片则包括n-gan衬底及依次层叠在n-gan衬底上的第一dbr(distributed bragg reflector，分布式布拉格反射镜)、量子阱有源层、第二dbr、p-gan欧姆接触层，n电极与p电极则分别位于n-gan衬底与p-gan欧姆接触层上。
3.蓝紫光垂直腔表面发射激光器芯片中，常用的第一dbr及第二dbr均为gan/algan分布式拉格反射层，但氮化镓材料与铝镓氮材料之间存在较大的晶格失配，导致得到的蓝紫光垂直腔表面发射激光器芯片的质量不够理想，影响得到的蓝紫光垂直腔表面发射激光器的出光率与稳定使用。


技术实现要素：

4.本公开实施例提供了gan基蓝紫光垂直腔面发射激光器芯片及其制作方法，能够提高得到的蓝紫光垂直腔表面发射激光器芯片的质量以保证蓝紫光垂直腔表面发射激光器的稳定使用。所述技术方案如下：
5.本公开实施例提供了一种gan基蓝紫光垂直腔面发射激光器芯片，所述gan基蓝紫光垂直腔面发射激光器芯片包括外延片、n电极与p电极，
6.所述外延片包括n-gan衬底及依次层叠在n-gan衬底上的第一分布式布拉格反射镜、量子阱有源层、第二分布式布拉格反射镜、p-gan欧姆接触层，
7.所述第一分布式布拉格反射镜包括非掺杂的aln/gan超晶格结构，所述第二分布式布拉格反射镜包括algan/gan超晶格结构，
8.所述n电极与所述p电极则分别位于所述n-gan衬底与所述p-gan欧姆接触层上。
9.可选地，所述第一分布式布拉格反射镜的对数为20～30，所述第二分布式布拉格反射镜的对数为5～20。
10.可选地，所述第一分布式布拉格反射镜的厚度为200～400nm，所述第二分布式布拉格反射镜的厚度为50～250nm。
11.可选地，所述外延片还包括层叠在所述p-gan欧姆接触层上的siox载流子阻挡层，所述siox载流子阻挡层具有用于连通至所述p-gan欧姆接触层的导流通孔。
12.可选地，所述外延片还包括层叠在所述siox载流子阻挡层上的wox电流扩展层，所述wox电流扩展层位于所述p电极与所述siox载流子阻挡层之间。
13.可选地，所述p电极的表面具有延伸至所述wox电流扩展层的开孔，所述外延片还
包括位于所述开孔内的反射结构1011。
14.可选地，所述导流通孔的轴线与所述开孔的轴线重合，所述开孔的直径大于所述导流通孔的直径。
15.可选地，所述反射结构1011包括tao
x
/mgf2分布式布拉格反射镜。
16.可选地，所述tao
x
/mgf2分布式布拉格反射镜的对数为15～30。
17.本公开实施例提供了一种gan基蓝紫光垂直腔面发射激光器芯片的制备方法，所述制备方法包括：
18.提供一n-gan衬底；
19.在所述n-gan衬底上依次生长第一分布式布拉格反射镜、量子阱有源层、第二分布式布拉格反射镜、p-gan欧姆接触层，所述第一分布式布拉格反射镜包括非掺杂的aln/gan超晶格结构，所述第二分布式布拉格反射镜包括algan/gan超晶格结构；
20.在所述n-gan衬底远离所述p-gan欧姆接触层的一面制备n电极；
21.在所述p-gan欧姆接触层远离所述n-gan衬底的一面制备p电极。
22.本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果包括：
23.将n-gan衬底上的第一分布式布拉格反射镜设置为包括非掺杂的aln/gan超晶格结构，aln/gan超晶格结构制备得到的分布式布拉格反射镜的反射率较高，可以对蓝紫光进行有效反射以提高最终得到的gan基蓝紫光垂直腔面发射激光器的出光率。同时非掺杂的aln/gan超晶格结构的质量也较好，可以减小aln/gan超晶格结构以及gan基蓝紫光垂直腔面发射激光器芯片内部的缺陷，缺陷的减小同样可以起到提高出光率的作用。另一方面将第二分布式布拉格反射镜设置在量子阱有源层与p-gan欧姆接触层之间，且第二分布式布拉格反射镜包括algan/gan超晶格结构，可以起到释放应力的作用以减小应力带来的形变缺陷，还可以有效抑制载流子溢出，同时降低空穴势垒高度有利于空穴传输，以改善器件性能。整体可以有效提高得到的gan基蓝紫光垂直腔面发射激光器的质量与出光效率，保证gan基蓝紫光垂直腔面发射激光器的稳定使用。
附图说明
24.为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1是本公开实施例提供的一种gan基蓝紫光垂直腔面发射激光器芯片的结构示意图；
26.图2是本公开实施例提供的另一种gan基蓝紫光垂直腔面发射激光器芯片的结构示意图；
27.图3是本公开实施例提供的另一种gan基蓝紫光垂直腔面发射激光器芯片的俯视图；
28.图4是本公开实施例提供的一种gan基蓝紫光垂直腔面发射激光器芯片的制备方法流程图；
29.图5是本公开实施例提供的另一种gan基蓝紫光垂直腔面发射激光器芯片的制备
方法流程图。
具体实施方式
30.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。
31.图1是本公开实施例提供的一种gan基蓝紫光垂直腔面发射激光器芯片的结构示意图，参考图1可知，本公开实施例提供了一种gan基蓝紫光垂直腔面发射激光器芯片，gan基蓝紫光垂直腔面发射激光器芯片包括外延片1、n电极2与p电极3。
32.外延片1包括n-gan衬底101及依次层叠在n-gan衬底101上的第一分布式布拉格反射镜102、量子阱有源层103、第二分布式布拉格反射镜104、p-gan欧姆接触层105。
33.第一分布式布拉格反射镜102包括非掺杂的aln/gan超晶格结构，第二分布式布拉格反射镜104包括algan/gan超晶格结构。
34.n电极2与p电极3则分别位于n-gan衬底101与p-gan欧姆接触层105上。
35.将n-gan衬底101上的第一分布式布拉格反射镜102设置为包括非掺杂的aln/gan超晶格结构，aln/gan超晶格结构制备得到的分布式布拉格反射镜的反射率较高，可以对蓝紫光进行有效反射以提高最终得到的gan基蓝紫光垂直腔面发射激光器的出光率。同时非掺杂的aln/gan超晶格结构的质量也较好，可以减小aln/gan超晶格结构以及gan基蓝紫光垂直腔面发射激光器芯片内部的缺陷，缺陷的减小同样可以起到提高出光率的作用。另一方面将第二分布式布拉格反射镜104设置在量子阱有源层103与p-gan欧姆接触层105之间，且第二分布式布拉格反射镜104包括algan/gan超晶格结构，可以起到释放应力的作用以减小应力带来的形变缺陷，还可以有效抑制载流子溢出，同时降低空穴势垒高度有利于空穴传输，以改善器件性能。整体可以有效提高得到的gan基蓝紫光垂直腔面发射激光器的质量与出光效率，保证gan基蓝紫光垂直腔面发射激光器的稳定使用。
36.需要说明的是，蓝紫光的波长为400～450nm。第一分布式布拉格反射镜102中，每个折射层的厚度可在4.5～7nm的范围内选取，第二分布式布拉格反射镜104中，每个折射层的厚度可在2～8nm的范围内选取。能够保证对蓝紫光进行有效反射，提高最终得到的激光器的出光效率。
37.可选地，第一分布式布拉格反射镜102的对数为20～30，第二分布式布拉格反射镜104的对数为5～20。
38.第一分布式布拉格反射镜102的对数与第二分布式布拉格反射镜104的对数分别在以上范围内时，可以控制最终得到的第一分布式布拉格反射镜102与第二分布式布拉格反射镜104的厚度以及反射率均较为合理，提高反射率的同时有效控制得到的第一分布式布拉格反射镜102与第二分布式布拉格反射镜104的制备成本。
39.示例性地，第一分布式布拉格反射镜102的厚度为200～400nm，第二分布式布拉格反射镜104的厚度为50～250nm。
40.第一分布式布拉格反射镜102的厚度与第二分布式布拉格反射镜104的厚度分别在以上范围内，可以控制最终得到的第一分布式布拉格反射镜102与第二分布式布拉格反射镜104的制备成本较为合理，同时可以有效提高最终得到的激光器对蓝紫光的反射率。第一分布式布拉格反射镜102的厚度在以上范围内，还可以控制最终得到的激光器的底层结
构的晶体质量较好，以提高最终得到的激光器的质量进而提高激光器的出光效率。
41.示例性地，第二分布式布拉格反射镜104中的algan折射层中，al的组分为0.15～0.3，ga的组分为0.7～0.85。可以保证得到的第二分布式布拉格反射镜104的质量较好。
42.图2是本公开实施例提供的另一种gan基蓝紫光垂直腔面发射激光器芯片的结构示意图，参考图2可知，gan基蓝紫光垂直腔面发射激光器芯片包括外延片1、n电极2与p电极3。
43.外延片1包括n-gan衬底101及依次层叠在n-gan衬底101上的n-gan缓冲层106、第一分布式布拉格反射镜102、n-gan限制层107、量子阱有源层103、p-gan限制层108、第二分布式布拉格反射镜104、p-gan欧姆接触层105。
44.第一分布式布拉格反射镜102包括非掺杂的aln/gan超晶格结构，第二分布式布拉格反射镜104包括algan/gan超晶格结构。
45.需要说明的是，图2中所示的第一分布式布拉格反射镜102与第二分布式布拉格反射镜104可分别参考图1中所示的第一分布式布拉格反射镜102与第二分布式布拉格反射镜104，因此此处不再赘述。
46.可选地，n-gan缓冲层106的厚度为10～30nm。
47.n-gan缓冲层106的增加，可以减小n-gan衬底101与第一分布式布拉格反射镜102之间晶格失配导致的缺陷的数量。n-gan缓冲层106的厚度在以上范围内，则可以有效降低缺陷的同时，有效控制n-gan缓冲层106的制备成本，也不会因厚度过大而对光线的出射造成影响。
48.示例性地，n-gan限制层107中n型掺杂的元素可为si。
49.n-gan限制层107的增加便于实现量子阱有源层103与第一分布式布拉格反射镜102之间的过渡，也可以有效控制载流子的流动。
50.可选地，n-gan限制层107的厚度为100～200nm，n-gan限制层107中n型杂质的掺杂浓度为5e106cm-3
～2e107cm-3
。
51.n-gan限制层107的厚度与n型杂质的掺杂浓度分别在以上范围内，n-gan限制层107本身的质量较好，也可以保证载流子的有效提供。
52.可选地，量子阱有源层103可包括in含量不同的第一铟镓氮子层与第二铟镓氮子层交替层叠得到。可以保证激光器的稳定正常发光。
53.示例性地，第一铟镓氮子层的厚度为4～8nm，第二铟镓氮的厚度为5～102nm，第一铟镓氮子层的厚度为4～8nm，第二铟镓氮的厚度为5～102nm。
54.得到的量子阱有源层103的质量较好，光线的出射率也较高。
55.示例性地，第一铟镓氮子层与第二铟镓氮的对数可为5～10。可以保证载流子的复合与光线的出射。
56.可选地，p-gap限制层的厚度为5～200pm。
57.p-gap限制层的厚度在以上范围内，p-gap限制层本身的质量较好，也可以保证载流子的有效提供。
58.可选地，p-gap欧姆接触层105的厚度为5～200pm，p型杂质的掺杂浓度为7e107 cm-3
～9e107 cm-3
。
59.p-gap欧姆接触层105的厚度与p型杂质的掺杂浓度分别在以上范围内，p-gap欧姆
接触层105本身的质量较好，也可以保证载流子的有效提供。
60.参考图2可知，外延片1还包括层叠在p-gan欧姆接触层105上的siox载流子阻挡层106，siox载流子阻挡层109具有用于连通至p-gan欧姆接触层105的导流通孔1091。
61.siox载流子阻挡层109可以起到促使电流集中并从导流通孔1091内流过的效果，提高出光复合度。
62.示例性地，siox载流子阻挡层109的厚度为1060～230nm。可以有效控制电流的流动方向。
63.可选地，外延片1还包括层叠在siox载流子阻挡层109上的wox电流扩展层1010，wox电流扩展层1010位于p电极3与siox载流子阻挡层109之间。
64.wox电流扩展层1010可以促进电流的良好流动，并且wox材料对蓝紫光的穿透率在90％以上，可以有效提高激光器的出光集中率与出光强度。并且wox材料的折射率为2.2～2.4，功函数5.1～5.4ev，可以有效增加出光中心孔中电流分布，降低器件电压，提升复合效率。
65.示例性地，wox电流扩展层1010的厚度可为300～500nm。可以控制整体成本的同时有效提高整体的出光效率。
66.需要说明的是，wox电流扩展层1010可以覆盖部分siox载流子阻挡层109的远离衬底101的表面。wox电流扩展层1010的体积更大，对电流的导流效果更好，电流可以更均匀进入激光器内。
67.可选地，p电极3的表面具有延伸至wox电流扩展层1010的开孔301，外延片1还包括位于开孔301内的反射结构1011。
68.反射结构1011可以与wox电流扩展层1010配合，提高对蓝紫光的出光率。
69.需要说明的是，p电极3可以覆盖wox电流扩展层1010的部分表面以及siox载流子阻挡层109的部分表面。保证电流的稳定传递。
70.示例性地，导流通孔10901的轴线与开孔301的轴线重合，开孔301的直径大于导流通孔10901的直径。
71.导流通孔10901的轴线与开孔301的轴线重合，开孔301的直径大于导流通孔10901的直径，可以便于电流的传递，且可以控制出光效率较高。
72.为便于理解，此处可提供图3，图3是本公开实施例提供的另一种gan基蓝紫光垂直腔面发射激光器芯片的俯视图，图3中可见p电极3上的开孔301，以及开孔301内的反射结构1011。
73.可选地，反射结构1011包括tao
x
/mgf2分布式布拉格反射镜。
74.tao
x
/mgf2分布式布拉格反射镜中，taox折射率2.1～2.3，mgf2折射率1.38～1.39，可以形成高低折射率差异，提升出光口层材料的光学增溢。
75.示例性地，tao
x
/mgf2分布式布拉格反射镜的对数为15～30。
76.tao
x
/mgf2分布式布拉格反射镜的对数在以上范围内，可以对蓝紫光进行有效反射，且整体的制备成本也较为合理。
77.可选地，tao
x
/mgf2分布式布拉格反射镜中，每个折射层的厚度可为5～500nm。便于对蓝紫光的反射。
78.在本公开所提供的其他实现方式中，tao
x
/mgf2分布式布拉格反射镜中，每个折射
层的厚度可为10～200nm。反射效果更好，本公开对此不做限制。
79.需要说明的是，在具有siox载流子阻挡层109以及反射结构1011的前提下，siox载流子阻挡层109可覆盖p-gan欧姆接触层105的整个表面。促使光线更为集中，进一步提高出光强度。
80.需要说明的是，图2中所示的gan基蓝紫光垂直腔面发射激光器芯片的结构相对图1中所示的gan基蓝紫光垂直腔面发射激光器芯片的结构，增加了n-gan缓冲层106、n-gan限制层107、p-gan限制层108、siox载流子阻挡层109、wox电流扩展层1010及反射结构1011，可以得到质量更好的gan基蓝紫光垂直腔面发射激光器。
81.图4是本公开实施例提供的一种gan基蓝紫光垂直腔面发射激光器芯片的制备方法流程图，参考图4可知，该gan基蓝紫光垂直腔面发射激光器芯片制备方法包括：
82.s101：提供一n-gan衬底。
83.s102：在n-gan衬底上依次生长第一分布式布拉格反射镜、量子阱有源层、第二分布式布拉格反射镜、p-gan欧姆接触层，第一分布式布拉格反射镜包括非掺杂的aln/gan超晶格结构，第二分布式布拉格反射镜包括algan/gan超晶格结构。
84.s103：在n-gan衬底远离p-gan欧姆接触层的一面制备n电极。
85.s104：在p-gan欧姆接触层远离n-gan衬底的一面制备p电极。
86.执行完步骤s104之后的技术效果可参考图1中所示的gan基蓝紫光垂直腔面发射激光器芯片的效果，因此此处不再赘述。执行完步骤s104得到的gan基蓝紫光垂直腔面发射激光器芯片的结构也可参考图1所示的gan基蓝紫光垂直腔面发射激光器芯片。
87.为便于理解，此处提供图5，图5是本公开实施例提供的另一种gan基蓝紫光垂直腔面发射激光器芯片的制备方法流程图，参考图5可知，该gan基蓝紫光垂直腔面发射激光器芯片制备方法包括：
88.s201：提供一n-gan衬底。
89.s202：在n-gan衬底上依次生长n-gan缓冲层、第一分布式布拉格反射镜、量子阱有源层、第二分布式布拉格反射镜、p-gan欧姆接触层，第一分布式布拉格反射镜包括非掺杂的aln/gan超晶格结构，第二分布式布拉格反射镜包括algan/gan超晶格结构。
90.可选地，n-gan缓冲层的生长温度与生长压力可分别为450-600度、100～300torr。有利于n-gan缓冲层的缓慢生长与沉积，提高靠近n-gan衬底的底层外延结构质量。
91.示例性地，第一分布式布拉格反射镜的生长温度与生长压力可分别为700～900度、100～300torr。得到的第一分布式布拉格反射镜的质量较好。
92.可选地，量子阱有源层的生长温度与生长压力可分别为600-700度、100～300torr。得到的量子阱有源层的质量较好。
93.可选地，第二分布式布拉格反射镜的生长温度与生长压力可分别为800-1000度、100～300torr。得到的第二分布式布拉格反射镜的质量较好。
94.可选地，p-gan欧姆接触层的生长温度与生长压力可分别为850-900度、100～600torr。得到的p-gan欧姆接触层的质量较好。
95.s203：在p-gan欧姆接触层上依次生长siox载流子阻挡层于wox电流扩展层。
96.示例性地，siox载流子阻挡层可通过等离子体增强化学气相沉积设备得到。可以提高siox载流子阻挡层的生长质量。
97.步骤s203中，在siox载流子阻挡层沉积完之后，在siox载流子阻挡层通过光刻工艺可得到导流通孔；再进一步生长wox电流扩展。
98.可选地，wox电流扩展层可通过物理气相沉积的方式生长。可以提高得到的wox电流扩展层的质量。
99.s204：在p-gan欧姆接触层远离n-gan衬底的一面制备p电极。
100.示例性地，p电极可包括在n-gan衬底指向p-gan欧姆接触层的方向上依次层叠的cr、ti、ni、ti、pt、au。可以保证电流的稳定传递，也便于走线。
101.示例性地，p电极的厚度可为2～3um。电流导向能力较好。
102.s205：在p电极制备延伸至及wox电流扩展层的开孔，在开孔内形成反射结构1011。
103.可选地，开孔可通过光刻工艺得到。便于制备与获取。
104.s206：在n-gan衬底远离p-gan欧姆接触层的一面制备n电极。
105.示例性地，n电极的厚度可为0.3～1um。电流导向能力较好。
106.s207：对gan基蓝紫光垂直腔面发射激光器芯片退火。
107.示例性地，在230～280度的温度条件小，对gan基蓝紫光垂直腔面发射激光器芯片进行快速热退火。可以有效提高最终得到的gan基蓝紫光垂直腔面发射激光器芯片的晶体质量。
108.需要说明的是，在本公开实施例中，采用veecok 465i or c4 or rb mocvd(metal or ganic chemical vapor deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备实现led的生长方法。采用高纯h2(氢气)或高纯n2(氮气)或高纯h2和高纯n2的混合气体作为载气，高纯nh3作为n源，三甲基镓(tmga)及三乙基镓(tega)作为镓源，三甲基铟(tmin)作为铟源，硅烷(sih4)作为n型掺杂剂，三甲基铝(tmal)作为铝源，二茂镁(cp2mg)作为p型掺杂剂。
109.以上所述，并非对本公开作任何形式上的限制，虽然本公开已通过实施例揭露如上，然而并非用以限定本公开，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本公开技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本公开技术方案的内容，依据本公开的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本公开技术方案的范围内。