激光二极管的制作方法

1.本技术涉及半导体相关技术领域，尤其涉及一种激光二极管。


背景技术：

2.以氮化镓为代表的iii族氮化物是直接跃迁型的宽带隙半导体材料，其具有较宽的能带，是制作从紫外光波段到绿光波段激光器的理想材料。氮化镓基蓝绿光激光器具有体积小、集成度高、亮度高、分辨率高等优点，光场的分布和光子局限能力是影响氮化镓基蓝绿光激光器性能的关键因素。
3.在传统氮化镓基蓝绿光激光器中，氮化铟镓波导层可被用来限制光场，由于氮化铟镓与氮化镓的晶格存在较大差异，在氮化铟镓波导层与氮化镓层的界面处易形成界面缺陷，这些界面缺陷会影响氮化铟镓波导层的稳定性。


技术实现要素：

4.本技术的目的在于提供一种激光二极管，其通过在第一波导层中加入微量的铝组分，可有效改善第一波导层和n型层界面处因存在晶格差异而形成的界面缺陷，并提高第一波导层的稳定性。
5.第一方面，本技术实施例提供了一种激光二极管，其包括n型层、p型层和位于两者之间的有源层；n型层和有源层之间包括有第一波导层；
6.第一波导层包括铝铟镓氮四元合金，第一波导层中铝的浓度为1
×
10
16
cm-3
～3
×
10
16
cm-3
，或者3
×
10
16
cm-3
～5
×
10
17
cm-3
，或者5
×
10
17
cm-3
～1
×
10
18
cm-3
。
7.在一种可能的实施方案中，第一波导层具有铝的第一浓度轮廓，第一浓度轮廓包括至少一个第一峰形。
8.在一种可能的实施方案中，与n型层相距最近的第一峰形的峰值浓度位于n型层上表面起0nm至100nm的一段距离内。
9.在一种可能的实施方案中，第一浓度轮廓包括一个第一峰形，第一峰形的峰值浓度位于n型层上表面起0nm至50nm的一段距离内。
10.在一种可能的实施方案中，第一峰形的峰宽大于等于5nm，且小于等于10nm；第一峰形的峰值浓度大于1
×
10
17
cm-3
。
11.在一种可能的实施方案中，第一峰形的峰宽大于等于10nm，且小于等于500nm；第一峰形的峰值浓度大于8
×
10
16
cm-3
。
12.在一种可能的实施方案中，第一浓度轮廓包括多个第一峰形，多个第一峰形的总峰宽大于等于150nm，且小于等于500nm。
13.在一种可能的实施方案中，第一波导层中铝的浓度为定值，该定值在α
±
10％α的范围内波动，α为第一波导层中铝的理论浓度值，且为5
×
10
16
～2
×
10
17
cm-3
中的任意值。
14.在一种可能的实施方案中，第一波导层靠近n型层的一侧表面为a面，铝在a面处的浓度与n型层中铝在靠近a面的一侧表面处的浓度之差相差10倍以上。
15.在一种可能的实施方案中，第一波导层的厚度大于等于150nm，且小于等于500nm。
16.在一种可能的实施方案中，第一波导层中铝的浓度等于或者小于第一波导层中铟的浓度的1％。
17.在一种可能的实施方案中，第一波导层中铟的浓度为n型层中铟的浓度的100倍以上。
18.在一种可能的实施方案中，第一波导层中铟的浓度为定值，该定值在β
±
10％β的范围内波动，β为第一波导层中铟的理论浓度值；或者，第一波导层靠近n型层的一侧表面为a面，靠近有源层的一侧表面为b面，第一波导层中铟的浓度自a面向b面递增。
19.在一种可能的实施方案中，第一波导层的折射率为2.4～2.6。
20.在一种可能的实施方案中，p型层和有源层之间包括有第二波导层，第二波导层包括铝铟镓氮四元合金。
21.与现有技术相比，本技术至少具有如下有益效果：
22.铝相较于铟具有较小的晶格常数，在第一波导层中加入微量的铝组分可有效降低第一波导层的晶格常数进而匹配n型层，以改善第一波导层和n型层界面处因存在晶格差异而形成的界面缺陷，并提高第一波导层的稳定性。
23.此外，通过第一波导层中铝组分渐变来调整第一波导层的折射率，以提高第一波导层的光子局限能力，进而减小激光二极管的阈值电流，并提高激光二极管的亮度。
24.此外，通过第一波导层中的铝组分和铟组分同时渐变来调整第一波导层的折射率，使得第一波导层的折射率的变化速率增大，以进一步提高第一波导层的光子局限能力。
附图说明
25.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
26.图1为根据本技术实施例示出的一种激光二极管的截面示意图；
27.图2为根据本技术实施例示出的一种激光二极管中部分元素的浓度或离子强度与深度的关系；
28.图3为图2中的区域i的变形形式；
29.图4为图2中的区域i的变形形式；
30.图5为图2中的区域i的变形形式；
31.图6为图2中的区域i的变形形式；
32.图7为根据本技术实施例示出的一种激光二极管中部分元素的浓度或离子强度与深度的关系；
33.图8为图7中的区域i的变形形式；
34.图9为图7中的区域i的变形形式；
35.图10为图7中的区域i的变形形式；
36.图11为图7中的区域i的变形形式；
37.图12为图7中的区域i的变形形式；
38.图13为图7中的区域i的变形形式。
39.图示说明：
40.1第一浓度轮廓；2第二浓度轮廓；
41.10衬底；11缓冲层；12n型层；13第一波导层；14有源层；15第二波导层；16p型电子阻挡层；17p型层；18第一电极；19第二电极；
42.100a面：第一波导层靠近n型层的一侧表面；
43.200b面：第一波导层靠近有源层的一侧表面；
44.300c面：第二波导层靠近p型层的一侧表面；
45.400d面：第二波导层靠近有源层的一侧表面。
具体实施方式
46.以下通过特定的具体实施例说明本技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本技术的其他优点与功效。本技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或营业，本技术中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本技术的精神下进行各种修饰或改变。
47.本技术包含的每一层的组成可用任何适合的方式分析，例如二次离子质谱仪(sims)；每一层的厚度可用任何适合的方式分析，例如穿透式电子显微镜(tem)或是扫描式电子显微镜(sem)，用于配合例如于sims图谱上的各层深度位置。
48.根据本技术的一个方面，提供一种激光二极管。参见图1，该激光二极管包括n型层12、p型层17和位于两者之间的有源层14，n型层12和有源层14之间包括有第一波导层13，第一波导层13靠近n型层12的一侧表面为a面100，靠近有源层14的一侧表面为b面200。n型层12为具有铝组分的氮化镓层，n型层12还可含有少量的铟组分或者不含有铟组分。
49.第一波导层13包括铝铟镓氮四元合金，图2和图7为激光二极管的sims图，且图2和图7中的区域i显示了第一波导层13中铝、铟的浓度或离子强度与深度的关系。第一波导层13中铟的浓度为n型层12中铟的浓度的100倍以上，因此，在第一波导层13中加入晶格常数较小的铝，以调配第一波导层13的晶格常数。第一波导层13中铝的浓度满足：铝在a面100处的浓度与n型层12中铝在靠近a面100的一侧表面处的浓度之差相差10倍以上，以使第一波导层13的晶格常数与n型层12的晶格常数匹配，且第一波导层13与n型层12之间无显著的色差。第一波导层13中铝的浓度为1
×
10
16
cm-3
～3
×
10
16
cm-3
，或者3
×
10
16
cm-3
～5
×
10
17
cm-3
，或者5
×
10
17
cm-3
～1
×
10
18
cm-3
。
50.较佳地，第一波导层13的厚度大于等于150nm，且小于等于500nm。
51.较佳地，第一波导层13中铝的浓度等于或者小于第一波导层13中铟的浓度的1％。由于原有的氮化铟镓波导层与氮化镓存在较大的晶格差异，选取微量的铝组分与铟组分混合，可有效降低氮化铟镓的晶格常数进而匹配氮化镓材料，以改善第一波导层13和n型层12界面处因存在晶格差异而形成的界面缺陷，并提高第一波导层13的稳定性。由于铝和铟的生长温度具有较大差异，若第一波导层13中铝的浓度大于第一波导层13中铟的浓度的1％时，会使得第一波导层13中铝含量过多，影响第一波导层13的生长质量以及稳定性。
52.在一种实施方式中，参见图2，图2为激光二极管的sims图，且图2中的区域i显示了第一波导层13中铝、铟的浓度或离子强度与深度的关系，第一波导层13中铟的浓度为定值，
该定值在β
±
10％β的范围内波动，β为第一波导层13中铟的理论浓度值，第一波导层13中铝的浓度是渐变的。通过第一波导层13中铝组分渐变来调整第一波导层13的折射率，以提高第一波导层13的光子局限能力，进而减小激光二极管的阈值电流，并提高激光二极管的亮度。
53.具体地，第一波导层13包括al
x
inyga
1-x-y
n，y为定值，x为渐变值，x的取值范围为0～0.1，y的取值范围为0～0.2。第一波导层13中铝的浓度优选为3
×
10
16
～5
×
10
17
cm-3
，铟的浓度优选为2
×
10
20
～4
×
10
20
cm-3
，第一波导层13的折射率优选为2.4～2.6。
54.需要说明的是，已知第一波导层13包括al
x
inyga
1-x-y
n，在确定铝和铟的配比之后，即可确定出镓和氮的比例，无需对镓和氮的比例再进一步示例说明。
55.在一种实施方式中，参见图3和图4，第一波导层13具有铝的第一浓度轮廓1，该第一浓度轮廓1由sims图得到。第一浓度轮廓1包括一个第一峰形，第一峰形的峰值浓度位于n型层12上表面起0nm至50nm的一段距离内，也可以描述为第一峰形的峰顶与n型层12上表面之间的距离d2为0nm至50nm。
56.如图3所示，图3为图2中区域i的一种等比例示意图，第一峰形的峰宽d1大于等于5nm，且小于等于10nm。第一峰形的峰值浓度位于n型层12上表面起0nm至5nm的一段距离内，也可以描述为第一峰形的峰顶与n型层12上表面之间的距离d2为0nm至5nm。第一峰形的峰值浓度大于1
×
10
17
cm-3
，且上述峰值浓度优选为2
×
10
17
～5
×
10
17
cm-3
。在该实施例中，第一波导层13中铝的浓度变化较为剧烈，对于第一波导层13和n型层12界面处因存在晶格差异而形成的界面缺陷的改善效果较为显著。
57.如图4所示，图4为图2中区域i的一种等比例示意图，第一峰形的峰宽d1大于等于10nm，且小于等于500nm。第一峰形的峰值浓度位于n型层12上表面起5nm至50nm的一段距离内，也可以描述为第一峰形的峰顶与n型层12上表面之间的距离d2为5nm至50nm。第一峰形的峰值浓度大于8
×
10
16
cm-3
，且上述峰值浓度优选为1
×
10
17
～3
×
10
17
cm-3
。
58.作为可替换的实施方式，参见图5，图5为图2中区域i的一种等比例示意图，第一浓度轮廓1包括多个第一峰形，多个第一峰形的总峰宽d3大于等于150nm，且小于等于500nm。与n型层12相距最近的第一峰形的峰值浓度位于n型层12上表面起0nm至100nm的一段距离内，也可以描述为与n型层12相距最近的第一峰形的峰顶与n型层12上表面之间的距离d2为0nm至100nm。与n型层12相距最近的第一峰形的峰值浓度大于7
×
10
16
cm-3
，且上述峰值浓度优选为9
×
10
16
～2
×
10
17
cm-3
。
59.作为可替换的实施方式，参见图6，图6为图2中区域i的一种等比例示意图，第一波导层13中铝的浓度为定值，该定值在α
±
10％α的范围内波动，α为第一波导层13中铝的理论浓度值，且为5
×
10
16
～2
×
10
17
cm-3
中的任意值。第一浓度轮廓1近似为一条水平线。
60.较佳地，参见图3～图6，第一波导层13具有铟的第二浓度轮廓2，该第二浓度轮廓2由sims图得到，且第二浓度轮廓2近似为一条水平线。
61.在一种实施方式中，参见图7，图7为激光二极管的sims图，且图7中的区域i显示了第一波导层13中铝、铟的浓度或离子强度与深度的关系，第一波导层13中铟和铝的浓度均是渐变的。通过第一波导层13中铝组分和铟组分同时渐变来调整第一波导层13的折射率，以提高第一波导层13的光子局限能力，进而减小激光二极管的阈值电流，并提高激光二极管的亮度。
62.具体地，第一波导层13包括al
x
inyga
1-x-y
n，x和y均为渐变值，x的取值范围为0～0.1，y的取值范围为0～0.2，本实施例中，y的取值范围优选为0.15。第一波导层13中铝的浓度优选为3
×
10
16
～5
×
10
17
cm-3
，铟的浓度优选为3
×
10
16
～4
×
10
20
cm-3
，第一波导层13的折射率优选为2.4～2.6。
63.需要说明的是，已知第一波导层13包括al
x
inyga
1-x-y
n，在确定铝和铟的配比之后，即可确定出镓和氮的比例，无需对镓和氮的比例再进一步示例说明。
64.在一种实施方式中，参见图8和图9，第一波导层13具有铝的第一浓度轮廓1，该第一浓度轮廓1由sims图得到。第一浓度轮廓1包括一个第一峰形，第一峰形的峰值浓度位于n型层12上表面起0nm至50nm的一段距离内，也可以描述为第一峰形的峰顶与n型层12上表面之间的距离d2为0nm至50nm。
65.如图8所示，图8为图7中区域i的一种等比例示意图，第一峰形的峰宽d1大于等于5nm，且小于等于10nm。第一峰形的峰值浓度位于n型层12上表面起0nm至5nm的一段距离内，也可以描述为第一峰形的峰顶与n型层12上表面之间的距离d2为0nm至5nm。第一峰形的峰值浓度大于1
×
10
17
cm-3
，且上述峰值浓度优选为2
×
10
17
～5
×
10
17
cm-3
。在该实施例中，第一波导层13中铝的浓度变化较为剧烈，对于第一波导层13和n型层12界面处因存在晶格差异而形成的界面缺陷的改善效果较为显著。
66.如图9所示，图9为图7中区域i的一种等比例示意图，第一峰形的峰宽d1大于等于10nm，且小于等于500nm。第一峰形的峰值浓度位于n型层12上表面起5nm至50nm的一段距离内，也可以描述为第一峰形的峰顶与n型层12上表面之间的距离d2为5nm至50nm。第一峰形的峰值浓度大于8
×
10
16
cm-3
，且上述峰值浓度优选为1
×
10
17
～3
×
10
17
cm-3
。
67.作为可替换的实施方式，参见图10，图10为图7中区域i的一种等比例示意图，第一浓度轮廓1包括多个第一峰形，多个第一峰形的总峰宽d3大于等于150nm，且小于等于500nm。与n型层12相距最近的第一峰形的峰值浓度位于n型层12上表面起0nm至100nm的一段距离内，也可以描述为与n型层12相距最近的第一峰形的峰顶与n型层12上表面之间的距离d2为0nm至100nm。与n型层12相距最近的第一峰形的峰值浓度大于7
×
10
16
cm-3
，且上述峰值浓度优选为9
×
10
16
～2
×
10
17
cm-3
。
68.作为可替换的实施方式，参见图11，图11为图7中区域i的一种等比例示意图，第一波导层13中铝的浓度为定值，该定值在α
±
10％α的范围内波动，α为第一波导层13中铝的理论浓度值，且为5
×
10
16
～2
×
10
17
cm-3
中的任意值。第一浓度轮廓1近似为一条水平线。
69.在一种实施方式中，第一波导层13具有铟的第二浓度轮廓2，该第二浓度轮廓2由sims图得到。第一波导层13中铟的浓度自a面100向b面200递增，其中，铟在a面100处的浓度为3
×
10
16
～5
×
10
16
cm-3
，铟在b面200处的浓度为2
×
10
20
～4
×
10
20
cm-3
。铟的浓度自a面向b面递增时，铟的浓度可沿如图8～图11所示的第二浓度轮廓2变化，或者，铟的浓度可沿如图12所示的第二浓度轮廓2线性变化，或者，铟的浓度可沿如图13所示的第二浓度轮廓2变化。其中，上述图12和图13为图7中区域i的一种等比例示意图。
70.当铟的浓度沿如图13所示的第二浓度轮廓2变化时，第一波导层13中具有二段式转折的铟含量，该二段式转折的铟含量更有助于控制第一波导层13中铝组分的分布，以使第一波导层13具有良好的光子局限能力，并减小第一波导层13和n型层12界面处的缺陷的形成。
71.在一种实施方式中，参见图1，p型层17和有源层14之间包括有第二波导层15，第二波导层15靠近p型层17的一侧表面为c面300，靠近有源层14的一侧表面为d面400。p型层17为具有铝组分的氮化镓层。
72.第二波导层15包括铝铟镓氮四元合金，图2和图7为激光二极管的sims图，且图2和图7中的区域ii显示了第二波导层15中铝、铟的浓度或离子强度与深度的关系，第二波导层15中铝和铟的浓度均是渐变的，铝的浓度自c面300向d面400递减，铟的浓度自c面300向d面400递增。
73.第二波导层15中的铝和铟均是渐变的，且铝的浓度自c面300向d面400递减，铟的浓度自c面300向d面400递增，使得第二波导层15的折射率渐变并自c面300向d面400递增，以提高第二波导层15的光子局限能力，进而减小激光二极管的阈值电流，并提高激光二极管的亮度。
74.在一种实施方式中，第二波导层15包括alminnga
1-m-n
n，m和n均为渐变值，m的取值范围为0～0.1，且m的取值自c面300向d面递减；n的取值范围为0～0.2或者0.2～0.3，且n的取值自c面300向d面400递增。
75.需要说明的是，第二波导层15包括alminnga
1-m-n
n，在确定铝和铟的配比之后，即可确定出镓和氮的比例，无需对镓和氮的比例再进一步示例说明。
76.第二波导层15中铟的浓度为9
×
10
19
～3
×
10
20
cm-3
，其中，铟在c面300处的浓度为9
×
10
19
～1
×
10
20
cm-3
，铟在d面400处的浓度为2
×
10
20
～3
×
10
20
cm-3
。第二波导层15中铝的浓度为3
×
10
16
～1
×
10
20
cm-3
，其中，铝在c面300处的浓度为9
×
10
19
～1
×
10
20
cm-3
，铝在d面400处的浓度为3
×
10
16
～6
×
10
16
cm-3
。
77.在铝的浓度减小或者铟的浓度增大情况下，第二波导层15的折射率均增大。通过铝和铟同时渐变来调试第二波导层15的折射率，使得第二波导层15的折射率渐变并自c面300向d面400递增，且第二波导层15的折射率的变化速率较大，可进一步提高第二波导层15的光子局限能力。本实施例中，第二波导层15的折射率优选为2.4～2.6。
78.在一种实施方式中，参见图1，该激光二极管还包括衬底10，衬底10包括但不限于碳化硅衬底、硅衬底或者氮化镓衬底，衬底10优选为氮化镓衬底。衬底10上形成有缓冲层11，缓冲层11为非掺杂的氮化镓层。缓冲层11中远离衬底10的一侧表面形成有上述n型层12。
79.第二波导层15与p型层17之间还包括有p型电子阻挡层16，p型电子阻挡层16为铝镓氮层。p型电子阻挡层16中远离第二波导层15的一侧表面形成有上述p型层17。
80.衬底10中远离缓冲层11的一侧表面形成有第一电极18。p型层17中远离p型电子阻挡层16的一侧表面上形成有第二电极19。
81.较佳地，p型电子阻挡层16和p型层17的宽度均小于第二波导层15的宽度，使得p型电子阻挡层16和p型层17在第二波导层15上形成一个脊型。
82.或者，p型层17的宽度小于p型电子阻挡层16的宽度，使得p型层17在p型电子阻挡层16上形成一个脊型。
83.由以上的技术方案可知，铝相较于铟具有较小的晶格常数，通过在第一波导层13中掺杂微量的铝组分可有效降低第一波导层13的晶格常数进而匹配n型层12，以改善第一波导层13和n型层12界面处因存在晶格差异而形成的界面缺陷，并提高第一波导层13的稳
定性。
84.此外，通过第一波导层13中铝组分渐变来调整第一波导层13的折射率，以提高第一波导层13的光子局限能力，进而减小激光二极管的阈值电流，并提高激光二极管的亮度。
85.此外，通过第一波导层13中的铝组分和铟组分同时渐变来调整第一波导层13的折射率，使得第一波导层13的折射率的变化速率增大，以进一步提高第一波导层13的光子局限能力。
86.以上所述仅是本技术的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本技术的保护范围。