[实用新型]一种GaN基蓝绿光激光二极管器件

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种GaN基蓝绿光激光二极管器件，属于利用非同质衬底外延薄膜制备激光二极管的技术领域。

背景技术

作为一种化合物半导体材料，GaN材料具有许多硅基半导体材料所不具备的优异性能，包括能够满足大功率、高温高频和高速半导体器件的工作要求。其中GaN区别于第一和第二代半导体材料最重要的物理特点是具有更宽的禁带，可以发射波长比红光更短的蓝绿光。

GaN半导体材料的商业应用研究开始于1970年，其在高频和高温条件下能够激发蓝光的独特性质吸引了半导体开发人员的极大兴趣。但是GaN的生长技术和器件制造工艺一直没有取得商业应用的实质进展突破。1992年被誉为GaN产业应用鼻祖的美国Shuji Nakamura教授制造了第一支GaN发光二极管（LED）；1999年日本Nichia公司制造了第一支GaN蓝光激光器（LD），该激光器的稳定性能相当于商用红光激光器。从1999年初到2001年底，GaN基半导体材料在薄膜和单晶生长技术、光电器件方面的重大技术突破有40多个。由于GaN半导体器件在光显示、光存储、激光打印、光照明以及医疗和军事等领域有着广阔的应用前景，GaN器件的广泛应用将预示着光电信息乃至光子信息时代的来临。尤其是Nichia公司的成功以及蓝光LD的巨大市场潜力致使许多大公司和科研机构纷纷加入到开发Ⅲ族氮化物蓝光LD的行列之中，其中Nichia公司的GaN蓝光LD在世界上居领先地位，GaN蓝光LD室温下2mW连续工作的寿命已突破10000小时。因此，以GaN为代表的第三代半导体材料被誉为IT产业新的发动机。近几年世界各国政府有关机构、相关企业以及风险投资公司纷纷加大了对GaN基半导体材料及其器件的研发投入和支持。美国政府2002年要求用于GaN相关研发的财政预算超过5500万美元。通用、飞利浦、Agilent等国际知名公司都已经启动了大规模的GaN基光电器件商用开发计划。

作为一种具有独特光电属性的优异半导体材料，GaN的应用市场可以分为两个部分：（1）凭借GaN半导体材料在高温高频、大功率工作条件下的出色性能取代部分硅和其它化合物半导体材料器件市场；（2）凭借GaN半导体材料宽禁带、激发蓝光的独特性质开发新的光电应用产品。目前GaN光电器件和电子器件在光学存储、激光打印、高亮度LED以及无线基站等应用领域具有明显的竞争优势。相关的商业专利已经有20多项，涉足GaN半导体器件商业开发和制造的企业也越来越多。其中高亮度LED、蓝光激光器和功率晶体管是当前器件制造商和投资商最为感兴趣和关注的三个GaN器件市场。

目前制作的GaN基激光器常用蓝宝石、SiC和GaN衬底。蓝宝石异质外延技术生长出的GaN单晶存在薄膜生长材料质量、芯片工艺腔面反射镜制作、电极工艺等问题。SiC上生长的InGaN LD的室温脉冲工作和连续波工作时有报道，P型和N型电极分别制作在芯片的顶部和底部的垂直导电结构InGaN LD。

1998年三星的研究人员演示了蓝宝石衬底上生长氮化物蓝光激光器室温下的脉冲工作。外延未用外延横向过生长，有源区包括一个InGaN/GaNMQW，Al_0.07Ga_0.93N用作包层，利用离子束向下刻蚀到n型GaN层制作出了10μm×800μm的条带，激光器端面未镀膜，在测量高于阈值电流时，观察到了一种强烈且清晰的发射模式，中心波长为418nm。1998年Shiji Nakamura等人在蓝宝石上横向过生长的GaN上生长了InGaN多量子阱(MQW)结构激光二极管；InGaN MQWLD生长在去除蓝宝石后得到的独立GaN衬底上，这实际上是同质外延激光器。该激光器待解理镜面的输出功率高达30mW。脊波导减小到2μm能观察到稳定的基横模，在50℃环境温度、CW应用条件下，5mW恒定输出功率下的LD寿命约为160小时。富士通继Nichia Cree Research和索尼等公司之后，宣布研制成了InGaN蓝光激光器，激光器结构是在SiC衬底上生长的，并且采用了垂直导电结构（p型和n型接触分别制作在晶体片的顶面和背面）。富士通研制的激光器是利用LP-MOVPE在6H-SiC衬底上生长的。晶体磨薄到大约100nm和形成接触后，解理晶片形成500nm的长腔。条带方向是[1100]，具有高反射率镀膜的解理面为（1100）。激光器芯片p侧朝上安装在管芯上。在25C脉冲应用（300ns,1KHz）下，阈值电流和阈值电压分别是84mA和12.0V，相当于506KA/cm2的阈值电流密度，这是SiC上InGaN激光器的最低值。