[发明专利]III族氮化物半导体光电器件结构及其制备方法

说明书

本发明公开了一种III族氮化物半导体光电器件结构及其制备方法。所述光电器件结构包括沿指定方向依次设置的p型半导体层、有源区和n型半导体层所形成的外延结构以及与p型半导体层配合的p电极和与n型半导体层配合的n电极；所述外延结构中还形成有电流注入窗口；其中，所述p电极至少覆盖p型半导体层表面的第一区域且与p型半导体层形成欧姆接触，所述第一区域环绕第二区域设置，所述第二区域与所述电流注入窗口对应设置。本发明中提供的III族氮化物半导体光电器件结构具有串联电阻低、光损耗小和热阻小等优点，可大幅提升光电性能和可靠性。

技术领域

本发明涉及一种III族氮化物半导体光电器件结构及其制备方法，属于半导体光电技术领域。

背景技术

III族氮化物半导体被称为第三代半导体材料，具有禁带宽度大、化学稳定性好、抗辐照性强等优点，其禁带宽度涵盖从深紫外、整个可见光、到近红外范围，可用于制作发光二极管和激光器等。基于III族氮化物半导体材料的垂直腔面发射激光器或共振腔发光二极管等光电器件具有圆形光斑输出、垂直表面发射、可片上测试、制作简单、体积小、效率高和寿命长等优点，有望在投影显示、芯片原子钟、塑料光纤网络和可见光通信等领域发挥重要作用，受到了产业界和学术界的广泛关注。

对于垂直腔面发射激光器或共振腔发光二极管等光电器件，其核心结构为p-n结。对于III族氮化物半导体，通常采用二茂镁(CP₂Mg)作为p型掺杂剂，由于Mg受主在氮化物中的电离能较高(GaN：170meV，AlN：470meV)，通常仅仅只有很少(＜5％)的Mg受主发生电离，导致p型氮化物半导体材料中的空穴浓度较低。另外，由于空穴有效质量较大，且p型层中的Mg受主掺杂浓度较高(＞10¹⁹cm^-3)，空穴散射严重，导致p型层中空穴的迁移率较低，因此p型层的电阻率较大(＞1Ωcm)，远大于n型层的电阻率(10^-4～10^-2Ωcm)。对于常规III族氮化物半导体垂直腔面发射激光器或共振腔发光二极管等光电器件，为了将电流横向限制到器件的发光区，通常采用在III族氮化物半导体材料的p侧刻蚀台面和沉积绝缘介质膜、或直接沉积图形化绝缘介质膜等形成电流注入窗口，然后在台面上或窗口区沉积透明导电膜与p型材料形成电学接触，从而实现p侧电流注入和横向限制。

上述传统III族氮化物半导体垂直腔面发射激光器或共振腔发光二极管结构等光电器件具有以下缺点：

(1)串联电阻大。常规III族氮化物半导体垂直腔面发射激光器或共振腔发光二极管中，p型空穴注入区面积与器件发光区面积相等，由于p型材料电阻率较高，导致器件串联电阻较大。这种问题在紫外垂直腔面发射激光器或共振腔发光二极管中更严重，紫外器件中p型AlGaN层中的A1组分更高，Mg受主的电离能更大，p型AlGaN材料空穴浓度更低，紫外器件的电阻更大。另一方面，对于常规III族氮化物半导体垂直腔面发射激光器或共振腔发光二极管，由于透明导电膜上方的绝缘介质布拉格反射镜通常比器件电流注入区大，因此空穴需在透明导电膜层内横向传输一段距离后再通过电流注入窗口纵向注入到器件的有源区。而为了降低器件光损耗，常规器件通常采用较薄的透明导电膜，导致器件串联电阻进一步增加，使得器件热功率和结温很高，严重影响了电光转换效率和可靠性。上述问题使得现有GaN基垂直腔面发射激光器的最大电光转换效率仅为20％，是常规GaN基法布里波罗Fabry-Pérot谐振腔激光器的40％。