CN115621390A - p-NiO为盖层的AlGaN紫外光发光管和激光器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种p‑NiO为盖层的AlGaN紫外光发光管和激光器及其制备方法,属于半导体发光器件及其制备技术领域。器件依次由衬底、AlyGa1‑yN外延下限制层、AlxGa1‑xN材料多量子阱有源发光层、AlzGa1‑zN电子限制层、盖层、上电极和下电极构成;盖层是p‑NiO,空穴浓度可高达1018~1020/cm3。本发明利用p‑NiO高空穴浓度、低电阻率和低折射率的特点,可以形成器件的良好空穴注入和对光形成良好限制,具有工作电压低、发光效率高,激光器易室温连续激射等优点,可提供一种比仅用AlGaN材料系波长更短的紫外光发光管和激光器。
Description
技术领域
本发明属于半导体发光器件及其制备技术领域,具体涉及一种p-NiO为盖层的AlGaN紫外光发光管和激光器及其制备方法。
背景技术
紫外光发光管和激光器在信息存储、生物和医疗以及军事等领域有广泛的应用。目前这一波段的半导体发光管和激光器主要是GaN材料系制备的。
然而GaN材料系紫外光半导体发光管和激光器的有源区是含Al的AlGaN材料,为了对有源区的光和载流子进行良好的限制,有源区上面的电子限制层和盖层(光限制层暨空穴注入层)必须采用Al组分含量更高的AlGaN材料。由于Mg受主在p-AlGaN中的电离能随着Al组分的增加而增加,因此高Al组分AlGaN的电阻很大,发光管和激光器的工作电压较高,这样制得的紫外光激光器很难激射,即使激射,实现室温连续工作也很困难,制得的紫外光发光管光效也较低。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述GaN材料系紫外光发光管和激光器的困难,利用p-NiO的高空穴浓度、低电阻率和低折射率特性,提供一种以p-NiO为盖层(光限制层暨空穴注入层)的AlGaN紫外光发光管和激光器及其制备方法。本发明制备的p-NiO空穴浓度可高达1018~1020/cm3,电阻率非常低,仅2~4Ω·cm(见表1),同时NiO的折射率和AlN相差无几,完全可以对x值在0.7以下的AlxGa1-xN有源发光层发射的光进行限制,以提高发光管光效,实现激光器件的低电压激光输出。
本发明的技术方案是:
本发明所设计的p-NiO为盖层(光限制层暨空穴注入层)的AlGaN紫外光发光管(见附图1和附图说明),依次由衬底1、衬底1上面制备的GaN缓冲层12、GaN缓冲层12上制备的n型掺Si(载流子浓度范围为1×1018/cm3~9.9×1019/cm3)的AlyGa1-yN外延下限制层(光、空穴限制层暨电子注入层)2、AlyGa1-yN下限制层2上面制备的相互分立的AlxGa1-xN材料多量子阱有源发光层3和下电极7、AlxGa1-xN材料有源发光层3上面制备的p型掺Mg(载流子浓度范围为1×1017/cm3~5×1018/cm3)的AlzGa1-zN电子限制层4、AlzGa1-zN电子限制层4上制备的盖层(光限制层暨空穴注入层)5、盖层5上面制备的上电极6构成,其特征在于:衬底1是Al2O3或Si晶体片;盖层(光限制层暨空穴注入层)5是p-NiO,空穴浓度为1×1018/cm3~9.9×1020/cm3。
为了进一步减少串联电阻,同时简化工艺过程,本发明设计了一种p-NiO为盖层(光限制层暨空穴注入层)兼作电子限制层的AlGaN紫外光发光管(见附图2和附图说明),依次由衬底1、衬底1上面制备的GaN缓冲层12、GaN缓冲层12上制备的n型掺Si(载流子浓度范围为1×1018/cm3~9.9×1019/cm3)的AlyGa1-yN外延下限制层(光、空穴限制层暨电子注入层)2、AlyGa1-yN下限制层2上面制备的相互分立的AlxGa1-xN材料多量子阱有源发光层3和下电极7、AlxGa1-xN材料多量子阱有源发光层3上制备的盖层5、盖层5上面制备的上电极6构成,其特征在于:衬底1是Al2O3或Si晶体片;盖层5是p-NiO,空穴浓度为1×1018/cm3~9.9×1020/cm3。
本发明所设计的p-NiO为盖层(光限制层暨空穴注入层)的AlGaN紫外光激光器(见附图3和附图说明),依次由衬底1、衬底1上制备的掺Si(载流子浓度范围为1×1018/cm3~9.9×1019/cm3)的n型AlyGa1-yN外延下限制层(光、空穴限制层暨电子注入层)2、AlyGa1-yN下限制层2上制备的AlxGa1-xN材料多量子阱有源发光层3、AlxGa1-xN材料有源发光层3上面制备的掺Mg(载流子浓度范围为1×1017/cm3~5×1018/cm3)的p型AlzGa1-zN电子限制层4、AlzGa1- zN电子限制层4上制备的盖层(光限制层暨空穴注入层)5、盖层5上面制备的上电极6、衬底1下面制备的下电极7构成,其特征在于:衬底1是n型的SiC或n型的GaN晶体片(载流子浓度范围为1×1018/cm3~9.9×1019/cm3);盖层(光限制层暨空穴注入层)5是p-NiO,空穴浓度为1×1018/cm3~9.9×1020/cm3;由外延片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9,激光器的光在有源发光层3产生后由盖层5下面的前反射镜8和后反射镜9出光。
进一步地,为了将注入激光器的电流限制在一个面积较小的条形区域,以降低阈值。本发明提出一种脊台条形结构的p-NiO为盖层(光限制层暨空穴注入层)的AlGaN紫外光激光器(见附图4和附图说明),依次由衬底1、衬底1上面制备的掺Si(载流子浓度范围为1×1018/cm3~9.9×1019/cm3)的n型AlyGa1-yN外延下限制层(光、空穴限制层暨电子注入层)2、AlyGa1-yN下限制层2上面制备的AlxGa1-xN材料多量子阱有源发光层3、AlxGa1-xN材料有源发光层3上面制备的掺Mg(载流子浓度范围为1×1017/cm3~5×1018/cm3)的p型AlzGa1-zN电子限制层4、衬底1下面制备的下电极7构成,其特征在于:衬底1是n型的SiC或n型的GaN晶体片(载流子浓度范围为1×1018/cm3~9.9×1019/cm3);在AlzGa1-zN电子限制层4上面制备有脊台条形结构的盖层(光限制层暨空穴注入层)5,盖层(光限制层暨空穴注入层)5是p-NiO,空穴浓度为1×1018/cm3~9.9×1020/cm3;在盖层5上制备有二氧化硅电流隔离层10,在脊台条形盖层5台顶部的二氧化硅电流隔离层10上制备出条形电流限制窗口11,在二氧化硅电流隔离层10和条形电流限制窗口11上制备的上电极6,上电极6通过条形电流限制窗口11接触到盖层5,从而进行电流注入;由外延片沿与盖层5的条形方向垂直平面解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9,激光器的光在有源发光层3产生后由脊台条形盖层5下面的前反射镜8和后反射镜9出光。
更进一步地,为了将注入激光器的电流限制在一个面积较小的条形区域,以降低阈值,同时又可以大面积欧姆接触改善器件热特性。本发明提出一种内条形(二氧化硅隔离内条形电流限制窗口)结构的p-NiO为盖层(光限制层暨空穴注入层)的AlGaN紫外光激光器(见附图5和附图说明),依次由衬底1、衬底1上面制备的掺Si(载流子浓度范围为1×1018/cm3~9.9×1019/cm3)的n型AlyGa1-yN外延下限制层(光、空穴限制层暨电子注入层)2、AlyGa1-yN下限制层2上面制备的AlxGa1-xN材料多量子阱有源发光层3、AlxGa1-xN材料有源发光层3上面制备的掺Mg(载流子浓度范围为1×1017/cm3~5×1018/cm3)的p型AlzGa1-zN电子限制层4、衬底1下面制备的下电极7构成,其特征在于:衬底1是n型的SiC或n型的GaN晶体片(载流子浓度范围为1×1018/cm3~9.9×1019/cm3);在AlzGa1-zN电子限制层4上制备有二氧化硅电流隔离层10,在二氧化硅电流隔离层10上制备出条形电流限制窗口11,在二氧化硅电流隔离层10和条形电流限制窗口11上面制备盖层(光限制层暨空穴注入层)5,盖层(光限制层暨空穴注入层)5是p-NiO,空穴浓度为1×1018/cm3~9.9×1020/cm3;盖层5通过条形电流限制窗口11接触到AlzGa1-zN电子限制层4,从而进行电流注入;在盖层5上面制备有上电极6,从而形成大面积欧姆接触;由外延片沿与条形电流限制窗口11的条形方向垂直平面解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9,激光器的光在有源发光层3产生后由条形电流限制窗口11下面的前反射镜8和后反射镜9出光。
制备方法:p-NiO为盖层(光限制层暨空穴注入层)的AlGaN紫外光发光管和激光器的GaN缓冲层12、AlyGa1-yN外延下限制层(光、空穴限制层暨电子注入层)2、AlxGa1-xN材料多量子阱有源发光层3和AlzGa1-zN电子限制层4可采用目前工艺较成熟的常规MOCVD(金属有机化合物化学气相沉淀)工艺进行外延生长制备。目前MOCVD方法制备p-NiO薄膜材料的工艺还不成熟,所以p-NiO盖层5用磁控溅射方法进行制备。制备上电极6的材料可用Au或Ni-Au、Ti-Au、Zn-Au或Pt-Au等单一金属或二元合金材料,也可以用Ti-Pt-Au、Ti-Ni-Au或Ni-Pt-Au等三元合金及Ti-Al-Ni-Au四元合金材料,制备的方法可采用热蒸镀、电子束蒸镀或磁控激射方法制备;然后可用手工研磨或磨片机研磨等常规工艺将衬底1进行减薄至80~150微米;下电极7材料也可用Au、Ni、Ni-Au、Ti-Au、Zn-Au或Pt-Au等单一金属或二元合金材料,也可以用Ti-Pt-Au、Ti-Ni-Au或Ni-Pt-Au等三元合金及Ti-Al-Ni-Au四元合金材料,制备的方法可采用热蒸镀、电子束蒸镀或磁控激射方法制备,上、下电极的材料一般情况下是不同的;对于激光器的制备:脊台条形盖层5的制备,外延片制备好后,先溅射一层p-NiO盖层,然后光刻,用光刻胶掩蔽,用热稀硫酸刻蚀p-NiO盖层使之形成脊台条形,稀硫酸的配比是硫酸:水为20:100(体积比),加热到60℃;这种腐蚀液仅能腐蚀p-NiO盖层5,而不腐蚀AlzGa1-zN电子限制层4;所以脊台条形盖层5的制备选用这种腐蚀液刻蚀,而不用常规的等离子刻蚀技术刻蚀。二氧化硅电流隔离层10可采电子束蒸镀或硅烷热分解淀积或磁控溅射等常规技术制备;电流限制窗口11的制备用常规的光刻和二氧化硅腐蚀技术或用光刻胶剥离(life off)技术制备;最后,沿衬底的或面将蒸镀好上、下电极的外延芯片解理成宽度为100微米~2毫米的巴条(注意制备的脊台条形盖层5或电流限制窗口11的条形方向需要和这个解理面方向相垂直),再将巴条锯切成宽100微米~500微米的管芯,这样就制备成了长方型(矩形)激光器管芯,外延片解理后的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9,器件在前反射镜8和后反射镜9出光,巴条的宽度就是激光器谐振腔的腔长,脊台条形盖层5及条形电流限制窗口11的条形方向和外延片解理的前、后端面相垂直;管芯制备好后,将管芯倒装,即将上电极6焊接在热沉或支架上,下电极7用引线键合在支架的另一个电极上,这样便制成了激光器件。
本发明所述的以p-NiO为盖层(光限制层暨空穴注入层)的AlGaN紫外光发光管和激光器的制备方法,其特征在于:AlyGa1-yN外延下限制层2、AlxGa1-xN材料有源发光层3和AlzGa1-zN电子限制层4使用MOCVD方法进行制备,p-NiO盖层5用磁控溅射方法进行制备,上电极6和下电极7采用热蒸镀、电子束蒸镀或磁控激射方法制备。
本发明的效果和益处是:
本发明制备的p-NiO为盖层(光限制层暨空穴注入层)的AlGaN紫外光发光管和激光器利用了p-NiO高空穴浓度、低电阻率、带隙宽和有比AlGaN材料折射率低的特点,使器件有良好的光限制层和空穴注入,又可以降低器件的串联电阻和工作电压,可获得比仅用AlGaN材料系波长更短的新型紫外光发光管和激光器;同时提高器件输出功率,拓展了器件的应用范围。
附图说明
图1:实施例1制备的p-NiO为盖层(光限制层暨空穴注入层)的AlGaN紫外光发光管结构示意图。
图2:实施例2制备的p-NiO为盖层(光限制层暨空穴注入层)兼作电子限制层的AlGaN紫外光发光管结构示意图。
图3:实施例3制备的p-NiO为盖层(光限制层暨空穴注入层)的AlGaN紫外光激光器结构示意图。
图4:实施例4制备的脊台条形的p-NiO为盖层(光限制层暨空穴注入层)的AlGaN紫外光激光器构示意图。
图5:实施例5制备内条形结构的p-NiO为盖层的AlGaN紫外光激光器结构示意图。
图6:实施例1所述的p-NiO为盖层的AlGaN紫外光发光管的电压-电流特性曲线。由电压-电流特性曲线的斜率可以看出器件串联电阻较小,说明p-NiO电阻率很低。
图7:实施例1所述的p-NiO为盖层的AlGaN紫外光发光管的电注入发光谱图。可以看出器件有较好的发光特性。
图8:实施例3所述的p-NiO为盖层的AlGaN紫外光激光器的电注入激射光谱图,其中图8(a)为不同电流时激射谱图,图8(b)为工作电压4.5V、电流60mA时的激射谱图,可以看出其激射峰值波长都在紫外波段的360nm左右。说明这种结构器件的可行性。
表1:实施例所述不同温度下溅射的NiO薄膜样品霍尔测试结果
图中各部分的名称为:衬底1、AlyGa1-yN外延下限制层2、AlxGa1-xN材料多量子阱有源发光层3、AlzGa1-zN电子限制层4、盖层(光限制层暨空穴注入层)5、上电极6、下电极7、前反射镜8、后反射镜9、二氧化硅电流隔离层10、条形电流限制窗口11、缓冲层12。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例和实施工艺。
实施例1:
p-NiO为盖层(光限制层暨空穴注入层)的AlGaN紫外光发光管见附图1。其制备过程为,采用Al2O3晶体片为衬底1,由于Al2O3晶体和高温制备的GaN晶体的晶格失配较大,所以首先要用MOCVD低温(550℃)生长一层20nm厚的不掺杂GaN缓冲层12,然后再用常规MOCVD工艺在GaN缓冲层12上依次外延生长2微米厚的n型(掺Si,载流子浓度为4×1018/cm3)AlyGa1-yN外延下限层2、不掺杂的AlxGa1-xN材料多量子阱有源发光层3及p型(掺Mg,载流子浓度为1×1017/cm3)AlzGa1-zN电子限制层4;AlxGa1-xN材料多量子阱有源发光层3由阱层Alx1Ga1-x1N和垒层Alx2Ga1-x2N交替构成,其量子阱阱层Alx1Ga1-x1N为3nm厚,其Al组分x1值可根据所制备器件的波长在0~0.7之间选择,量子阱垒层Alx2Ga1-x2N的Al组分x2值比阱层的x1值大0.05~0.2,厚度5nm;我们初步试验选择量子阱的阱层x1值为0.52(波长为275.5nm左右),量子阱的垒层x2值为0.62,初步试验选取量子阱的对数为3(可以为2~5对);AlyGa1-yN外延下限层2的Al组分y值和AlzGa1-zN电子限制层4的Al组分z值均需比x1值大0.1~0.5,AlzGa1-zN电子限制层4厚度为20nm;我们初步试验选择y值为0.62,z值为0.7;MOCVD工艺采用的MO源为:铝源是三甲基铝(TMAl),镓源是三甲基镓(TMGa),氮源是氨气(NH3),掺杂的硅源是硅烷(SiH4),掺杂的镁源是二茂镁(Cp2Mg),生长温度根据Al含量的多少有一点变化,Al含量为0.52的Al0.52Ga0.48N量子阱阱层生长温度为1065℃,Al含量为0.62的Al0.62Ga0.38N量子阱垒层和外延下限层2生长温度为1072℃,Al含量为0.7的Al0.7Ga0.3N电子限制层生长温度为1080℃;由于p-NiO盖层5的掺杂浓度很高(1019/cm3~1020/cm3),所以p型(掺Mg)AlzGa1-zN电子限制层4的掺杂浓度低一些就可以,为1×1017/cm3即可;外延片制备好后采用磁控溅射方法在AlzGa1-zN电子限制层4上面制备p-NiO盖层5;磁控溅射p-NiO盖层5采用的靶源为NiO加质量分数2%Li2O的陶瓷靶,表1为不同温度下溅射的NiO薄膜样品霍尔测试结果,我们初步试验选取温度为150℃,p-NiO盖层5厚度为200nm;然后,用常规的等离子刻蚀技术光刻刻蚀去掉部分区域的p-NiO盖层5、AlzGa1-zN电子限制层4和AlxGa1-xN有源发光层3,在这部分区域露出AlyGa1-yN外延下限层2;再利用光刻胶掩蔽剥离技术(Lift of)在这露出AlyGa1-yN外延下限层2的部分区域蒸镀Ti/Al/Ni/Au制备下电极7,对应厚度为20nm/120nm/50nm/100nm;然后,再利用光刻胶掩蔽剥离技术在p-NiO盖层5的部分区域蒸镀Au制备上电极6,其厚度约为300纳米;再在惰性气体保护合金退火,退火温度为450℃,时间3分钟,最后划片制成管芯。
图6:为本实施例所述的p-NiO为盖层的AlGaN紫外光发光管的电压-电流特性曲线。图7:为实施例所述的p-NiO为盖层的AlGaN紫外光发光管的电注入发光谱图。
实施例2:
p-NiO为盖层(光限制层暨空穴注入层)兼作电子限制层的的AlGaN紫外光发光管见附图2。其制备过程为,采用Al2O3晶体片为衬底1,由于Al2O3晶体和高温制备的GaN晶体的晶格失配较大,所以首先要用MOCVD低温(550℃)生长一层20nm厚的不掺杂GaN缓冲层12,然后再用常规MOCVD工艺在GaN缓冲层12上依次外延生长2微米厚的n型(掺Si,载流子浓度为4×1018/cm3)AlyGa1-yN外延下限层2、不掺杂的AlxGa1-xN材料多量子阱有源发光层3;AlxGa1-xN材料多量子阱有源发光层3由阱层Alx1Ga1-x1N和垒层Alx2Ga1-x2N交替构成,其量子阱阱层Alx1Ga1-x1N为3nm厚,其Al组分x1值可根据所制备器件的波长在0~0.7之间选择,量子阱垒层Alx2Ga1-x2N的Al组分x2值比阱层的x1值大0.05~0.2,厚度5nm;我们初步试验选择x1值为0.52(波长为275.5nm左右)和x2值为0.62;AlyGa1-yN外延下限层2的Al组分y值比x1值大0.1~0.5;我们初步试验选择y值为0.62;MOCVD工艺采用的MO源为:铝源是三甲基铝(TMAl),镓源是三甲基镓(TMGa),氮源是氨气(NH3),掺杂的硅源是硅烷(SiH4),生长温度根据Al含量的多少有一点变化,Al含量为0.52的Al0.52Ga0.48N量子阱阱层生长温度为1065℃,Al含量为0.62的Al0.62Ga0.38N量子阱垒层和外延下限层2生长温度为1072℃;外延片制备好后采用磁控溅射方法在AlxGa1-xN量子阱有源层发光层3上面制备p-NiO盖层5;磁控溅射p-NiO盖层5采用的靶源为NiO加质量分数2%Li2O的陶瓷靶,表1为不同温度下溅射的NiO薄膜样品霍尔测试结果,我们初步试验选取温度为150℃,p-NiO盖层5厚度为200nm;然后,用常规的等离子刻蚀技术光刻刻蚀去掉部分区域的p-NiO盖层5、AlxGa1-xN有源发光层3,在这部分区域露出AlyGa1-yN外延下限层2;再利用光刻胶掩蔽剥离技术(Lift of)在这露出AlyGa1-yN外延下限层2的部分区域蒸镀Ti/Al/Ni/Au制备下电极7,对应厚度为20nm/120nm/50nm/100nm;然后,再利用光刻胶掩蔽剥离技术在p-NiO盖层5的部分区域蒸镀Au制备上电极6,其厚度约为300纳米;再在惰性气体保护合金退火,退火温度为450℃,时间3分钟,最后划片制成管芯。
实施例3:
p-NiO为盖层(光限制层暨空穴注入层)的AlGaN紫外光激光器见附图3。其制备过程为,采用n型GaN晶体片(载流子浓度5×1018/cm3)为衬底,用目前成熟的常规MOCVD工艺在GaN晶体片衬底上外延生长2微米的n型(掺Si,载流子浓度4×1018/cm3)AlyGa1-yN外延下限层2、不掺杂的AlxGa1-xN材料多量子阱有源发光层3及p型(掺Mg,载流子浓度为1×1017/cm3)AlzGa1-zN电子限制层4;外延片制备好后采用磁控溅射方法在AlzGa1-zN电子限制层4上制备p-NiO盖层5;AlxGa1-xN材料多量子阱有源发光层3由阱层Alx1Ga1-x1N和垒层Alx2Ga1-x2N交替构成,其量子阱阱层Alx1Ga1-x1N为3nm厚,其Al组分x1值可根据所制备器件的波长在0~0.7之间选择,量子阱垒层Alx2Ga1-x2N的Al组分x2值比阱层的x1值大0.05~0.2,厚度5nm;我们初步试验选择x1值为0(波长为360nm左右)和x2值为0.07;AlyGa1-yN外延下限层2的Al组分y值和AlzGa1-zN电子限制层4的Al组分z值均需比x1值大0.1~0.5,AlzGa1-zN电子限制层4厚度为20nm;我们初步试验选择y值和z值为0.2,AlyGa1-yN外延下限层2的掺杂浓度为4×1018/cm3;MOCVD工艺在GaN晶体片衬底上外延生长n型(掺Si)AlyGa1-yN外延下限层2、不掺杂的AlxGa1- xN材料多量子阱有源发光层3及p型(掺Mg)AlzGa1-zN电子限制层4采用的MO源为:铝源是三甲基铝(TMAl),镓源是三甲基镓(TMGa),氮源是氨气(NH3),掺杂的硅源是硅烷(SiH4),掺杂的镁源是二茂镁(Cp2Mg),生长温度根据Al含量的多少有一点变化,Al含量为零的GaN生长温度为1030℃,Al含量为0.07的Al0.07Ga0.93N量子阱垒层生长温度为1035℃,Al含量为0.2的Al0.2Ga0.8N的外延下限层2和电子限制层4生长温度为1044℃;由于p-NiO盖层5的掺杂浓度很高(1019/cm3),所以p型(掺Mg)AlzGa1-zN电子限制层4的掺杂浓度低一些就可以,为1×1017/cm3即可;磁控溅射p-NiO盖层5采用的靶源为NiO加质量分数2%Li2O的陶瓷靶,表1为不同温度下溅射的NiO薄膜样品霍尔测试结果,我们初步试验选取温度为150℃,p-NiO盖层5厚度为200nm;然后用热蒸发台或电子束蒸发台蒸镀金属在p-NiO盖层5上面制备的上电极6;然后,将衬底减薄至90微米,再在衬底面蒸镀金属下电极7,然后在惰性气体保护下合金退火,退火温度为450℃,时间3分钟;最后,沿衬底1的或 面将蒸镀好上、下电极的外延芯片解理成宽度为1000微米的巴条,再将巴条锯切成宽300微米的管芯,这样就制备成了长方型(矩形)激光器管芯,外延片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9,器件在前反射镜8和后反射镜9出光,原来的巴条宽度就是激光器谐振腔的腔长;上电极6材料用Au,其厚度均约为300纳米,下电极7材料用Ti/Al/Ni/Au,对应厚度为20nm/120nm/50nm/100nm。
在本实施例实施初期我们为了检验p-NiO盖层对AlxGa1-xN有源区的空穴注入效果,制备了一种简化的器件结构。这种结构x1值选择为0,制备了一个由p-NiO盖层和n-GaN有源层构成的简单p-n结。这个p-n结有良好的二极管特性,并实现了随机散射激射,图8为二极管电注入的激射光谱图。由图8可以看出其激射峰值波长都在紫外波段的360nm左右,这样简单的p-n结就能产生电注入的激射,说明p-NiO盖层的空穴注入率很高。
实施例4
脊台条形的p-NiO为盖层(光限制层暨空穴注入层)的AlGaN紫外光激光器见附图4。其制备过程为,采用n型GaN晶体片(载流子浓度5×1018/cm3)为衬底,用目前成熟的常规MOCVD工艺在GaN晶体片衬底上生长2微米n型(掺Si,载流子浓度4×1018/cm3)AlyGa1-yN外延下限层2、不掺杂的AlxGa1-xN材料多量子阱有源发光层3及p型(掺Mg,载流子浓1×1017/cm3)的AlzGa1-zN电子限制层4;AlxGa1-xN材料多量子阱有源发光层3由阱层Alx1Ga1-x1N和垒层Alx2Ga1-x2N交替构成,其阱层Alx1Ga1-x1N为3nm厚,其Al组分x1值可根据所制备器件的波长在0~0.7之间选择,量子阱垒层Alx2Ga1-x2N的Al组分x2值可比阱层的x1值大0.05~0.2,厚度为5nm;我们初步试验选择x1值为0(波长为360nm左右)和x2值为0.07;AlyGa1-yN外延下限层2的Al组分y值和AlzGa1-zN电子限制层4的Al组分z值均需比x1值大0.1~0.5,AlzGa1-zN电子限制层4厚度为20nm,我们初步试验选择y值和z值为0.2;外延生长的MO源、生长温度及载流子浓度等均同实施例3;外延片制备好后采用磁控溅射方法在AlzGa1-zN电子限制层4上制备p-NiO盖层5,磁控溅射p-NiO盖层5采用的靶源为NiO加2%Li2O的陶瓷靶,温度为150℃,p-NiO厚度为200nm;然后光刻,用光刻胶掩蔽,用热稀硫酸刻蚀p-NiO盖层使之形成脊台条形,稀硫酸的配比是硫酸:水为20:100(体积比),加热到60℃,在脊台条形p-NiO盖层5的外侧露出AlzGa1-zN电子限制层4,脊台条形p-NiO盖层5的宽度为10微米;然后保留光刻胶,在脊台条形盖层5和露出的AlzGa1-zN电子限制层4上面采用电子束蒸镀方法制备一层二氧化硅电流隔离层10(其厚度为200nm),再去掉光刻胶,光刻胶上面的二氧化硅层跟着被剥离去掉,从而形成约10微米宽的条形电流限制窗口11,再在二氧化硅电流隔离层10和条形电流限制窗口11上面用蒸发台蒸镀金属制备上电极6,上电极6通过条形电流限制窗口11接触到盖层5,进行电流注入;然后,将衬底减薄至90微米,再在衬底面蒸镀金属下电极7,然后在惰性气体保护下合金退火,退火温度为450℃,时间3分钟;最后,沿衬底的或面将蒸镀好上、下电极的外延芯片解理成宽度为1000微米的巴条(注意制备的脊台条形盖层5需要和这个解理面方向相垂直),再将巴条锯切成宽300微米的管芯,这样就制备成了长方型(矩形)激光器管芯,外延片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9,器件由脊台条形下面的前反射镜8和后反射镜9出光,原来的巴条宽度就是激光器谐振腔的腔长,脊台条形p-NiO盖层5和条形电流限制窗口11的条形方向和外延片解理的前、后端面相垂直;上电极6材料用Au,其厚度均约为300纳米,下电极7材料用Ti/Al/Ni/Au,对应厚度为20nm/120nm/50nm/100nm。
实施例5:
内条形结构的p-NiO为盖层的AlGaN紫外光激光器见附图5。其制备过程为,采用n型GaN晶体片(载流子浓度5×1018/cm3)为衬底,用目前成熟的常规MOCVD工艺在GaN晶体片衬底上外延生长2微米的n型(掺Si,载流子浓度4×1018/cm3)AlyGa1-yN外延下限层2、不掺杂的AlxGa1-xN材料多量子阱有源发光层3及p型(掺Mg,载流子浓度1×1017/cm3)的AlzGa1-zN电子限制层4;AlxGa1-xN材料多量子阱有源发光层3由阱层Alx1Ga1-x1N和垒层Alx2Ga1-x2N交替构成,其阱层Alx1Ga1-x1N为3nm厚,其Al组分x1值可根据所制备器件的波长在0~0.7之间选择,量子阱垒层Alx2Ga1-x2N的Al组分x2值可比阱层的x1值大0.05~0.2,厚度5nm;我们初步试验选择x1值为0(波长为360nm左右)和x2值为0.07;AlyGa1-yN外延下限层2的Al组分y值和AlzGa1-zN电子限制层4的Al组分z值均需比x1值大0.1~0.5,AlzGa1-zN电子限制层4厚度为20nm;我们初步试验选择y值和z值为0.2;外延生长的MO源、生长温度及载流子浓度等均同实施例3;然后,在电子限制层4上面采用电子束蒸镀方法制备一层二氧化硅电流隔离层10(其厚度为200nm),在二氧化硅电流隔离层10上用常规光刻腐蚀工艺光刻腐蚀出约3微米宽的条形电流限制窗口11,再在二氧化硅电流隔离层10和条形电流限制窗口11上面采用磁控溅射方法制备p-NiO盖层5,温度为150℃,厚度为200nm(采用的靶源同实施例3);然后,在p-NiO盖层5上面用蒸发台蒸镀金属制备上电极6;将衬底减薄至90微米,再在衬底面蒸镀金属下电极7,然后在惰性气体保护下合金退火,退火温度为450℃,时间3分钟;最后,沿衬底的或面将蒸镀好上、下电极的外延芯片解理成宽度为1000微米的巴条(注意制备的电流限制窗口11需要和这个解理面方向相垂直),再将巴条锯切成宽300微米的管芯,这样就制备成了长方型(矩形)激光器管芯,外延片解理的前、后端面构成前反射镜8和后反射镜9,器件在条形电流限制窗口11下面的前反射镜8和后反射镜9出光,原来的巴条宽度就是激光器谐振腔的腔长,条形电流限制窗口11的条形方向和外延片解理的前、后端面相垂直;上电极6材料用Au,其厚度均约为300纳米,下电极7材料用Ti/Al/Ni/Au,对应厚度为20nm/120nm/50nm/100nm。
Claims (10)
1.一种p-NiO为盖层的AlGaN紫外光发光管,依次由衬底(1)、衬底(1)上面制备的GaN缓冲层(12)、GaN缓冲层(12)上制备的n型掺Si的AlyGa1-yN外延下限制层(2)、AlyGa1-yN下限制层(2)上面制备的相互分立的AlxGa1-xN材料多量子阱有源发光层(3)和下电极(7)、AlxGa1-xN材料有源发光层(3)上面制备的p型掺Mg的AlzGa1-zN电子限制层(4)、AlzGa1-zN电子限制层(4)上制备的盖层(5)、盖层(5)上面制备的上电极(6)构成,其特征在于:衬底(1)是Al2O3或Si晶体片;盖层(5)是p-NiO,空穴浓度为1×1018/cm3~9.9×1020/cm3;AlxGa1-xN材料多量子阱有源发光层(3)由阱层Alx1Ga1-x1N和垒层Alx2Ga1-x2N交替构成,x1在0~0.7之间选择,x2值比x1值大0.05~0.2,y值和z值均比x1值大0.1~0.5。
2.一种p-NiO为盖层兼作电子限制层的AlGaN紫外光发光管,依次由衬底(1)、衬底(1)上面制备的GaN缓冲层(12)、GaN缓冲层(12)上制备的n型掺Si的AlyGa1-yN外延下限制层(2)、AlyGa1-yN下限制层(2)上面制备的相互分立的AlxGa1-xN材料多量子阱有源发光层(3)和下电极(7)、AlxGa1-xN材料多量子阱有源发光层(3)上制备的盖层(5)、盖层(5)上面制备的上电极(6)构成,其特征在于:衬底(1)是Al2O3或Si晶体片;盖层(5)是p-NiO,空穴浓度为1×1018/cm3~9.9×1020/cm3;AlxGa1-xN材料多量子阱有源发光层(3)由阱层Alx1Ga1-x1N和垒层Alx2Ga1-x2N交替构成,x1值在0~0.7之间选择,x2值比x1值大0.05~0.2,y值比x1值大0.1~0.5。
3.一种p-NiO为盖层的AlGaN紫外光激光器,依次由衬底(1)、衬底(1)上制备的掺Si的n型AlyGa1-yN外延下限制层(2)、AlyGa1-yN下限制层(2)上制备的AlxGa1-xN材料多量子阱有源发光层(3)、AlxGa1-xN材料有源发光层(3)上面制备的掺Mg的p型AlzGa1-zN电子限制层(4)、AlzGa1-zN电子限制层(4)上制备的盖层(5)、盖层(5)上面制备的上电极(6)、衬底1下面制备的下电极(7)构成,其特征在于:衬底(1)是n型的SiC或n型的GaN晶体片,载流子浓度范围为1×1018/cm3~9.9×1019/cm3;盖层(5)是p-NiO,空穴浓度为1×1018/cm3~9.9×1020/cm3;AlxGa1-xN材料多量子阱有源发光层(3)由阱层Alx1Ga1-x1N和垒层Alx2Ga1-x2N交替构成,x1值在0~0.7之间选择,x2值比x1值大0.05~0.2,y值和z值均比x1值大0.1~0.5;由外延片解理的前、后端面构成前反射镜(8)和后反射镜(9),激光器的光在有源发光层(3)产生后由盖层5(下)面的前反射镜(8)和后反射镜(9)出光。
4.一种脊台条形结构的p-NiO为盖层的AlGaN紫外光激光器,依次由衬底(1)、衬底(1)上面制备的掺Si的n型AlyGa1-yN外延下限制层(2)、AlyGa1-yN下限制层(2)上面制备的AlxGa1-xN材料多量子阱有源发光层(3)、AlxGa1-xN材料有源发光层(3)上面制备的掺Mg的p型AlzGa1-zN电子限制层(4)、衬底(1)下面制备的下电极(7)构成,其特征在于:衬底(1)是n型的SiC或n型的GaN晶体片,载流子浓度范围为1×1018/cm3~9.9×1019/cm3;在AlzGa1-zN电子限制层(4)上面制备有脊台条形结构的盖层(5),盖层(5)是p-NiO,空穴浓度为1×1018/cm3~9.9×1020/cm3;AlxGa1-xN材料多量子阱有源发光层(3)由阱层Alx1Ga1-x1N和垒层Alx2Ga1- x2N交替构成,x1值在0~0.7之间选择,x2值比x1值大0.05~0.2,y值和z值均比x1值大0.1~0.5;在盖层(5)上制备有二氧化硅电流隔离层(10),在脊台条形盖层(5)台顶部的二氧化硅电流隔离层(10)上制备出条形电流限制窗口(11),在二氧化硅电流隔离层(10)和条形电流限制窗口(11)上制备有上电极(6),上电极(6)通过条形电流限制窗口(11)接触到盖层(5),进行电流注入;由上述外延片沿与盖层(5)条形方向相垂直平面解理的前、后端面构成前反射镜(8)和后反射镜(9),激光器的光在有源发光层(3)产生后由脊台条形盖层(5)下面的前反射镜(8)和后反射镜(9)出光。
5.一种内条形结构的p-NiO为盖层的AlGaN紫外光激光器,依次由衬底(1)、衬底(1)上面制备的掺Si的n型AlyGa1-yN外延下限制层(2)、AlyGa1-yN下限制层(2)上面制备的AlxGa1-xN材料多量子阱有源发光层(3)、AlxGa1-xN材料有源发光层(3)上面制备的掺Mg的p型AlzGa1-zN电子限制层(4)、衬底(1)下面制备的下电极(7)构成,其特征在于:衬底(1)是n型的SiC或n型的GaN晶体片,载流子浓度范围为1×1018/cm3~9.9×1019/cm3;AlxGa1-xN材料多量子阱有源发光层(3)由阱层Alx1Ga1-x1N和垒层Alx2Ga1-x2N交替构成,x1值在0~0.7之间选择,x2值比x1值大0.05~0.2,y值和z值均比x1值大0.1~0.5;在AlzGa1-zN电子限制层(4)上制备有二氧化硅电流隔离层(10),在二氧化硅电流隔离层(10)上制备出条形电流限制窗口(11),在二氧化硅电流隔离层(10)和条形电流限制窗口(11)上面制备盖层(5),盖层(5)是p-NiO,空穴浓度为1×1018/cm3~9.9×1020/cm3;盖层(5)通过条形电流限制窗口(11)接触到AlzGa1-zN电子限制层(4),进行电流注入;在盖层(5)上面制备有上电极(6),从而形成大面积欧姆接触;由外延片沿与条形电流限制窗口(11)条形方向相垂直平面解理的前、后端面构成前反射镜(8)和后反射镜(9),激光器的光在有源发光层(3)产生后由条形电流限制窗口(11)下面的前反射镜(8)和后反射镜(9)出光。
6.权利要求1所述的一种p-NiO为盖层的AlGaN紫外光发光管的制备方法,其特征在于:AlyGa1-yN外延下限制层(2)、AlxGa1-xN材料有源发光层(3)和AlzGa1-zN电子限制层(4)使用MOCVD方法进行制备,p-NiO盖层(5)使用磁控溅射方法进行制备,上电极(6)和下电极(7)采用热蒸镀、电子束蒸镀或磁控激射方法制备。
7.权利要求2所述的一种p-NiO为盖层兼作电子限制层的AlGaN紫外光发光管的制备方法,其特征在于:AlyGa1-yN外延下限制层(2)、AlxGa1-xN材料有源发光层(3)使用MOCVD方法进行制备,p-NiO盖层(5)使用磁控溅射方法进行制备,上电极(6)和下电极(7)采用热蒸镀、电子束蒸镀或磁控激射方法制备。
8.权利要求3所述的一种p-NiO为盖层的AlGaN紫外光激光器的制备方法,其特征在于:AlyGa1-yN外延下限制层(2)、AlxGa1-xN材料有源发光层(3)和AlzGa1-zN电子限制层(4)使用MOCVD方法进行制备,p-NiO盖层(5)使用磁控溅射方法进行制备,上电极(6)和下电极(7)采用热蒸镀、电子束蒸镀或磁控激射方法制备。
9.权利要求4所述的一种脊台条形结构的p-NiO为盖层的AlGaN紫外光激光器的制备方法,其特征在于:AlyGa1-yN外延下限制层(2)、AlxGa1-xN材料有源发光层(3)和AlzGa1-zN电子限制层(4)使用MOCVD方法进行制备;p-NiO盖层(5)使用磁控溅射方法进行制备,并用热稀硫酸刻蚀p-NiO盖层(5)使之形成脊台条形结构;上电极(6)和下电极(7)采用热蒸镀、电子束蒸镀或磁控激射方法制备。
10.权利要求5所述的一种内条形结构的p-NiO为盖层的AlGaN紫外光激光器的制备方法,其特征在于:AlyGa1-yN外延下限制层(2)、AlxGa1-xN材料有源发光层(3)和AlzGa1-zN电子限制层(4)使用MOCVD方法进行制备,p-NiO盖层(5)使用磁控溅射方法进行制备,上电极(6)和下电极(7)采用热蒸镀、电子束蒸镀或磁控激射方法制备。
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