專利名稱：氮化鎵基光子晶體激光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體激光器件，具體是指一種光子晶體結(jié)構(gòu)的氮化鎵(GaN)基激光二極管(LD)。
背景技術(shù)：
GaN半導(dǎo)體材料具有在高頻、高溫條件下發(fā)射藍(lán)光的獨特性能，是繼Si和GaAs之后的新一代半導(dǎo)體材料。由GaN、InN和AlN所組成的合金InGaN、AlGaN等GaN基半導(dǎo)體材料，通過調(diào)整組分可以獲得從1.9eV到6.2eV連續(xù)可調(diào)的帶隙，覆蓋從紫外光到可見光很寬范圍的波段。這些GaN基半導(dǎo)體材料的內(nèi)、外量子效率高，具備高發(fā)光效率、高熱導(dǎo)率、耐高溫、抗輻射、耐酸堿、高強度和高硬度等優(yōu)點，可制成高效的藍(lán)、綠、紫、白色發(fā)光二極管(LED)和LD，因而成為目前世界上最先進(jìn)的半導(dǎo)體發(fā)光材料之一。該發(fā)光材料制成的器件在國防建設(shè)、生物、環(huán)境、照明、顯示、打印和醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的市場需求。
雖然GaN基發(fā)光材料制成的器件具有非常廣闊的應(yīng)用前景，但是器件對GaN材料的質(zhì)量要求非?？量蹋枰|(zhì)量很好的GaN晶體，而通常生長的GaN晶體缺陷密度很高，因此目前的GaN基材料的質(zhì)量成為制約GaN基激光二極管發(fā)展的一個重要因素。

發(fā)明內(nèi)容
在目前無法有效提高GaN晶體材料生長質(zhì)量的情況下，為了降低GaN基激光二極管對材料質(zhì)量的要求，本發(fā)明的目的是提出一種光子晶體結(jié)構(gòu)的GaN基激光二極管。這種結(jié)構(gòu)可以有效地降低器件對GaN晶體材料的質(zhì)量要求，尤其是缺陷密度，使激光二極管更易于制備。
本發(fā)明的激光二極管包括襯底1，在襯底上置有與襯底牢固結(jié)合的周期分布的光學(xué)微腔2。
所說的光學(xué)微腔2是由在背景材料上通過刻蝕的方法在其四周形成呈三角格子周期性分布的圓柱形空氣柱201構(gòu)成的。這種呈三角格子周期性分布的圓柱形空氣柱和背景材料共同構(gòu)成二維光子晶體。
所說的圓柱形空氣柱的深度為背景材料的厚度。
所說的光學(xué)微腔的分布至少間隔3-4個周期的三角格子的圓柱形空氣柱。
所說的背景材料由通過分子束外延或金屬有機化學(xué)氣相沉積方法依次排列生長的n-GaN下電極層202、InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)或AlGaN/InGaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的發(fā)光層203和p-GaN上電極層204組成，其中通過調(diào)節(jié)In或Al的組分可獲得不同波段的發(fā)光譜。
所說的光學(xué)微腔區(qū)域之外的背景材料注入有劑量范圍為1012～1015cm-2的N或Ga離子。
本發(fā)明的優(yōu)點是1.由于激光二極管采用光子晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計，形成一系列三維受限的微腔，在平面內(nèi)兩個維度方向都受到光子晶體結(jié)構(gòu)的強烈限制，因此光會從這些微腔的垂直方向上發(fā)射出來。由于這種結(jié)構(gòu)的激光只從各個微腔區(qū)域發(fā)出，占材料的總面積小，微腔中含有缺陷的幾率明顯下降，而微腔區(qū)域之外的光子晶體結(jié)構(gòu)雖然含有缺陷，但對整個器件的發(fā)光性能基本沒影響，從而明顯降低器件對材料晶體質(zhì)量的要求，尤其是缺陷密度。
2.通過離子注入的方法，提高微腔區(qū)域之外背景材料的電阻率，以使電流主要從微腔區(qū)域走，這樣可以大大提高電能的利用率，降低器件的功耗。
3.單色性好，由于整個結(jié)構(gòu)由多個三維受限的微腔構(gòu)成，所發(fā)出光束的單色性好。


圖1為本發(fā)明的GaN基光子晶體激光二極管結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的二維光子晶體和微腔分布的平面示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖以InxGa1-xN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光層為實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進(jìn)一步的詳細(xì)說明本發(fā)明的激光二極管的襯底1為寶石或碳化硅材料。
襯底1上的光學(xué)微腔的設(shè)計采用2003年文獻(xiàn)“Y.Akahane，T.Asano，B.-S.Song&S.Noda Nature 425，944-947(2003)”報導(dǎo)的最佳結(jié)構(gòu)來構(gòu)造二維光子晶體微腔，其具體結(jié)構(gòu)為空氣柱在背景介質(zhì)材料中呈三角格子的周期性分布，去掉其中連續(xù)3根空氣柱以形成光學(xué)微腔，并分別將微腔長度方向兩端的中間一根空氣柱分別往外移動0.15α的距離，以進(jìn)一步顯著提高微腔的品質(zhì)因子，α為二維光子晶體晶格常數(shù)。
然后將n-GaN下電極層、InxGa1-xN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光層和p-GaN上電極層等效為均勻的背景介質(zhì)材料，采用傳輸矩陣(TMM)或有限時域差分(FDTD)等常用的光子晶體計算方法，使其光子帶隙的中心波長為585nm，計算出微腔的具體參數(shù)α為0.31μm，空氣柱的半徑R為0.29α＝0.09μm。為了防止各微腔之間的相互干擾，光學(xué)微腔的分布至少間隔3-4個周期的三角格子的圓柱形空氣柱。
激光二極管的具體制備步驟如下
首先，通過分子束外延或金屬有機化學(xué)氣相沉積方法在寶石襯底上依次排列生長n-GaN下電極層202、InxGa1-xN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光層203和p-GaN上電極層204，構(gòu)成背景材料，如圖1所示。
然后采用電子束光刻和誘導(dǎo)耦合等離子體刻蝕等方法在背景材料上按照上述的微腔的設(shè)計刻蝕出一系列呈三角格子周期性分布的圓柱形空氣柱201，形成周期分布的二維光子晶體微腔。其中空氣柱201的深度為背景材料的厚度，空氣柱的排列如圖2所示。
再采用光刻膠將各微腔區(qū)域保護起來，通過N或Ga離子對未受保護的微腔以外區(qū)域進(jìn)行離子注入，使這些區(qū)域GaN基材料的晶格遭到破壞，使其電阻率增大，從而使得器件在加上電壓時電流主要從微腔區(qū)域通過，這樣可大大提高電能的利用率，降低器件的功耗。注入劑量的范圍為1012～1015cm-2，采用N或Ga離子的目的是為了避免在注入過程中引入其他雜質(zhì)。
完成以上工藝后，只需在上、下電極層分別引出電極，以干電池作為電源，就可以實現(xiàn)激光二極管的發(fā)光。
權(quán)利要求
1.一種氮化鎵基光子晶體激光二極管，包括襯底(1)，其特征在于在襯底(1)上置有與襯底牢固結(jié)合的周期分布的光學(xué)微腔(2)；所說的光學(xué)微腔(2)是由在背景材料上通過刻蝕的方法在其四周形成呈三角格子周期性分布的圓柱形空氣柱(201)構(gòu)成的；所說的光學(xué)微腔區(qū)域之外的背景材料注入有劑量范圍為1012～1015cm-2的N或Ga離子；所說的圓柱形空氣柱(201)的深度為背景材料的厚度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種氮化鎵基光子晶體激光二極管，其特征在于所說的光學(xué)微腔(2)的分布至少間隔3-4個周期的三角格子的圓柱形空氣柱(201)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的一種氮化鎵基光子晶體激光二極管，其特征在于所說的背景材料由通過分子束外延或金屬有機化學(xué)氣相沉積方法依次排列生長的n-GaN下電極層(202)、InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)或AlGaN/InGaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的發(fā)光層(203)和p-GaN上電極層(204)組成，其中通過調(diào)節(jié)In或Al的組分可獲得不同波段的發(fā)光譜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種氮化鎵基光子晶體激光二極管，該激光二極管由在襯底上周期分布的二維光子晶體光學(xué)微腔構(gòu)成。它的優(yōu)點是由于微腔采用光子晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計，形成一系列三維受限的微腔，在平面內(nèi)兩個維度方向都受到光子晶體結(jié)構(gòu)的強烈限制，因此光會從這些微腔的垂直方向上發(fā)射出來。由于這種結(jié)構(gòu)的激光只從各個微腔區(qū)域發(fā)出，占材料的總面積小，微腔中含有缺陷的幾率明顯下降，而微腔區(qū)域之外的光子晶體結(jié)構(gòu)雖然含有缺陷，但對整個器件的發(fā)光性能基本沒影響，從而明顯降低器件對材料晶體質(zhì)量的要求，尤其是缺陷密度。
文檔編號H01S5/343GK1776976SQ200510110629
公開日2006年5月24日 申請日期2005年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月23日
發(fā)明者陸衛(wèi), 王少偉, 夏長生, 李寧, 李志鋒, 張波, 陳平平, 陳效雙, 陳明法 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所, 上海藍(lán)寶光電材料有限公司