一種N型GaAs基激光二極管的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種N型GaAs基激光二極管的制造方法，其包括形成GaAs襯底以及依次沉積n型包覆層、n型光導(dǎo)層、有源層、p型阻擋層、p型光導(dǎo)層和p型包覆層。其中形成GaAs襯底的方法包括將GaAs晶片放入高溫高壓裝置中，對GaAs晶片加熱的同時加壓，加熱溫度為860～890℃，加壓壓力為5.0～5.5GPa，保持10～15分鐘；停止加熱加壓，使GaAs晶片恢復(fù)至常溫常壓；在高溫高壓裝置中退火20～30分鐘后，取出GaAs晶片。該方法可以明顯的減小激光二極管襯底中的晶體缺陷密度，提高激光二極管的性能和壽命。
【專利說明】一種N型GaAs基激光二極管的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種激光二極管的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]激光二極管(LD)是一種由半導(dǎo)體材料形成二極管，其基本結(jié)構(gòu)包括襯底以及依次沉積在襯底上的P/N型包覆層、有源層和P/N型包覆層，以及N型和P型包覆層上的歐姆接觸。襯底作為LD這座大廈的地基，具有重要的作用。藍(lán)寶石是一種常用的LD襯底，但由于其與其上的異相外延層的晶格和熱應(yīng)力失配，發(fā)熱后由于膨脹程度不同會崩裂，導(dǎo)致器件損壞。另外一類LD襯底包括GaAs，GaAs, InP等半導(dǎo)體材料。作為襯底的上述半導(dǎo)體材料中一般都會包括各種缺陷，例如位錯、間隙或空位等，缺陷會引起晶體應(yīng)變，應(yīng)變會造成襯底上外延層的品質(zhì)及性能降低，導(dǎo)致激光二極管的壽命縮短。多年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)過本領(lǐng)域技術(shù)人員的長期研究和實踐，形成了較為完善的晶體生長工藝流程，減少了半導(dǎo)體襯底材料生長過程中形成的缺陷密度。但是，人們還希望得到缺陷密度更低的襯底，制得性能更佳、壽命更長的激光二極管。如何進(jìn)一步減少或消除缺陷成為本領(lǐng)域急需解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服現(xiàn)有技術(shù)中 存在的缺陷，本發(fā)明提供了一種N型GaAs基激光二極管的制造方法，該方法可以明顯的減小激光二極管襯底中的晶體缺陷密度，提高激光二極管的性能和壽命。
[0004]本發(fā)明的N型GaAs基激光二極管包括η-GaAs襯底，在襯底上依次沉積了 η型包覆層、η型光導(dǎo)層和有源層，其中，
[0005]η 型包覆層是 n-AlJribGah-bN,其中 O < a, b, a+b ( I ；
[0006]η 型光導(dǎo)層為 n-AlcIndGa卜c_dN,其中 O ^ c, d, c+d ^ I ；
[0007]有源層是超晶格結(jié)構(gòu)的n-AUnfGamN/n-AIglnhGamN多量子阱層，其中OSe，
f,g，h, e+f, g+h ( I。
[0008]在有源層上還依次沉積了 P型阻擋層、P型光導(dǎo)層和P型包覆層，其中P型阻擋層是P-AliInjGa1^jN,P 型光導(dǎo)層是P-AlkIn1Ga1^1N,P 型包覆層是P-AlmInnGa1HN,其中(Xi,j，k，1，m，n，i+j，k+1，m+n ^ I。
[0009]本發(fā)明的N型GaAs基激光二極管的制造方法包括如下步驟，首先形成GaAs襯底，其次在襯底上依次沉積了 η型包覆層、η型光導(dǎo)層、有源層、P型阻擋層、P型光導(dǎo)層和P型
包覆層。
[0010]其中形成GaAs襯底的方法包括如下步驟:
[0011](I)在常溫常壓下，將GaAs晶片放入高溫高壓裝置中，在高溫高壓裝置中加入傳壓介質(zhì)，該傳壓介質(zhì)為NaCL和液氮；
[0012](2)對GaAs晶片加熱的同時加壓，加熱溫度為860~890°C，加壓壓力為5.0~5.5GPa，保持10~15分鐘。其中，加熱速率為100°C /分鐘，加壓速率為0.1~0.2GPa/分鐘。
[0013](3)停止加熱，使GaAs晶片冷卻至常溫；同時緩慢卸壓，使GaAs晶片恢復(fù)至常壓。卸壓速度為0.3~0.5GPa/分鐘。
[0014](4)在高溫高壓裝置中退火20~30分鐘后，取出GaAs晶片。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明的N型GaAs基激光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0016]以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，但不作為對本發(fā)明的限定。
[0017]圖1示出了本發(fā)明的激光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖。其包括n-GaAs襯底1，在襯底1上依次沉積了 n型包覆層2、n型光導(dǎo)層3和有源層4。
[0018]n 型包覆層 2 是 n-AlJnbG1-a-bN,光導(dǎo)層 3 為 n-AlcIndGa1-c-bN,其中 0 ≤a, b, c, d,a+b, c+d≤ 1
[0019]包覆層2也可以是n-AIJnbGah-bN超晶格。
[0020]有源層4是超晶格結(jié)構(gòu)的I1-AUnfGa1IfNA-AIgInhGa1ThN多量子阱層，其中0≤ e, f, g, h, e+f, g+h ≤ 1。
[0021]在有源層4上還沉積了 p型阻擋層5，p型阻擋層5是P-AliInjGa1^jN,其上為P型光導(dǎo)層6和p型包覆層7，其中p型光導(dǎo)層6是P-AlkIn1Ga1I1N, p型包覆層7是P-AlmInnGa卜m_nN,其中 0≤i, j, k, I, m, n, i+j, k+1, m+n≤ 1。
[0022]P型包覆層7也可以是P-AlmInnGannN超晶格。
[0023]在一個優(yōu)選實施例中，包覆層、光導(dǎo)層和p型阻擋層的帶隙都比有源層的帶隙大。
[0024]在另一個優(yōu)選實施例中，光導(dǎo)層的帶隙比包覆層的帶隙小，p型阻擋層的帶隙比包覆層的帶隙大。
[0025]在p型包覆層1上可以設(shè)置p型接觸層8, p型接觸層8可以是p-Al JnpGa1IpN,其中0 ≤ O，p, o+p≤ 1, p型接觸層的帶隙比有源層的帶隙大，比包覆層的帶隙小。
[0026]接觸層還可以是P+-AlyInzGa1IzN超晶格,其中0≤y, z, y+z≤I。
[0027]通過該器件的結(jié)構(gòu)蝕刻p接觸層、包覆層、有源層和可選的n接觸層，來形成臺面結(jié)構(gòu)。臺面足夠深以延伸到至少有源層之下，并且可以一直延伸到襯底的最上部分。
[0028]為了改善電限制和減小閾值電流，可以通過接觸層的外圍蝕刻一脊結(jié)構(gòu)，并進(jìn)入最上面的包覆層中。在腐蝕形成條形臺面和脊結(jié)構(gòu)之后，形成鈍化層將臺面和脊的側(cè)面而非脊的頂部鈍化。鈍化層可以包括SiO2或者SiNx，可以通過熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、濺鍍等方法沉積。
[0029]然后，在頂表面(p型)和底表面(n型)上分別形成p型金屬接觸9和n型金屬接觸10。p型接觸9優(yōu)選為鎳-金合金，n型接觸10優(yōu)選為鈦-鋁合金。其可以通過本領(lǐng)域已知的任何方法形成，例如濺射沉積或電子束蒸發(fā)沉積。將上述接觸退火至大約400°C到950°C之間的溫度即構(gòu)成歐姆接觸。
[0030]最后，在垂直于上述脊結(jié)構(gòu)的平面內(nèi)切割器件，以確定激光腔的長度尺度。激光腔的長度在100 μ m到2000 μ m之間。
[0031]上面描述了 η型襯底的器件結(jié)構(gòu)，P型襯底的器件結(jié)構(gòu)與其相反，將η-接觸層和P-接觸層以及η-包覆層和P-包覆層分別顛倒即可。
[0032]其中形成GaAs襯底的方法包括如下步驟:
[0033](I)在常溫常壓下，將GaAs晶片放入高溫高壓裝置中，在高溫高壓裝置中加入傳壓介質(zhì)，該傳壓介質(zhì)為NaCL和液氮；
[0034](2)對GaAs晶片加熱的同時加壓，加熱溫度為860?890°C，加壓壓力為5.0?5.5GPa，保持10?15分鐘；此處的加壓壓力也可以稱作加壓壓強。其中，加熱速率為IOO0C /分鐘，加壓速率為0.1?0.2GPa/分鐘。
[0035](3)停止加熱，使GaAs晶片冷卻至常溫；同時緩慢卸壓，使GaAs晶片恢復(fù)至常壓。卸壓速度為0.3?0.5GPa/分鐘。
[0036](4)在高溫高壓裝置中退火20?30分鐘后，取出GaAs晶片。
[0037]本發(fā)明進(jìn)行了 50組不同溫度和壓力范圍的實驗，對GaAs晶片進(jìn)行了高溫高壓處理。實驗數(shù)據(jù)表明，對GaAs晶片實施加熱溫度為860?890°C，加壓壓力為5.0?5.5GPa的高溫高壓處理并退火后，其位錯和空隙的密度降低至處理前的25?35%，說明該方法明顯減少了晶片內(nèi)的缺陷密度。實驗數(shù)據(jù)也表明，處理后晶片的缺陷密度與加熱溫度、加壓壓力有關(guān)，且溫度范圍和壓力范圍其主要作用，但加熱、加壓以及卸壓速率也對缺陷密度的減少其作用，上文中已經(jīng)記載了優(yōu)選的溫度和壓力范圍，以及優(yōu)選的加熱、加壓與卸壓速率。降溫不需采用特殊方法，停止加熱后自然冷卻即可。采用處理后的GaAs晶片作為襯底形成的激光二極管，增大了擊穿場強，減少了漏電，增加了導(dǎo)熱性，光發(fā)射效率更高，可靠性更大。
[0038]用于處理本發(fā)明的晶片的高溫高壓裝置可以采用已有的兩面頂和多面體高壓裝置，多面體高壓裝置包括六面體壓腔裝置和八面體壓腔裝置。優(yōu)選采用兩面頂大腔體靜高壓裝置，簡稱為兩面頂大壓機。該裝置的外殼和壓桿的材料均為合金鋼，壓砧的材料為碳化鎢。采用該兩面頂大壓機可以達(dá)到的最高壓力為7GPa。其最高壓力相比較多面體高壓裝置以及金剛石對頂砧超高壓裝置雖然低，但是由于其腔體體積大，處理樣品的直徑自十厘米左右，適合用于處理襯底晶片。
[0039]在該高壓裝置中設(shè)有電熱裝置，其通過電熱絲提供加熱熱量，對電熱裝置通電后可以對晶片進(jìn)行加熱。加熱溫度最聞可達(dá)1700攝氏度。
[0040]壓力介質(zhì)為氯化鈉(NaCl)、氧化鎂(MgO)或液態(tài)氮氣，該介質(zhì)可以使壓力均勻分布在晶體上，使得非各向同性應(yīng)力最小。
[0041]NaCl和MgO為低抗剪強度固體，其內(nèi)摩擦系數(shù)低于0.2，可以很好的傳壓，同時起到隔熱的作用，以利于加溫加壓。液氮在起到傳壓作用的同時，可以抑止GaAs在加熱和退火時的分解。
[0042]當(dāng)然，本發(fā)明還可有其他多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種N型GaAs基激光二極管的制造方法，包括如下步驟，首先形成GaAs襯底，其次在襯底上依次沉積了 n型包覆層、n型光導(dǎo)層、有源層、p型阻擋層、p型光導(dǎo)層和p型包覆層，其特征在于， 形成GaAs襯底的方法包括如下步驟: (1)在常溫常壓下，將GaAs晶片放入高溫高壓裝置中，在高溫高壓裝置中加入傳壓介質(zhì)，該傳壓介質(zhì)為NaCL和液氮； (2)對GaAs晶片加熱的同時加壓，加熱至溫度為860~890°C，加壓至壓力為5.0~5.5GPa，保持10~15分鐘； (3)停止加熱，使GaAs晶片冷卻至常溫；同時緩慢卸壓，使GaAs晶片恢復(fù)至常壓。卸壓速度為0.3~0.5GPa/分鐘； (4)在高溫高壓裝置中退火20~30分鐘后，取出GaAs晶片。
2.如權(quán)利要求1所述的N型GaAs基激光二極管的制造方法，其特征在于，步驟(2)中加熱速率為100°C /分鐘，加壓速率為0.1~0.2GPa/分鐘。
3.如權(quán)利要求1所述的N型GaAs基激光二極管的制造方法，其特征在于，n型包覆層是 n-AlJnbGah—bN，其中 0 ≤a, b, a+b ≤ 1。
4.如權(quán)利要求1所述的N型GaAs基激光二極管的制造方法，其特征在于，n型光導(dǎo)層為 n-AlcIridGah-dN,其中 0 ≤ c, d, c+d ≤ 1。
5.如權(quán)利要求1所述的N型GaAs基激光二極管的制造方法，其特征在于，有源層是超晶格結(jié)構(gòu)的 I1-AleInfGa1IfNA1-AIgInhGa1IhN 多量子講層,其中 0 ≤ e, f, g,h, e+f, g+h ≤ 1。
6.如權(quán)利要求1所述的N型GaAs基激光二極管的制造方法，其特征在于，p型阻擋層是 P-AliInjGa1+/^其中 0 ≤ i，j，i+j ≤ 1。
7.如權(quán)利要求1所述的N型GaAs基激光二極管的制造方法，其特征在于，p型光導(dǎo)層是 P-AlkIn1Ga1-HN,其中 0 ≤ k，1，k+1 ≤ 1。
8.如權(quán)利要求1所述的N型GaAs基激光二極管的制造方法，其特征在于，p型包覆層是 p-AlmInnGa卜m_nN,其中 0 ≤ m, n, m+n ≤ 1。
【文檔編號】H01S5/343GK103762501SQ201410038388
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月26日
【發(fā)明者】周明, 申云, 蘇學(xué)杰, 段中明 申請人:南通明芯微電子有限公司