CN102227046A - 一种氮化镓基半导体激光器及其制作方法 - Google Patents

一种氮化镓基半导体激光器及其制作方法 Download PDF

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许海军
廛宇飞
陈博婷
朱建军
张书明
杨辉
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一种氮化镓基半导体激光器及其制作方法属于半导体激光器领域。该氮化镓基半导体激光器不含有电子阻挡层，因而可降低激光器的工作电压，延长激光器的寿命。该器件结构是在激光器的n型光限制层与n型波导层之间引入量子级联辐射层，并利用该层在激光器工作时产生的红外辐射，实现p型GaN波导层以及AlGaN光限制层中镁受主杂质的电离，提高p型各层的载流子浓度，增大空穴注入电流，减小电子从有源区的泄漏，避免AlGaN电子阻挡层的引入，并消除掺镁的AlGaN电子阻挡层引起的光吸收损耗，进而降低激光器的阈值电流，降低激光器的工作电压，延长激光器的寿命。

Description

一种氮化镓基半导体激光器及其制作方法
技术领域
本发明属于半导体器件领域，特别是指一种氮化镓基半导体激光器及其制作方法。
背景技术
作为第三代半导体，氮化镓(GaN)及其系列材料(包括氮化铝、铝镓氮、铟镓氮、氮化铟)以其禁带宽度大、光谱范围宽(覆盖了从紫外到红外的全波段)、耐高温性和耐腐蚀性好，在光电子学和微电子学领域具有巨大的应用价值。GaN基激光器是一种非常重要的GaN基光电子器件，由于其发射的光波在蓝紫光波段，GaN基激光器在高密度光信息存储、投影显示、激光打印、水下通信、生物化学试剂的激活以及医疗方面具有重要的应用价值。由于P型GaN、AlGaN中受主杂质的电离能大，如GaN中镁杂质的电离能在0.16eV到0.20eV之间，如此大的电离能使镁杂质的电离率不足1％，而提高镁掺杂浓度又会引起晶体质量的下降和缺陷浓度的增大，使电离的镁被增加的施主所补偿，反而使空穴浓度降低。同时，偏高的掺杂浓度又会使空穴迁移率降低，因此，GaN、AlGaN的p型掺杂一直以来就是阻碍GaN基光电子器件性能提高的主要障碍。GaN基激光器中的P型GaN波导层、P型AlGaN光限制层以及P型GaN覆盖层的空穴浓度偏低，不仅使激光器中p型部分的电阻率偏大，而且，由于空穴浓度和迁移率都偏低，该双异质结激光器的空穴注入电流明显小于电子注入电流，导致电子从有源区泄漏而使激光器的阈值电流增加。为了防止电子从有源区的泄漏，通常在InGaN/GaN多量子阱有源区与GaN波导层之间引入厚度为20nm的Al0.2Ga0.8N电子阻挡层，但掺镁的Al0.2Ga0.8N电子阻挡层对InGaN/GaN多量子阱有源区的发光峰有较强的吸收，导致激光器的损耗增大，阈值电流增大。同时高电阻率的Al0.2Ga0.8N电子阻挡层的引入使激光器的工作电压进一步增大，导致激光器的工作电压偏高。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种不含有电子阻挡层的氮化镓基半导体激光器，其是利用在n型AlGaN/GaN超晶格光限制层和n型GaN波导层之间插入一层具有量子级联辐射功能的AlGaN/GaN多量子阱结构，在不明显影响激光器的光限制因子的前提下，利用该AlGaN/GaN多量子阱结构在激光器通电时电子在AlGaN/GaN多量子阱结构中的量子级联辐射，产生不同于在有源区中电子与空穴复合而发射的蓝紫光激光的红外辐射，使P型GaN波导层、AlGaN光限制层以及GaN覆盖层中镁受主杂质共振吸收该红外光而电离，从而大幅度提高p型层的空穴浓度。而较低的掺杂浓度，又可以使空穴的迁移率增大，从而增大空穴注入电流，避免使用高电阻率的并且具有较大光吸收系数的AlGaN电子阻挡层，进而降低激光器的阈值电流，降低激光器的工作电压，延长激光器的寿命。
一种氮化镓基半导体激光器，其特征在于，其中除n型欧姆电极制作在衬底的下表面外，其它各层自下向上依次包括：
一衬底10，衬底10为n型(0001)面的氮化镓衬底；
一下限制层11，该下限制层11由AlGaN/GaN超晶格构成；
一量子级联辐射层12，该量子级联辐射层由2-4个周期组成；
其中量子级联辐射层为n型的Al0.25-0.3Ga0.75-0.7N/GaN多量子阱结构，每一个周期自下而上依次为宽度为1.9到2.1纳米的AlGaN垒层；宽度为2.6到2.8纳米的GaN阱层；宽度为1.9到2.1纳米的AlGaN垒层；宽度为1.6到1.8纳米的GaN阱层；宽度为1.4到1.6纳米的AlGaN垒层；宽度为1.6到1.8纳米的GaN阱层；
-下波导层13；
-有源层14；
一上波导层15；
一上限制层16，该上限制层在刻蚀两侧后形成脊形，脊形分为中央突出部分以及两侧非突出部分；
一覆盖层17，该覆盖层刻蚀结束后，只有上限制层的脊形中央突出部分的上面保留覆盖层；
-绝缘层21，该绝缘层21制作在脊形两侧非突出部分仍保留的上限制层的上面和脊形中央突出部分的上限制层的侧面；
一p型欧姆电极22，该p型欧姆电极制作在覆盖层17的上表面及绝缘层21上；
-n型欧姆电极23，该n型欧姆电极制作在衬底10的下表面。
所述的一种氮化镓基半导体激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
1.取一衬底10；
2.在衬底10上依次制作生长下限制层11、量子级联辐射层12、下波导层13、有源层14、上波导层15、上限制层16和覆盖层17；
3.利用干法刻蚀将上限制层16两侧刻蚀后形成脊形，将脊形中央突出部分以外区域中的覆盖层17刻蚀掉，只有上限制层的脊形中央突出部分的上面保留覆盖层形成脊形结构；
4.在脊形两侧的非突出部分仍保留的上限制层16的上表面和脊形中央突出部分的上限制层的两个侧面制作绝缘层21；
5.在覆盖层17的上表面及绝缘层21上制作p型欧姆电极22；
6.在衬底10的下表面制作n型欧姆电极23，完成器件的制作。
本发明是对申请号为201010571217.X，申请日为2010年11月26日，名称为：“一种氮化镓基半导体激光器及其制作方法”的脊形GaN基激光器的结构做了改进。其特征在于，在原来的GaN基半导体激光器结构中的n型AlGaN/GaN超晶格光限制层和n型GaN波导层之间插入一层具有量子级联辐射功能的n型AlGaN/GaN多量子阱结构的同时去掉AlGaN电子阻挡层。
该AlGaN/GaN多量子阱结构在激光器通电时，发生电子的量子级联辐射而产生不同于在有源区中电子与空穴复合而发射的蓝紫光的红外辐射。该红外辐射的光子能量可以通过改变AlGaN/GaN多量子阱结构参数在一定的区间内变化，如能量以0.18eV～0.20eV范围内某一光子能量为中心的红外辐射带。可以通过自洽求解薛定谔方程和泊松方程，求出含有不同AlGaN垒宽、不同GaN阱宽以及不同Al组分的AlGaN垒层的AlGaN/GaN多量子阱结构有源区的基态能级和第一激发态能级，并根据GaN中镁受主杂质的电离能确定AlGaN/GaN多量子阱结构参数，使得电子在第一激发态与基态之间跃迁产生的光子，可以引起镁受主杂质的共振吸收而电离。镁杂质的大量电离，可以导致p型层中空穴浓度的大幅度提高。同时由于这种电离镁受主杂质的方法，可以降低p型各层的镁的掺杂浓度，因而还会使p型各层的空穴迁移率增大。由于p型各层的空穴浓度和迁移率增大，可以提高空穴注入电流，而减小电子从有源区的泄漏，避免使用高电阻率的AlGaN电子阻挡层。因为掺镁的Al0.2Ga0.8N电子阻挡层对InGaN/GaN多量子阱有源区的发光峰有较强的吸收，导致激光器的损耗偏大，阈值电流也偏大。掺镁的Al0.2Ga0.8N电子阻挡层的去除可以减小激光器的内部损耗，减小激光器的阈值电流。总之，AlGaN电子阻挡层的去除，可以减小激光器的阈值电流，降低激光器的工作电压，延长激光器的工作寿命，并可以简化激光器外延片的生长过程。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1是本发明中GaN基激光器的材料结构示意图；
图2是本发明中脊形GaN基激光器的器件结构示意图.
具体实施方式
本发明提出一种不含有电子阻挡层的的GaN基激光器的器件制备过程为：以(0001)面的氮化镓材料为衬底10，利用MOCVD、MBE或者其他生长GaN材料的设备生长出器件结构。该结构包括n型AlGaN/GaN超晶格下限制层11、n型AlGaN/GaN多量子阱级联辐射层12，n型GaN下波导层13、InGaN/GaN有源层14、P型GaN上波导层15，P型AlGaN上限制层16和P型GaN覆盖层17。用干法刻蚀等方法刻出对称的脊形结构，脊形长度方向沿氮化镓的[11-20]方向。蒸镀二氧化硅绝缘层。蒸镀欧姆接触电极金属并热退火，实现欧姆接触电极。将衬底10减薄至200μm左右，在氮化镓衬底10的下表面蒸镀欧姆接触电极金属。将外延片沿氮化镓的[11-20]方向划片分割成长条，将长条沿氮化镓的(11-20)面解理成所设计腔长的激光器管芯。在激光器管芯的两个腔面蒸镀介质反射膜。最后再压焊引出电极、封装成激光器器件。
实施例1
为了进一步说明本器件结构的效果，我们以工作波长为405nm的GaN基激光器为例说明该器件结构的制备过程。各层的材料及厚度见表1。具体如下：利用MOCVD方法在(0001)面的氮化镓衬底10上生长出器件结构。该结构包括、n型Al0.2Ga0.8N/GaN超晶格下限制层11(厚度为0.76μm，GaN阱宽为2.0nm，Al0.2Ga0.8N垒宽为2.0nm，掺杂浓度为3.0×1018cm-3)、n型Al0.25Ga0.75N/GaN多量子阱量子级联辐射层12，该层共三个周期，每一个周期自下往上依次为Al0.25Ga0.75N(2.0nm)/GaN(2.8nm)/Al0.25Ga0.75N(2.0nm)/GaN(1.8nm)/Al0.25Ga0.75N(1.6nm)/GaN(1.8nm)，掺杂浓度为3.0×1016cm-3、n型GaN下波导层13(厚度为0.08μm，掺杂浓度为5.0×1015cm-3)、In0.15Ga0.85N/GaN有源区层14(多量子阱为5个周期，InGaN阱宽为3nm，GaN垒宽为8nm，掺杂浓度为3.0×1017cm-3)、P型GaN上波导层15(厚度为0.08μm，掺杂浓度为3.0×1017cm-3)、P型Al0.16Ga0.84N/GaN超晶格上限制层16(厚度为0.6μm，GaN阱宽为2.5nm，Al0.2Ga0.8N垒宽为2.5nm，掺杂浓度为6.2×1017cm-3)和P型GaN覆盖层17(厚度为0.2μm，掺杂浓度为2.4×1020cm-3)。
用反应离子刻蚀方法刻出脊形宽度为3μm的、对称的脊形结构，脊形长条沿氮化镓的[11-20]方向。蒸镀二氧化硅绝缘层，蒸镀欧姆接触电极金属并热退火实现欧姆接触电极。将衬底10减薄至200μm左右，在衬底的下表面蒸镀欧姆接触电极金属。将外延片沿氮化镓的[11-20]方向划片分割成长条。将长条沿氮化镓的(11-20)面解理成腔长为800μm的激光器管芯。在激光器管芯的前腔面蒸镀一对TiO2/SiO2反射膜，后腔面蒸镀三对TiO2/SiO2反射膜。最后再压焊、封装成激光器器件。
通过自洽求解薛定谔方程和泊松方程计算了量子级联辐射层的有源区的能级，有源区量子阱的基态和第一激发态能级间隔为0.18eV，当电场强度为1.6×105V/cm，且有电流流过时，可实现级联辐射，发射中心能量为0.18eV的红外辐射带，该辐射带能引起GaN中镁杂质的共振吸收，导致大量杂质的电离。室温下，P型GaN波导层的空穴浓度可以达到6.0×1015cm-3以上，P型Al0.16Ga0.84N/GaN超晶格上限制层的空穴浓度达到为8.0×1015cm-3以上和P型GaN覆盖层的空穴浓度达到2.0×1019cm-3以上。模拟结果显示，去除AlGaN电子阻挡层后，阈值电流由原来的65mA减小为61mA。激光器以1.1倍阈值电流工作时，使p型区的压降由原来的约3.0V，降低为约0.3V，去除AlGaN电子阻挡层后电压降低约0.3V，而量子级联辐射层引起电压升高0.55V，可以使激光器的工作电压降低约2.4V，达到5.1V。
实施例2
为了说明本发明的应用价值，我们再以工作波长为450nm的GaN基激光器为例说明该器件结构的特点。与实施例1相比，各层的材料及厚度除了有源区改为In0.3Ga0.7N/In0.02Ga0.98N多量子阱(多量子阱为3个周期，In0.3Ga0.7N阱宽为3nm，In0.02Ga0.98N垒宽为5nm，Si杂质浓度为3.0×1016cm-3)外，其它各层的参数、生长条件、器件尺寸以及制作过程与实施例1完全相同，见表1。器件的后工艺制作过程也与实施例1相同。
通过自洽求解薛定谔方程和泊松方程计算了量子级联辐射层的有源区的能级，有源区量子阱的基态和第一激发态能级间隔为0.18eV，当电场强度为1.6×105V/cm，且有电流流过时，可实现级联辐射，发射中心能量为0.18eV的红外辐射带，该辐射带能引起GaN中镁杂质的共振吸收，导致大量杂质的电离。室温下，P型GaN波导层的空穴浓度可以达到6.0×1015cm-3以上，P型Al0.16Ga0.84N/GaN超晶格上限制层的空穴浓度达到为8.0×1015cm-3以上和P型GaN覆盖层的空穴浓度达到2.0×1019cm-3以上。模拟结果显示，去除AlGaN电子阻挡层后，阈值电流由原来的71mA减小为68mA。激光器以1.1倍阈值电流工作时，使p型区的压降由原来的约3.1V，降低为约0.3V，去除AlGaN电子阻挡层后电压降低约0.3V，而量子级联辐射层引起电压升高0.55V，可以使激光器的工作电压降低约2.4V，达到5.1V。
表1本发明中GaN基激光器的各层材料及参数
Figure BDA0000063517510000071

Claims (2)

1.一种氮化镓基半导体激光器，其特征在于，其中除n型欧姆电极制作在衬底的下表面外，其它各层自下向上依次包括：
一衬底(10)，衬底(10)为n型(0001)面的氮化镓衬底；
一下限制层(11)，该下限制层(11)由AlGaN/GaN超晶格构成；
一量子级联辐射层(12)，该量子级联辐射层由2-4个周期组成；
其中量子级联辐射层为n型的Al0.25-0.3Ga0.75-0.7N/GaN多量子阱结构，每一个周期自下而上依次为宽度为1.9到2.1纳米的AlGaN垒层；宽度为2.6到2.8纳米的GaN阱层；宽度为1.9到2.1纳米的AlGaN垒层；宽度为1.6到1.8纳米的GaN阱层；宽度为1.4到1.6纳米的AlGaN垒层；宽度为1.6到1.8纳米的GaN阱层；
-下波导层(13)；
-有源层(14)；
一上波导层(15)；
一上限制层(16)，该上限制层在刻蚀两侧后形成脊形，脊形分为中央突出部分以及两侧非突出部分；
一覆盖层(17)，该覆盖层刻蚀结束后，只有上限制层的脊形中央突出部分的上面保留覆盖层；
-绝缘层(21)，该绝缘层(21)制作在脊形两侧非突出部分仍保留的上限制层的上面和脊形中央突出部分的上限制层的侧面；
一p型欧姆电极(22)，该p型欧姆电极制作在覆盖层(17)的上表面及绝缘层(21)上；
-n型欧姆电极(23)，该n型欧姆电极制作在衬底(10)的下表面。
2.根据权利要求1所述的一种氮化镓基半导体激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)取一衬底(10)；
2)在衬底(10)上依次制作生长下限制层(11)、量子级联辐射层(12)、下波导层(13)、有源层(14)、上波导层(15)、上限制层(16)和覆盖层(17)；
3)利用干法刻蚀将上限制层(16)两侧刻蚀后形成脊形，将脊形中央突出部分以外区域中的覆盖层(17)刻蚀掉，只有上限制层的脊形中央突出部分的上面保留覆盖层形成脊形结构；
4)在脊形两侧的非突出部分仍保留的上限制层(16)的上表面和脊形中央突出部分的上限制层的两个侧面制作绝缘层(21)；
5)在覆盖层(17)的上表面及绝缘层(21)上制作p型欧姆电极(22)；
6)在衬底(10)的下表面制作n型欧姆电极(23)，完成器件的制作。
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