CN103956653B - 减小GaN基蓝紫光端发射激光器电子泄漏的方法 - Google Patents

Abstract

一种减小GaN基蓝紫光端发射激光器中电子泄漏的方法，包括以下步骤：步骤1：在一蓝宝石衬底上依序制作低温成核层、n型接触和电流扩展层、n型AlGaN限制层、n型GaN波导层、InGaN/GaN量子阱有源区、InGaN插入层、AlGaN电子阻挡层、p型GaN波导层、p型AlGaN限制层和p型GaN接触层；步骤2：采用光刻的方法，在p型GaN接触层上面的一侧向下刻蚀，刻蚀深度到达n型接触和电流扩展层，使n型接触和电流扩展层的表面形成一台面；步骤3：在n型接触和电流扩展层表面形成的台面上制作n型电极；步骤4：在p型GaN接触层的上表面制作一p型电极，完成制备。本发明可以提高电子跃过AlGaN电子阻挡层的有效势垒高度，从而减小电子泄漏，提高GaN基蓝紫光激光器性能。

Description

减小GaN基蓝紫光端发射激光器电子泄漏的方法

技术领域

本发明涉及GaN基蓝紫光端发射激光器结构设计领域，特别是指一种减小GaN基蓝紫光端发射激光器电子泄漏的方法。

背景技术

端发射半导体激光器结构通常包括多层平行的半导体材料层，以及在半导体材料层侧面两端作为镜面的理解表面。半导体材料层主要分为三部分：单量子阱或多量子阱形成的有源区、有源区一侧为有源区提供电子的n区、有源区另一侧为有源区提供空穴的p区。在n区和p区分别蒸上电极，通过施加外加偏压驱动电子和空穴在垂直于结平面的方向上注入到有源区进行复合并产生光。通过侧面两端的解理镜面形成反馈腔，使得电子空穴复合产生的光在腔内不断谐振并且形成波前平行于镜面的驻波。如果有源区内的光增益超过了激光器结构里的光损耗，就会产生放大的受激辐射，激光便会从镜面端面发射出来。

GaN基半导体材料，包括三元合金InGaN、AlGaN，和四元合金InGaAlN，由于其很大的禁带宽度范围，使得用其制备的发光二级管和激光器的光谱范围可从紫外扩展到蓝光、绿光。这些波长的激光器，尤其是蓝紫光波段，相对于红光及红外激光器来说，能够提供更小的光斑尺寸和更大的聚焦深度，从而在更高分辨、更快速度的激光打印以及大密度存储系统中有着广泛的应用。另外，蓝光激光器结合现在已有的红光、绿光激光器，在投影显示及全色打印领域中，具有很广的前景。然而，对于普通的GaN基蓝紫光激光器而言，由于激射波长较短，量子阱深度较小，对载流子的束缚能力较弱，从n区注入的有效质量较小的电子很容易跃过有源区注入到p区，与p区的空穴发生非辐射复合，降低了空穴的注入效率。这种情况即使在有源区和p区之间插入禁带宽度更大的AlGaN电子阻挡层也不能完全消除。

针对GaN基蓝紫光激光器中比较严重的电子泄漏问题，有一些解决方案。比如采用AlGaN/GaN多量子垒或者AlInGaN来代替普通的AlGaN电子阻挡层，通过增加电子跃过电子阻挡层有效势垒高度来减小电子泄漏。但是，在这些方案中，AlGaN/GaN多量子垒各层的厚度和AlInGaN中Al和In的组分必须要严格控制，而这增加了激光器结构实际生长过程中的难度。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种减小GaN基蓝紫光端发射激光器中电子泄漏的方法。该方法通过在有源区和AlGaN电子阻挡层之间插入一层不掺杂且很薄的InGaN插入层，提高电子跃过AlGaN电子阻挡层的有效势垒高度，从而减小电子泄漏，提高GaN基蓝紫光激光器性能。

本发明提供一种减小GaN基蓝紫光端发射激光器中电子泄漏的方法，包括以下步骤：

步骤1：在一蓝宝石衬底上依序制作低温成核层、n型接触和电流扩展层、n型AlGaN限制层、n型GaN波导层、InGaN/GaN量子阱有源区、InGaN插入层、AlGaN电子阻挡层、p型GaN波导层、p型AlGaN限制层和p型GaN接触层；

步骤2：采用光刻的方法，在p型GaN接触层上面的一侧向下刻蚀，刻蚀深度到达n型接触和电流扩展层，使n型接触和电流扩展层的表面形成一台面；

步骤3：在n型接触和电流扩展层表面形成的台面上制作n型电极；

步骤4：在p型GaN接触层的上表面制作一p型电极，完成制备。

本发明的关键在于通过在有源区和电子阻挡层之间插入不掺杂且很薄的InGaN插入层，提高电子跃过电子阻挡层的有效势垒高度，从而达到减小电子泄漏，提高激光器性能的目的。由于InGaN插入层的In组分很低，生长AlGaN电子阻挡层时所需的高温对InGaN插入层的破坏有限；另外，InGaN插入层能引入张应力，能一定程度平衡AlGaN电子阻挡层生长时引入的压应力，有利于AlGaN电子阻挡层的生长。这种方法的优点在于通过仅仅插入一层不掺杂且很薄的InGaN插入层，实现减小甚至消除电子泄漏的目的，并且激光器结构实际生长过程简单，可行性高。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下参照附图，并结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，其中：

图1是本发明的制备流程图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是固定InGaN插入层厚度为5nm的情况下，模拟计算不同In组分下电子泄漏及InGaN插入层电子积累程度；

图4是插入厚度为5nm但In组分不同的InGaN时的激光器PI曲线。具体实施方式

请参阅图1及图2所示，本发明提供一种减小GaN基蓝紫光端发射激光器中电子泄漏的方法，包括以下步骤：

步骤1：在一蓝宝石衬底10上依序制作低温成核层20、n型接触和电流扩展层30、n型AlGaN限制层40、n型GaN波导层50、InGaN/GaN量子阱有源区60、InGaN插入层70、AlGaN电子阻挡层80、p型GaN波导层90、p型AlGaN限制层100和p型GaN接触层110；

其中衬底10的材料为C面蓝宝石、SiC或GaN，该衬底10的厚度为200-1000um；

其中低温成核层20的材料为GaN或AlN，其厚度为10-30nm。

其中n型接触和电流扩展层30的材料为掺Si的n型GaN，其厚度为15um。

其中n型限制层40的材料为掺Si的n型AlGaN，其Al组分为0.08，其厚度为0.21um。

其中n型波导层50的材料为掺Si的n型GaN，其厚度为50200nm。

其中量子阱有源区60的量子阱数为1-5个，量子阱的材料为InGaN，其In组分为0.1-0.15，其厚度为1-10nm；量子垒的材料为GaN、InGaN或AlGaN，其厚度为1-20nm；整个量子阱有源区为不掺杂或轻掺Si。

其中InGaN插入层70的厚度为1-10nm，其In组分取0.010.05。

其中电子阻挡层80的材料为掺Mg的p型AlGaN，其Al组分为0.2，其厚度为20nm。

其中p型波导层90的材料为掺Mg的GaN，其厚度为50-200nm。

其中p型限制层100的材料为掺Mg的AlGaN，其Al组分为0.08，其厚度为0.2-1um。

其中p型接触层110的材料为掺Mg的GaN，其厚度为100-500nm。

步骤2：采用光刻的方法，在p型GaN接触层110上面的一侧向下刻蚀，刻蚀深度到达n型接触和电流扩展层30，使n型接触和电流扩展层30的表面形成一台面31；

步骤3：在n型接触和电流扩展层30表面形成的台面31上制作n型电极120；

步骤4：在p型GaN接触层110的上表面制作一p型电极130，完成制备。

图2所示的激光器结构利用MOCVD设备，并用三甲基镓和氨气作为镓源和氮源，以氢气或氮气为载气进行生长。

通过在量子阱有源区60和AlGaN电子阻挡层80之间插入In组分较小的InGaN插入层70，增大了AlGaN电子阻挡层80左侧的导带带阶(△Ec)，提高了电子准费米能级和AlGaN电子阻挡层80导带的能量差，亦提高了电子跃过AlGaN电子阻挡层80的势垒高度，因此有利于减小电子泄露至p区。另外，由于AlGaN电子阻挡层80右侧的结构并未改变，注入空穴的势垒高度并未改变。因此，InGaN插入层70有利于减小电子泄露，同时不增大空穴注入难度。

另一方面，由于InGaN插入层70禁带宽度较小，会形成“非故意”的、很浅的量子阱区域，从而捕获较多的载流子，且这一现象随其In组分增大而愈发严重。因此选择适当的InGaN插入层70厚度与组分很关键。图3所示为固定InGaN插入层厚度为5nm，模拟计算在注入电流为100mA情况下，不同In组分下电子泄漏及InGaN插入层电子积累程度。可以看出，随着In组分不断提高，电子泄漏明显减小，当In组分达到0.05时，电子泄漏基本消除。另外，InGaN插入层区域电子积累随In组分增大不断加剧，由于这一部分电子并不能进行受激辐射，这在一定程度上增加了电子的损耗。因此，最优的In组分应该同时满足：尽量减小电子泄露且不能在InGaN插入层70区域引入过度的电子积累。为了定量地得到最优的In组分，计算了插入不同In组分的InGaN插入层70时的PI曲线，如图4所示。可以看到，当In组分为0.05时，激光器输出功率达到最大值，相比于普通结构激光器，其输出功率提升了42.9％，这主要是由于大幅减小了电子泄露，有更多的载流子在InGaN/GaN量子阱有源区60进行受激辐射复合导致的。同时，电子泄露的减小提升了激光器其他性能指标，如InGaN/GaN量子阱有源区60载流子收集效率(提升19.5％)、阈值电流(降低14.8％)、以及斜率效率(提升19.6％)。另外，在注入电流为100mA情况下，激光器电光转换效率也提升了36.5％。

在材料生长方面，由于最优的InGaN插入层70的In组分很低，生长AlGaN电子阻挡层80时所需的高温对InGaN插入层70的破坏有限；另外，插入的InGaN插入层70能引入张应力，能一定程度平衡AlGaN电子阻挡层80生长时引入的压应力，有利于AlGaN电子阻挡层80的生长。这表明该方法在大大提高了激光器性能的情况下，同时保证了激光器结构实际生长的可行性。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有效效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种减小GaN基蓝紫光端发射激光器中电子泄漏的方法，包括以下步骤：

步骤1：在一蓝宝石衬底上依序制作低温成核层、n型接触和电流扩展层、n型AlGaN限制层、n型GaN波导层、InGaN/GaN量子阱有源区、InGaN插入层、AlGaN电子阻挡层、p型GaN波导层、p型AlGaN限制层和p型GaN接触层；通过在所述有源区和所述电子阻挡层之间插入不掺杂且很薄的所述InGaN插入层，增大了AlGaN电子阻挡层左侧的导带带阶，提高了电子跃过AlGaN电子阻挡层的有效势垒高度，从而减小电子泄漏，提高GaN基蓝紫光激光器性能；其中很薄的所述InGaN插入层，其厚度为1-10nm；

步骤2：采用光刻的方法，在p型GaN接触层上面的一侧向下刻蚀，刻蚀深度到达n型接触和电流扩展层，使n型接触和电流扩展层的表面形成一台面；

步骤3：在n型接触和电流扩展层表面形成的台面上制作n型电极；

步骤4：在p型GaN接触层的上表面制作一p型电极，完成制备。

2.根据权利要求1所述的减小GaN基蓝紫光端发射激光器中电子泄漏的方法，其中衬底的材料为C面蓝宝石、SiC或GaN，该衬底的厚度为200-1000um。

3.根据权利要求1所述的减小GaN基蓝紫光端发射激光器中电子泄漏的方法，其中低温成核层的材料为GaN或AlN，其厚度为10-30nm。

4.根据权利要求1所述的减小GaN基蓝紫光端发射激光器中电子泄漏的方法，其中n型接触和电流扩展层的材料为掺Si的n型GaN，其厚度为1-5um。

5.根据权利要求1所述的减小GaN基蓝紫光端发射激光器中电子泄漏的方法，其中n型限制层的材料为掺Si的n型AlGaN，其Al组分为0.08，其厚度为0.2-1um。

6.根据权利要求1所述的减小GaN基蓝紫光端发射激光器中电子泄漏的方法，其中n型波导层的材料为掺Si的n型GaN，其厚度为50200nm。

7.根据权利要求1所述的减小GaN基蓝紫光端发射激光器中电子泄漏的方法，其中量子阱有源区的量子阱数为1-5个，量子阱的材料为InGaN，其In组分为0.1-0.15，其厚度为1-10nm；量子垒的材料为GaN、InGaN或AlGaN，其厚度为1-20nm；整个量子阱有源区为不掺杂或轻掺Si。

8.根据权利要求1所述的减小GaN基蓝紫光端发射激光器中电子泄漏的方法，在所述InGaN插入层中，In组分取0.01-0.05。

9.根据权利要求1所述的减小GaN基蓝紫光端发射激光器中电子泄漏的方法，其中电子阻挡层的材料为掺Mg的p型AlGaN，其Al组分为0.2，其厚度为20nm。

10.根据权利要求1所述的减小GaN基蓝紫光端发射激光器中电子泄漏的方法，其中p型波导层的材料为掺Mg的GaN，其厚度为50-200nm。

11.根据权利要求1所述的减小GaN基蓝紫光端发射激光器中电子泄漏的方法，其中p型限制层的材料为掺Mg的AlGaN，其Al组分为0.08，其厚度为0.2-1um。

12.根据权利要求1所述的减小GaN基蓝紫光端发射激光器中电子泄漏的方法，其中p型接触层的材料为掺Mg的GaN，其厚度为100-500nm。