CN104319631B

CN104319631B - 一种制备GaN基激光器的方法以及一种GaN基激光器

Info

Publication number: CN104319631B
Application number: CN201410504147.4A
Authority: CN
Inventors: 贾传宇; 张国义; 童玉珍
Original assignee: Sino Nitride Semiconductor Co Ltd; Dongguan Institute of Opto Electronics Peking University
Current assignee: Sino Nitride Semiconductor Co Ltd; Dongguan Institute of Opto Electronics Peking University
Priority date: 2014-09-28
Filing date: 2014-09-28
Publication date: 2017-04-26
Anticipated expiration: 2034-09-28
Also published as: CN104319631A

Abstract

本发明提供一种制备新型GaN基激光器的方法，采用金属有机化合物气相外延技术解决GaN基激光器制备中的一系列关键技术与科学问题，技术方案为：一种制备新型GaN基激光器的方法，采用金属有机化合物气相外延技术，以及三甲基镓、三甲基铟、三甲基铝作为III族源；氨气作为V族源、硅烷作为n型掺杂源；二茂镁作为p型掺杂源制得新型GaN基激光器。本发明创造性采用多周期In组分线性渐变InxGa1‑xN/GaN 超晶格结构作为激光器波导层取代传统GaN单层做为GaN基蓝光激光器的波导层。有效的提高光场在激光发射区的限制因子，提高量子阱有源区的增益。

Description

一种制备GaN基激光器的方法以及一种GaN基激光器

技术领域

本发明属于半导体光电子技术领域，特别涉及一种制备新型GaN基激光器的方法以及一种GaN基激光器。

背景技术

自半导体激光二极管发明半个世纪以来，以砷化镓、磷化铟系半导体为基础的红外和红光波段的半导体激光器得到了飞速发展，其应用范围覆盖了整个光电子学领域，已渗透到科技领域各个方面。波长比红光更短的绿光或蓝光半导体激光器在激光显示、水下通信、激光打印、高密度信息读写、深水探测等方面有更广泛的应用。由于氮化镓材料系具有较宽的能带，通过调节合金组份氮化镓激光器的波长可以覆盖从红外到可见光直至紫外的很宽的范围，是目前实现蓝、绿光半导体激光最佳选择，可是研制基于氮化镓材料系的蓝光和绿光激光器有很大的难度，国际上氮化镓基蓝光激光器虽已有产品，但价格昂贵；而绿光激光器尚处于研究攻关阶段，因此有必要通过立项研制和发展氮化镓基蓝光激光器。

氮化镓基蓝光激光器是指能发射蓝色波段（中心波长为440nm）激光的半导体激光器。以红、蓝和绿三基色的激光为光源的激光显示是现代高技术的突破，它能最完美地再现自然色彩，其中便携式显示产品，如激光微型投影、激光投影手机等具有随时随地的播放和显示功能及高清晰度的图像格式的优点，这将会带动整个显示领域的一次革命，便携式激光显示和投影机需要以分别能发射红、纯蓝和纯绿激光的小型半导体激光器为光源。近年来氮化镓蓝光激光器的出现，是人们发展便携式激光显示和投影技术的一个重要里程碑。

作为在激光显示和投影所需的红、绿、蓝三基色激光光源中，基于砷化镓材料系的红光半导体激光器已相当成熟，早已在光存储和显示领域中得到广泛应用；而如何获得纯蓝与纯绿基色的小型激光光源是关键。，但研制基于氮化镓材料系的蓝光和绿光激光器有很大的难度，国际上氮化镓基蓝光激光器已有产品，但价格昂贵；而绿光激光器尚处于研究攻关阶段。目前在小型激光显示产品中，绿色激光光源，是只能通过固体激光器经倍频后来获得；但同样的方案由于不能用于获得蓝光激光，蓝光激光必需直接采用氮化镓基材料系的激光二极管来实现。因此，本项目提出以试制微型激光显示所用的蓝色光源为主要应用背景，以解决解决氮化镓基蓝光激光器研制中的关键技术问题为主要目的开展相应的科技攻关。激光显示目前已成为我国加快技术创新的新领域，前期已经得到国家的大力支持，而氮化镓基蓝激光器作为便携式激光显示的核心部件能够创造出更多的新型显示产品，预计的市场价值非常可观，国内也有一些公司看准了该市场已经在进行技术攻关和试产，但是由于氮化镓激光器芯片制备的难度很大，需要很大的经费和技术力量的投入，核心技术一直被日本、美国、德国和韩国的大公司所掌握，至今仍无法从国外购买到氮化镓基激光器的外延片，国内该领域的发展受到极大的限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备新型GaN基激光器的方法，采用金属有机化合物气相外延技术解决GaN基激光器制备中的一系列关键技术与科学问题，创造性采用新型GaN基激光器超晶格波导层结构、超晶格结构光限制层结构及量子阱有源层结构；突破氮化镓同质衬底上激光器外延制备的关键技术难题。

为实现以上目的，本发明的技术方案为：

一种制备新型GaN基激光器的方法，采用金属有机化合物气相外延技术以及三甲基镓、三甲基铟、三甲基铝的至少一种作为III族源；氨气作为V族源、硅烷作为n型掺杂源；二茂镁作为p型掺杂源；三甲基镓分子式为TMGa；三甲基铟分子式为TMIn；三甲基铝分子式为TMAl；氨气分子式为NH₃，硅烷分子式为SiH₄，二茂镁分子式为（Cp₂Mg）；基本步骤为：1）GaN衬底在高温下生长为2-4微米的n-GaN层；2）n-GaN层在通入III族源、NH₃作为V族源和SiH4作为n型掺杂源的条件下，生长为多周期非对称结构的n型超晶格结构光限制层；3）n型超晶格结构光限制层在通入TMGa及TMIn作为III族源，NH₃作为V族源，SiH₄作为n型掺杂源的条件下，生长为多周期In组分线性渐变的n型超晶格波导层；4）超晶格波导层在通入TMIn作为III族源，NH₃作为V族源的条件下，生长为量子阱宽度及In组分阶梯式变化的量子阱有源层；5）量子阱有源层在通入TMGa及TMAl作为III族源，NH₃作为V族源，二茂镁作为p型掺杂源的条件下，在950℃下生长为p-AlGaN的电子阻挡层；6）电子阻挡层在通入TMGa及TMIn作为III族源，NH₃作为V族源，二茂镁作为p型掺杂源的条件下，生长为多周期In组分线性渐变p-In_x3Ga_1-x3N/GaN 超晶格结构作为激光器的p型超晶格波导层；7）p型超晶格波导层在通入TMGa、TMAl及TMIn作为III族源，NH₃作为V族源，二茂镁作为p型掺杂源的条件下，生长为p型超晶格结构光限制层；8）p型超晶格结构光限制层在通入TMGa作为III族源，NH₃作为V族源，二茂镁作为p型掺杂源的条件下，生长为p-GaN接触层。

具体步骤为：

a、在氢气气氛下，在GaN衬底上，温度1000℃～1500℃下，通入TMGa作为III族源，NH₃作为V族源，SiH₄作为n型掺杂源的条件下，生长时间1～2小时，生长2～4微米厚n-GaN层；

b、在氢气气氛下，在850℃～1050℃下,通入TMGa、TMAl及TMIn作为III族源，NH₃作为V族源，SiH₄作为n型掺杂源的条件下，生长多周期非对称结构的调制掺杂Al组分、In组分渐变的n-Al_y1Ga_1-y1N/GaN/Al_y1In_x1Ga_1-x1-y1N超晶格作为GaN基激光器的n型超晶格结构光限制层，n型超晶格结构光限制层生长时间1～2小时，其中0≤x≤0.1；0≤y≤0.15；

c、在氮气气氛下，在820℃～850℃下，通入TMGa及TMIn作为III族源，NH3作为V族源，SiH₄作为n型掺杂源的条件下，生长多周期In组分线性渐变n-In_x2Ga_1-x2N/GaN 超晶格结构作为激光器的n型超晶格波导层；

d、在氮气气氛下，在750℃～850℃下，通入TMIn作为III族源，NH₃作为V族源的条件下，生长量子阱宽度及In组分阶梯式变化的非对称三角阱In_yGa_1-yN/In_xGa_1-xN/GaN量子阱结构作为GaN基蓝光激光器的量子阱有源层；x、y为In组分,0<y<x<1；量子阱有源层生长时间5～15分钟；

e、在氢气气氛下，通入TMGa及TMAl作为III族源，NH₃作为V族源，二茂镁作为p型掺杂源在950℃的条件下，生长p-AlGaN电子阻挡层；电子阻挡层生长时间1～5分钟，电子阻挡层厚度10～50纳米；

f、在氮气气氛下，在820℃～850℃下，通入TMGa及TMIn作为III族源，NH₃作为V族源，二茂镁作为p型掺杂源的条件下，生长多周期In组分线性渐变p-In_x3Ga_1-x3N/GaN 超晶格结构作为激光器的p型超晶格波导层，波导层生长时间15～30分钟，其中In组分小于有源区中In的组分；

g、在氢气气氛下，在850℃～1050℃下，通入TMGa、TMAl及TMIn作为III族源，NH₃作为V族源，二茂镁作为p型掺杂源的条件下，生长多周期非对称结构的调制掺杂非对称Al组分、In组分渐变的p-Al_y4Ga_1-y4N/GaN/Al_y4In_x4Ga_1-x4-y4N超晶格作为GaN基激光器的p型超晶格结构光限制层，p型超晶格结构光限制层生长时间1～2小时，其中0≤x4≤0.1；0≤y4≤0.15;

h、在在氢气（H2）气氛下，在950℃,通入TMGa作为III族源，NH₃作为V族源，二茂镁作为p型掺杂源的条件下，生长p-GaN接触层；接触层生长时间5～15分钟。

所述n型超晶格结构光限制层采用多周期非对称结构的n-Al_y1Ga_1-y1N/GaN/Al_y1In_x1Ga_1-x1-y1N超晶格，其中0≤y1≤0.15；0≤x1≤0.1，超晶格周期数为100～150。

所述n型超晶格波导层采用多周期In组分线性渐变n-In_x2Ga_1-x2N/GaN 超晶格结构，超晶格结构周期数为1～15；其中In组分随电流扩展层生长周期增加而阶梯式增加。

所述量子阱有源层为量子阱宽度及In组分阶梯式变化的非对称三角阱In_yGa_1-yN/In_xGa_1-xN/GaN量子阱结构，x、y为In组分,0<y<x<1；量子阱结构周期数为1～3。

所述p型超晶格波导层采用多周期In组分线性渐变p-In_x3Ga_1-x3N/GaN 超晶格结构，超晶格结构周期数为1～15；其中In组分随电流扩展层生长周期增加而阶梯式增加。

所述p型超晶格结构光限制层为多周期非对称结构的p-Al_y4Ga_1-y4N/GaN/Al_y4In_x4Ga_1-x4-y4N超晶格结构，其中0≤y1≤0.15；0≤x1≤0.1，超晶格周期数为100～150。

一种GaN基激光器，采用本发明所述的方法制得，结构自上而下一次为：GaN 衬底；n-GaN； n型超晶格结构光限制层；n-InGaN/GaN 即n超晶格波导层；In 组分阶梯变化的InGaN/InGaN/GaN量子阱有源层；p-AlGaN电子阻挡层；p-InGaN/GaN 即P型超晶格波导层；P型超晶格结光限制层；p-GaN， n超晶格波导层为n-InGaN/GaN；量子阱有源层为In组分阶梯变化的InGaN/InGaN/GaN；电子阻挡层为p-AlGaN；P型超晶格波导层为p-InGaN/GaN。

n型超晶格结构光限制层为Al组分、In组分以及n掺杂渐变的n-AlInGaN/n-AlInGaN/AlGaN/n-AlInGaN/GaN/AlGaN超晶格/结构， p型超晶格结构光限制层为Al组分、In组分以及p掺杂渐变的p-AlInGaN/p-AlInGaN/AlGaN /p-AlInGaN/GaN/AlGaN的超晶格结构。

所述n-GaN厚度为2-4um，p-AlGaN电子阻挡层厚度为10-50nm；n型超晶格结构光限制层和p型超晶格结构光限制层的超晶格周期数为100～150；n型超晶格波导层和p型超晶格波导层的超晶格周期数为1～15；量子阱有源层的超晶格周期数为1～3。

本发明的有益效果是：

（1）激光器光波导结构和谐振腔结构实现和优化；创造性采用多周期In组分线性渐变InxGa1-xN/GaN 超晶格结构作为激光器波导层取代传统GaN单层做为GaN基蓝光激光器的波导层。有效的提高光场在激光发射区的限制因子，提高量子阱有源区的增益。（2）优化设计GaN基激光器限制层结构。创造性采用多周期非对称结构的调制掺杂n(p)-AlGaN/GaN/AlInGaN超晶格作为GaN基激光器限制层,有效改善激光器光限制效果及外延层应力状态。（3）优化设计GaN基激光器高效率的量子阱结构。采用量子阱宽度及In组分阶梯式变化的非对称三角阱InyGa1-yN/InxGa1-xN/GaN量子阱结构(x,y为In组分,0<y<x<1)作为GaN基蓝光激光器的有源区，有效提高电子和空穴复合效率,提高有源区增益。采用新型结构的GaN基蓝光激光器可以有效的提高光场在激光发射区的限制因子，提高量子阱有源区的增益。

附图说明

图1本发明涉及的实施例1中一种新型结构GaN基激光器侧面剖视图；

图2采用本发明新型结构的蓝紫光激光器LD1光泵浦的蓝光光谱曲线和普通结构的蓝紫光激光器LD2光泵浦的蓝光光谱曲线。

图中：101、GaN衬底；102、n-GaN；103、n型超晶格结构光限制层；104、n型超晶格波导层；105、量子阱有源层；106、电子阻挡层；107、p型超晶格波导层；108、p型超晶格结构光限制层；109、p-GaN接触层。

具体实施方式

根据附图进一步说明本发明的一种实施方式。

实施例1：

使用Aixtron公司,紧耦合垂直反应室MOCVD生长系统。生长过程中使用三甲基镓（TMGa），三甲基铟（TMIn），三甲基铝（TMAl）的至少一种作为III族源，氨气（NH₃）作为V族源，硅烷（SiH₄）作为n型掺杂源，二茂镁（Cp₂Mg）作为p型掺杂源，首先在MOCVD反应室中将GaN衬底101加热到1050摄氏度,氢气（H₂）气氛下，使用TMGa作为III族源，NH₃作为V族源，SiH₄作为n型掺杂源生长4微米厚n-GaN 102，电子浓度为5×10¹⁸cm^-3；在氢气（H₂）气氛下，在850℃～1050℃下，使用TMGa、TMAl及TMIn作为III族源，NH₃作为V族源，SiH4作为n型掺杂源生长150个周期的非对称结构的调制掺杂Al组分、In组分渐变的n-Al_0.15Ga_0.85N/GaN/Al_0.15In_0.05Ga_0.8N超晶格作为GaN基激光器的n型超晶格结构光限制层，超晶格结构：Al_0.15Ga_0.85N厚度为3nm，GaN厚度为3nm,Al_0.15In_0.05Ga_0.8N厚度为3nm; 电子浓度为5×10¹⁸cm^-3103;在氮气（N₂）气氛下，在820℃～850℃下，使用TMGa、及TMIn作为III族源，NH₃作为V族源，SiH₄作为n型掺杂源生长15个周期In组分线性渐变n-In_0.05Ga_0.95N/GaN 超晶格结构作为激光器的n型超晶格波导层104，其中，In组分小于有源区中In的组分，波导层结构：In_0.05Ga_0.95N厚度为3nm；GaN厚度为3nm，电子浓度为5×10¹⁷cm^-3.在氮气（N₂）气氛下，在750℃～850℃下,使用TMGa及TMIn作为III族源，NH₃作为V族源，生长3个周期的量子阱宽度及In组分阶梯式变化的非对称三角阱In_0.05Ga_0.95N/In_0.1Ga_0.9N/GaN量子阱结构(x,y为In组分,0<y<x<1)作为GaN基蓝光激光器的量子阱有源层105；量子阱有源层结构:In_0.05Ga_0.95N厚度为3nm,In_0.1Ga_0.9N厚度为4nm,GaN厚度为5nm。在量子阱有源层上，在氢气气氛下，在950℃下使用TMGa及TMAl作为III族源，NH₃作为V族源，Cp₂Mg作为p型掺杂源生长p-Al_0.15Ga_0.85N电子阻挡层106；在氮气气氛下，在850℃在氮气（N₂）气氛下，在820℃-850℃下，使用TMGa及TMIn作为III族源，NH3作为V族源，Cp₂Mg作为p型掺杂源生长15周期In组分线性渐变p-In_0.05Ga_0.95N/GaN 超晶格结构作为激光器的p型超晶格波导层107，P型超晶格波导层结构：In_0.05Ga_0.95N厚度为3nm；GaN厚度为3nm；P型超晶格波导层空穴浓度为2×10¹⁷cm^-3；在氢气（H₂）气氛下，在850℃～1050℃下使用TMGa、TMAl及TMIn作为III族源，NH₃作为V族源，Cp₂Mg作为p型掺杂源生长150个周期非对称结构的调制掺杂非对称Al组分、In组分渐变的p-Al_0.15Ga_0.85N/GaN/Al_0.15In_0.05Ga_0.8N超晶格作为GaN基激光器的p型超晶格光限制层，超晶格光限制层结构：Al_0.15Ga_0.85N厚度为3nm，GaN厚度为3nm,Al_0.15In_0.05Ga_0.8N厚度为3nm ，p型超晶格光限制层空穴浓度为2×10¹⁷cm^-3108;在在氢气（H₂）气氛下，在950℃下使用TMGa作为III族源，NH3作为V族源，Cp₂Mg作为p型掺杂源生长200nm p-GaN接触层109，空穴浓度为5×10¹⁷cm^-3。

采用本发明中技术生长制作的GaN基蓝光激光器LD1芯片显示优异的光电性质，如图2所示相对于传统的激光器结构LD2，新型激光器结构有效的提高光场在激光发射区的限制因子，提高量子阱有源区的增益。

以上所述的实施例仅为说明本发明的技术思想及特点，其描述较为具体和详细，其目的在于使本领域的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，因此不能仅以此来限定本发明的专利范围，应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，即凡依据本发明实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims

1.一种制备GaN基激光器的方法，其特征在于：采用金属有机化合物气相外延技术以及三甲基镓、三甲基铟、三甲基铝的至少一种作为III族源；氨气作为V族源、硅烷作为n型掺杂源；二茂镁作为p型掺杂源；三甲基镓分子式为TMGa；三甲基铟分子式为TMIn；三甲基铝分子式为TMAl；氨气分子式为NH₃，硅烷分子式为SiH₄，二茂镁分子式为Cp₂Mg；步骤为：1）GaN衬底在高温下生长为2-4微米的n-GaN层；2）n-GaN层在通入III族源、NH₃作为V族源和SiH4作为n型掺杂源的条件下，生长为多周期非对称结构的n型超晶格结构光限制层；3）n型超晶格结构光限制层在通入TMGa及TMIn作为III族源，NH₃作为V族源，SiH₄作为n型掺杂源的条件下，生长为多周期In组分线性渐变的n型超晶格波导层；4）超晶格波导层在通入TMIn作为III族源，NH₃作为V族源的条件下，生长为量子阱宽度及In组分阶梯式变化的量子阱有源层；5）量子阱有源层在通入TMGa及TMAl作为III族源，NH₃作为V族源，二茂镁作为p型掺杂源的条件下，在950℃下生长为p-AlGaN的电子阻挡层；6）电子阻挡层在通入TMGa及TMIn作为III族源，NH₃作为V族源，二茂镁作为p型掺杂源的条件下，生长为多周期In组分线性渐变p-In_x3Ga_1-x3N/GaN 超晶格结构作为激光器的p型超晶格波导层；7）p型超晶格波导层在通入TMGa、TMAl及TMIn作为III族源，NH₃作为V族源，二茂镁作为p型掺杂源的条件下，生长为p型超晶格结构光限制层；8）p型超晶格结构光限制层在通入TMGa作为III族源，NH₃作为V族源，二茂镁作为p型掺杂源的条件下，生长为p-GaN接触层。

2.根据权利要求1所述的制备GaN基激光器的方法，其特征在于：具体步骤为：

b、在氢气气氛下，在850℃～1050℃下,通入TMGa、TMAl及TMIn作为III族源，NH₃作为V族源，SiH₄作为n型掺杂源的条件下，生长多周期非对称结构的调制掺杂Al组分、In组分渐变的n-Al_y1Ga_1-y1N/GaN/Al_y1In_x1Ga_1-x1-y1N超晶格作为GaN基激光器的n型超晶格结构光限制层，n型超晶格结构光限制层生长时间1～2小时，其中0≤x1≤0.1；0≤y1≤0.15；

h、在氢气（H2）气氛下，在950℃,通入TMGa作为III族源，NH₃作为V族源，二茂镁作为p型掺杂源的条件下，生长p-GaN接触层；接触层生长时间5～15分钟。

3.根据权利要求2所述的制备GaN基激光器的方法，其特征在于：所述n型超晶格结构光限制层采用多周期非对称结构的n-Al_y1Ga_1-y1N/GaN/Al_y1In_x1Ga_1-x1-y1N超晶格，其中0≤y1≤0.15；0≤x1≤0.1，超晶格周期数为100～150。

4.根据权利要求2所述的制备GaN基激光器的方法，其特征在于：所述n型超晶格波导层采用多周期In组分线性渐变n-In_x2Ga_1-x2N/GaN 超晶格结构，超晶格结构周期数为1～15；其中In组分随电流扩展层生长周期增加而阶梯式增加。

5.根据权利要求2所述的制备GaN基激光器的方法，其特征在于：所述量子阱有源层为量子阱宽度及In组分阶梯式变化的非对称三角阱In_yGa_1-yN/In_xGa_1-xN/GaN量子阱结构，x、y为In组分,0<y<x<1；量子阱结构周期数为1～3。

6.根据权利要求2所述的制备GaN基激光器的方法，其特征在于：所述p型超晶格波导层采用多周期In组分线性渐变p-In_x3Ga_1-x3N/GaN 超晶格结构，超晶格结构周期数为1～15；其中In组分随电流扩展层生长周期增加而阶梯式增加。

7.根据权利要求2所述的制备GaN基激光器的方法，其特征在于：所述p型超晶格结构光限制层为多周期非对称结构的p-Al_y4Ga_1-y4N/GaN/Al_y4In_x4Ga_1-x4-y4N超晶格结构，其中0≤y4≤0.15；0≤x4≤0.1，超晶格周期数为100～150。

8.一种GaN基激光器，其特征在于：采用权利要求1-7任一项所述的方法制得，结构自下而上依次为：GaN 衬底；n-GaN； n型超晶格结构光限制层；n-InGaN/GaN 即n超晶格波导层；In 组分阶梯变化的InGaN/InGaN/GaN量子阱有源层；p-AlGaN电子阻挡层；p-InGaN/GaN 即P型超晶格波导层； P型超晶格结光限制层；p-GaN； n超晶格波导层为n-InGaN/GaN；量子阱有源层为In组分阶梯变化的InGaN/InGaN/GaN；电子阻挡层为p-AlGaN；P型超晶格波导层为p-InGaN/GaN。

9.根据权利要求8所述的激光器，其特征在于：n型超晶格结构光限制层为Al组分、In组分以及n掺杂渐变的n-AlInGaN/n-AlInGaN/AlGaN/n-AlInGaN/GaN/AlGaN超晶格结构， p型超晶格结构光限制层为Al组分、In组分以及p掺杂渐变的p-AlInGaN/p-AlInGaN/AlGaN /p-AlInGaN/GaN/AlGaN的超晶格结构。

10.根据权利要求8所述的GaN基激光器，其特征在于：所述n-GaN厚度为2-4um，p-AlGaN电子阻挡层厚度为10-50nm；n型超晶格结构光限制层和p型超晶格结构光限制层的超晶格周期数为100～150；n型超晶格波导层和p型超晶格波导层的超晶格周期数为1～15；量子阱有源层的超晶格周期数为1～3。