CN104377547B - 一种GaN基HEMT和LD单片集成的直接调制半导体激光器结构及其生长过程 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaN基HEMT和LD单片集成的直接调制半导体激光器结构及其生长过程，该结构由GaN基HEMT和LD两部分组成，所述GaN基HEMT和所述LD被隔离层隔开；所述LD由在GaN衬底上依次外延生长的AlGaN下包层、GaN下波导层、InGaN注入层、MQW有源层、AlGaN电子阻挡层、GaN上波导层、AlGaN上包层构成；所述隔离层在所述AlGaN上包层上外延生长而成；所述GaN基HEMT由在隔离层上依次外延生长的AlGaN非掺杂层、GaN非掺杂的通道层、AlN空间隔离层、AlGaN非掺杂势垒层构成。本发明将GaN基HEMT和LD集成在同一块衬底上，实现单片集成GaN基HEMT和LD直接调制半导体激光器。
Description
技术领域
本发明涉及化合物半导体材料及器件技术领域，尤其涉及到一种GaN基HEMT和LD单片集成的直接调制半导体激光器结构。
背景技术
由于对高输出功率LED和高电子迁移率晶体管(HEMT)高功率容量的需求，LED和GaN基HEMTs的单片集成备受关注。与传统的使用脉冲宽度调制(PWM)的AC-DC功率转换控制或使用传统硅电子的模拟电流控制相比，对于LED驱动，GaN基HEMTs具有内在优势，这是因为GaN基HEMTs的优越性能，例如：高击穿电压、高工作频率、宽工作温度范围等。使用相同的GaN基材料平台，LED和HEMTs的单片集成能减小LED发光系统的制作成本，极大地提高系统的稳定性和可靠性。
LED成本低、易操控，但是可见光通讯性能受到材料载流子寿命的限制，在更高频率条件下(高于1Gbit/s)，LED不能实现调制。因此，为了实现更高调制带宽和无差错传输，我们考虑用GaN基二极管激光器代替LED器件。使用绿光二极管激光器，渐变折射率塑料光纤在传输距离超过100m时，能够实现1.25Gbit/s。用二极管激光器也可以实现海下短距离的光传输。
所以，将LD和GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)SEG在同一块衬底上，形成GaN基HEMT和LD单片集成的直接调制半导体激光器结构，实现降低外延生长后再刻蚀方法对上包层Al0.08Ga0.92N的损伤和LD的直接调制是本发明的一个重要价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种GaN基HEMT和LD单片集成的直接调制半导体激光器结构，以将LD和GaN基HEMT集成在同一块衬底上，实现单片集成LD和GaN基HEMT，以此来实现LD的直接调制。
为达到上述目的，本发明提供了一种GaN基HEMT和LD单片集成的直接调制半导体激光器结构，该结构由LD和GaN基HEMT两部分组成，所述LD和所述GaN基HEMT被非掺杂GaN隔离层9隔开；所述GaN基LD由在GaN衬底1上依次分子束外延生长的Al0.08Ga0.92N下包层2、GaN下波导层3、In0.02Ga0.98N注入层4、有源层5(In0.02Ga0.98N垒层×3、In0.12Ga0.88N量子阱层×2)、Al0.2Ga0.8N电子阻挡层6、GaN上波导层7、Al0.08Ga0.92N上包层8构成；所述非掺杂GaN隔离层9在所述Al0.08Ga0.92N上包层8上分子束外延生长而成；所述GaN基HEMT由在非掺杂GaN隔离层9上依次分子束外延生长的非掺杂Al0.15Ga0.85N层10、非掺杂GaN通道层11、AlN空间隔离层12、非掺杂Al0.3Ga0.7N势垒层13构成。
上述方案中，所述Al0.08Ga0.92N下包层2用于将发射光限制在包层内；该Al0.08Ga0.92N下包层2的厚度为800nm。
上述方案中，所述GaN下波导层3用于将载流子限制在有源区内，该GaN下波导层3的厚度为50nm。
上述方案中，所述In0.02Ga0.98N注入层4用于载流子的注入，同时也利用In0.02Ga0.98N把载流子束缚在有源区内；所述In0.02Ga0.98N注入层4的厚度为50nm。
上述方案中，所述有源层5用于激励载流子受激发射形成放大的光，所述有源层5包括三层In0.02Ga0.98N势垒层、两层In0.12Ga0.88N量子阱层，这五层结构间隔分布。
上述方案中，所述Al0.2Ga0.8N电子阻挡层6用于将电子限制在有源层内，该Al0.2Ga0.8N电子阻挡层6的厚度为20nm。
上述方案中，所述GaN上波导层7用于进一步将电子限制在有源层和电子阻挡层内，该GaN上波导层7的厚度为80nm。
上述方案中，所述Al0.08Ga0.92N上包层8用于将发射光限制在波导层内，该Al0.08Ga0.92N上包层8的厚度为350nm。
上述方案中，所述非掺杂GaN隔离层9用于将LD和HEMT的外延结构隔开；该非掺杂GaN隔离层9的厚度为170nm。
上述方案中，所述非掺杂Al0.15Ga0.85N层10的厚度为55nm，所述非掺杂GaN通道层11的厚度为200nm，所述AlN空间隔离层12的厚度为1nm，所述非掺杂Al0.3Ga0.7N势垒层13的厚度为20nm。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
从上述技术方案可以看出，本发明提供的这种GaN基HEMT和LD单片集成的直接调制半导体激光器结构，是在常规GaN基LD外延结构的基础上，生长了非掺杂GaN隔离层、非掺杂Al0.15Ga0.85N层、非掺杂GaN通道层、AlN空间隔离层、非掺杂Al0.3Ga0.7N势垒层用来实现HEMT。非掺杂GaN隔离层将LD和GaN基HEMT隔开。
本发明提供的这种GaN基HEMT和LD单片集成的直接调制半导体激光器结构，能够实现LD的直接调制，还有利于减小器件尺寸，使激光器结构紧凑。
另外，本发明提供的这种GaN基HEMT和LD单片集成的直接调制半导体激光器结构，可以用于海下短距离的光传输。
附图说明
图1是常规GaN基LD材料结构的示意图；
图2是常规GaN基HEMT料结构的示意图；
图3是本发明提供的GaN基HEMT和LD单片集成的直接调制半导体激光器结构的示意图。
图中：1-GaN衬底，2-Al0.08Ga0.92N下包层，3-GaN下波导层，4-In0.02Ga0.98N注入层，5-有源层，6-Al0.2Ga0.8N电子阻挡层，7-Al0.08Ga0.92N上包层，8-Al0.08Ga0.92N上包层，9-非掺杂GaN隔离层，10-非掺杂Al0.15Ga0.85N层，11-非掺杂GaN通道层，12-AlN空间隔离层，13-非掺杂Al0.3Ga0.7N势垒层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的这种GaN基HEMT和LD单片集成的直接调制半导体激光器结构，是在常规GaN基LD外延结构的基础上，生长了非掺杂GaN隔离层9、非掺杂Al0.15Ga0.85N层10、非掺杂GaN通道层11、AlN空间隔离层12、非掺杂Al0.3Ga0.7N势垒层13用来实现HEMT。非掺杂GaN隔离层9将LD和HEMT隔开，经过相应的工艺，可以达到单片集成LD和GaN基HEMT的目的。
如图1所示，图1是常规GaN基LD材料结构的示意图。该结构由在GaN衬底1上依次生长的Al0.08Ga0.92N下包层2、GaN下波导层3、In0.02Ga0.98N注入层4、有源层5(In0.02Ga0.98N垒层×3、In0.12Ga0.88N量子阱层×2)、Al0.2Ga0.8N电子阻挡层6、GaN上波导层7、Al0.08Ga0.92N上包层8构成。
如图2所示，图2是GaN基HEMT材料结构的示意图。该HEMT材料结构由在GaN衬底1上依次生长的非掺杂Al0.15Ga0.85N层10、非掺杂GaN通道层11、AlN空间隔离层12、非掺杂Al0.3Ga0.7N势垒层13构成。
如图3所示，图3是本发明提供的GaN基HEMT和LD单片集成的直接调制半导体激光器结构的示意图，该结构由LD和GaN基HEMT两部分组成，所述LD和所述GaN基HEMT被非掺杂GaN隔离层9隔开。
所述GaN基LD由在GaN衬底1上依次分子束外延生长的Al0.08Ga0.92N下包层2、GaN下波导层3、In0.02Ga0.98N注入层4、有源层5(In0.02Ga0.98N垒层×3、In0.12Ga0.88N量子阱层×2)、Al0.2Ga0.8N电子阻挡层6、GaN上波导层7、Al0.08Ga0.92N上包层8构成。
所述非掺杂GaN隔离层9在所述Al0.08Ga0.92N上包层8上分子束外延生长而成。
所述GaN基HEMT由在非掺杂GaN隔离层9上依次分子束外延生长的非掺杂Al0.15Ga0.85N层10、非掺杂GaN通道层11、AlN空间隔离层12、非掺杂Al0.3Ga0.7N势垒层13构成。
所述Al0.08Ga0.92N下包层2用于将发射光限制在包层内；该Al0.08Ga0.92N下包层2的厚度为800nm。
上述方案中，所述GaN下波导层3用于将载流子限制在有源区内，该GaN下波导层3的厚度为50nm。
所述In0.02Ga0.98N注入层4用于载流子的注入，同时也利用In0.02Ga0.98N把载流子束缚在有源区内；所述In0.02Ga0.98N注入层4的厚度为50nm。
所述有源层5用于激励载流子受激发射形成放大的光，所述有源层5包括三层In0.02Ga0.98N势垒层、两层In0.12Ga0.88N量子阱层，这五层结构间隔分布。
所述Al0.2Ga0.8N电子阻挡层6用于将电子限制在有源层内，该Al0.2Ga0.8N电子阻挡层6的厚度为20nm。
所述GaN上波导层7用于进一步将电子限制在有源层和电子阻挡层内，该GaN上波导层7的厚度为80nm。
所述Al0.08Ga0.92N上包层8用于将发射光限制在波导层内，该Al0.08Ga0.92N上包层8的厚度为350nm。
所述非掺杂GaN隔离层9用于将LD和HEMT的外延结构隔开；该非掺杂GaN隔离层9的厚度为170nm。
所述非掺杂Al0.15Ga0.85N层10的厚度为55nm，所述非掺杂GaN通道层11的厚度为200nm，所述AlN空间隔离层12的厚度为1nm，所述非掺杂Al0.3Ga0.7N势垒层13的厚度为20nm。
下面进一步说明本发明提供的这种一种GaN基HEMT和LD单片集成的直接调制半导体激光器结构的生长过程。
步骤1、在GaN衬底1上生长800nm的Al0.08Ga0.92N下包层2；
步骤2、在Al0.08Ga0.92N下包层2上生长50nm的GaN下波导层3；
步骤3、在GaN下波导层3上生长50nm的In0.02Ga0.98N注入层4；
步骤4、在In0.02Ga0.98N注入层4上生长包括三层In0.02Ga0.98N势垒层、两层In0.12Ga0.88N量子阱层的有源层5；
步骤5、在有源层5上生长20nm的Al0.2Ga0.8N电子阻挡层6；
步骤6、在Al0.2Ga0.8N电子阻挡层6上生长80nm的GaN上波导层7；
步骤7、在GaN上波导层7上生长350nm的Al0.08Ga0.92N上包层8；
步骤8、在Al0.08Ga0.92N上包层8上生长170nm的非掺杂GaN隔离层9；
步骤9、在非掺杂GaN隔离层9上生长55nm的非掺杂Al0.15Ga0.85N层10；
步骤10、在非掺杂Al0.15Ga0.85N层10上生长200nm的非掺杂GaN通道层11；
步骤11、在非掺杂GaN通道层11上生长1nm的AlN空间隔离层12；
步骤12、在AlN空间隔离层12上生长20nm的非掺杂Al0.3Ga0.7N势垒层13。
本发明的GaN基HEMT和LD单片集成的直接调制半导体激光器结构，考虑到外延生长和器件性能两方面的实际要求，各层厚度、掺杂剂量可在一定范围内，根据具体材料和器件指标进行调整。在满足外延生长可实现的前提下，实现单片集成GaN基HEMT和LD。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，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 (10)
1.一种GaN基HEMT和LD单片集成的直接调制半导体激光器结构，其特征在于：该结构由LD和GaN基HEMT两部分组成，所述LD和所述GaN基HEMT被非掺杂GaN隔离层(9)隔开；所述LD由在GaN衬底(1)上依次分子束外延生长的Al0.08Ga0.92N下包层(2)、GaN下波导层(3)、In0.02Ga0.98N注入层(4)、有源层(5)、Al0.2Ga0.8N电子阻挡层(6)、GaN上波导层(7)、Al0.08Ga0.92N上包层(8)构成；所述非掺杂GaN隔离层(9)在所述Al0.08Ga0.92N上包层(8)上分子束外延生长而成；所述GaN基HEMT由在非掺杂GaN隔离层(9)上依次分子束外延生长的非掺杂Al0.15Ga0.85N层(10)、非掺杂GaN通道层(11)、AlN空间隔离层(12)、非掺杂Al0.3Ga0.7N势垒层(13)构成；
2.根据权利要求1所述的一种GaN基HEMT和LD单片集成的直接调制半导体激光器结构，其特征在于：所述Al0.08Ga0.92N下包层(2)用于将发射光限制在包层内；该Al0.08Ga0.92N下包层(2)的厚度为800nm。
3.根据权利要求1所述的一种GaN基HEMT和LD单片集成的直接调制半导体激光器结构，其特征在于：该GaN下波导层(3)的厚度为50nm。
4.根据权利要求1所述的一种GaN基HEMT和LD单片集成的直接调制半导体激光器结构，其特征在于：所述In0.02Ga0.98N注入层(4)用于载流子的注入，同时也利用In0.02Ga0.98N把载流子束缚在有源层内；所述In0.02Ga0.98N注入层(4)的厚度为50nm。
5.根据权利要求1所述的一种GaN基HEMT和LD单片集成的直接调制半导体激光器结构，其特征在于：所述有源层(5)用于激励载流子受激发射形成放大的光，所述有源层(5)包括三层In0.02Ga0.98N势垒层、两层In0.12Ga0.88N量子阱层，这五层结构间隔分布。
6.根据权利要求1所述的一种GaN基HEMT和LD单片集成的直接调制半导体激光器结构，其特征在于：所述Al0.2Ga0.8N电子阻挡层(6)用于将电子限制在有源层内，该Al0.2Ga0.8N电子阻挡层(6)的厚度为20nm。
7.根据权利要求1所述的一种GaN基HEMT和LD单片集成的直接调制半导体激光器结构，其特征在于：所述GaN上波导层(7)用于进一步将电子限制在有源层和电子阻挡层内，该GaN上波导层(7)的厚度为80nm。
8.根据权利要求1所述的一种GaN基HEMT和LD单片集成的直接调制半导体激光器结构，其特征在于：所述Al0.08Ga0.92N上包层(8)用于将发射光限制在波导层内，该Al0.08Ga0.92N上包层(8)的厚度为350nm。
9.根据权利要求1所述的一种GaN基HEMT和LD单片集成的直接调制半导体激光器结构，其特征在于：所述非掺杂GaN隔离层(9)用于将LD和HEMT的外延结构隔开；该非掺杂GaN隔离层(9)的厚度为170nm；
所述非掺杂Al0.15Ga0.85N层(10)的厚度为55nm，所述非掺杂GaN通道层(11)的厚度为200nm，所述AlN空间隔离层(12)的厚度为1nm，所述非掺杂Al0.3Ga0.7N势垒层(13)的厚度为20nm。
10.一种GaN基HEMT和LD单片集成的直接调制半导体激光器结构生长过程，其特征在于：该半导体激光器结构的生长过程包括下述步骤，
步骤1、在GaN衬底(1)上生长800nm的Al0.08Ga0.92N下包层(2)；
步骤2、在Al0.08Ga0.92N下包层(2)上生长50nm的GaN下波导层(3)；
步骤3、在GaN下波导层(3)上生长50nm的In0.02Ga0.98N注入层(4)；
步骤4、在In0.02Ga0.98N注入层(4)上生长包括三层In0.02Ga0.98N势垒层、两层In0.12Ga0.88N量子阱层的有源层(5)；
步骤5、在有源层(5)上生长20nm的Al0.2Ga0.8N电子阻挡层(6)；
步骤6、在Al0.2Ga0.8N电子阻挡层(6)上生长80nm的GaN上波导层(7)；
步骤7、在GaN上波导层(7)上生长350nm的Al0.08Ga0.92N上包层(8)；
步骤8、在Al0.08Ga0.92N上包层(8)上生长170nm的非掺杂GaN隔离层(9)；
步骤9、在非掺杂GaN隔离层(9)上生长55nm的非掺杂Al0.15Ga0.85N层(10)；
步骤10、在非掺杂Al0.15Ga0.85N层(10)上生长200nm的非掺杂GaN通道层(11)；
步骤11、在非掺杂GaN通道层(11)上生长1nm的AlN空间隔离层(12)；
步骤12、在AlN空间隔离层(12)上生长20nm的非掺杂Al0.3Ga0.7N势垒层(13)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170721 Termination date: 20191119 |