CN104617487A - 氮化镓同质衬底上激光器量子阱有源区的同温生长方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氮化镓同质衬底上激光器量子阱有源区的同温生长方法，包括：在氮化镓同质衬底上依次外延生长n型GaN同质外延层、n型AlGaN限制层、n型GaN波导层、量子阱有源区、p型AlGaN电子阻挡层、p型GaN波导层、p型AlGaN限制层和p型掺杂/p型重掺接触层，其中量子阱有源区中的阱层和垒层在相同的温度下生长；在p型掺杂/p型重掺接触层一侧采用光刻的方法刻蚀出脊型结构；在脊型结构的上表面制作一p型电极；在氮化镓同质衬底的下表面制作n型电极。本发明减少由于阱层和垒层生长温度不同导致的翘曲程度不同以及量子阱界面平整度的下降，从而增强量子阱内载流子的发光复合率，提高激光器的性能。

Description

氮化镓同质衬底上激光器量子阱有源区的同温生长方法

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件领域，特别是一种氮化镓同质衬底上激光器量子阱有源区外延过程中的同温生长方法。

背景技术

在氮化物激光器材料结构的外延生长过程中，有源区中的量子阱结构和界面控制是影响阱内载流子发光复合效率的关键技术。

目前由于氮化镓同质衬底的技术还不是特别成熟，很多的氮化镓同质衬底都是采用氢化物气相外延(Hydride Vapor Phase Epitaxy，HVPE)技术在蓝宝石衬底上生长并剥离而成，存在着很大的应力。在采用蓝宝石衬底和氮化镓同质衬底进行激光器结构材料外延生长的过程中，衬底温度在垂直于衬底表面方向上分布的不均匀以及外延材料和衬底之间的晶格失配和热失配导致的应力会使得衬底连同衬底上面的激光器结构产生翘曲，而且不同温度下的翘曲程度还不一样。对于蓝宝石衬底，由于单片衬底是由高质量的蓝宝石晶体切割而成，应力较小，且激光器结构中的AlGaN限制层和蓝宝石之间存在热失配，在生长温度降低至有源区所需的生长温度的过程中，AlGaN层产生的张应力和蓝宝石衬底产生的压应力相互部分抵消，因此蓝宝石衬底在降温生长有源区时的翘曲程度相对较弱；但是对于氮化镓同质衬底，在蓝宝石衬底上进行HVPE外延生长GaN厚膜并剥离这一制备过程中已经产生了很大的应力，并且同质衬底和外延层之间不存在明显的热失配，AlGaN层产生的张应力无法消除，因此，衬底在生长过程中的翘曲程度更加严重。

衬底及激光器外延结构随生长温度不同而产生的翘曲，会改变外延片不同位置的温度分布和气流分布，使得外延片上各个位置的生长速率、In组分的并入、杂质浓度、外延层厚度等结构参数产生差异，各个位置处加工出来的激光器的激射中心波长、阈值电流/电压、输出功率等器件性能参数差异更大，整个外延片的均匀性、一致性和器件的成品率显著降低。

在量子阱有源区的生长过程中，衬底翘曲的不利影响更为严重。当采用传统的双温量子阱生长方法时，阱层和垒层的生长温度不同，在阱层和垒层生长过程中，氮化镓同质衬底由于在垂直方向上温度分布不均匀产生的应力和AlGaN层热失配产生的张应力大小不同，氮化镓衬底及外延生长的激光器结构的翘曲程度不同，导致量子阱的垒层和阱层的界面不够陡峭，阱层的厚度产生起伏，界面态密度升高，量子阱的发光复合几率下降，使得激光器的量子效率下降。

针对双温量子阱生长方法的不足，我们提出了本发明中的同温量子阱生长方法，使得阱层和垒层在同样的温度下生长，生长过程中衬底温度在垂直方向上的分布、AlGaN层产生的张应力的情况相同，氮化镓衬底及外延生长的激光器结构因温度产生的翘曲程度相同，量子阱的阱层和垒层也相应地存在同样的翘曲程度。虽然不能避免外延片整体的翘曲，但是由于阱层和垒层的翘曲情况保持一致，量子阱界面的平整度和陡峭度没有被破坏，因此避免了由于界面陡峭程度下降导致的载流子发光复合几率下降的问题，在采用同等质量的氮化镓衬底的前提下有效地提高了激光器的性能。

发明内容

本发明主要目的在于提供一种氮化镓同质衬底上激光器量子阱有源区外延过程中的同温生长方法，在同样的温度下外延生长量子阱中的阱层和垒层，降低传统的双温生长方法中由于阱层和垒层的生长温度不同导致的衬底翘曲程度的变化，以及与此相关的量子阱界面平整度的下降和有源区内载流子发光复合效率的下降。

本发明提供一种氮化镓同质衬底上激光器量子阱有源区的同温生长方法，包括：

步骤1、在氮化镓同质衬底的下表面制作n型欧姆电极；

步骤2、在氮化镓同质衬底的上表面制作n型同质外延层；

步骤3、在n型同质外延层之上制作n型AlGaN限制层；

步骤4、在n型AlGaN限制层之上制作n型GaN波导层；

步骤5、在n型GaN波导层之上制作InGaN/GaN量子阱有源区；

步骤6、在InGaN/GaN量子阱有源区之上制作p型AlGaN电子阻挡层；

步骤7、在p型AlGaN电子阻挡层之上制作p型GaN波导层；

步骤8、在p型GaN波导层之上制作p型AlGaN限制层；

步骤9、在p型AlGaN限制层之上制作p型掺杂/p型重掺接触层；

步骤10、在p型掺杂/p型重掺接触层的上表面制作p型欧姆电极；

步骤11、从p型掺杂/p型重掺接触层的上表面开始制作脊型结构，向下刻蚀至p型AlGaN限制层的上下表面之间，形成脊型结构。

本发明的关键在于采用同样的生长温度在氮化镓同质衬底上外延生长激光器量子阱有源区的阱层和垒层。由于生长温度相同，所以在阱层和垒层外延生长过程中氮化镓衬底和激光器结构材料的翘曲程度相同，与采用传统的双温生长方法时阱层和垒层生长温度不同导致的翘曲程度不同、量子阱界面的陡峭度和平整度下降相比，同温生长过程中虽然氮化镓衬底和激光器结构也存在翘曲，但是阱层和垒层的翘曲程度保持一致，量子阱的界面不容易产生明显的起伏，从微观结构来看量子阱仍然能够保持较好的界面平整度，因此与双温生长方法相比可以提高阱内载流子的发光复合几率，并提高激光器的性能。此外，由于在有源区生长过程中衬底的翘曲程度保持不变，整个外延片上的气流分布、生长速率、In组分并入、杂质浓度等生长参数均相应地保持较高的一致性，从而提高了外延片整体的均匀性和一致性。利用本发明中所述的同温方法生长的激光器结构外延片，经过工艺加工研制出的GaN基激光器，在阈值电流/电压、激射中心波长、输出功率等性能参数方面也能保持更好的一致性，从而提高了从外延片到激光器的成品率。

附图说明

为了使本发明的目的、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是本发明的结构示意图。

图2是衬底不同的翘曲程度导致激光器有源区的量子阱界面出现起伏的结构示意图。

图3是分别采用传统的双温量子阱生长方法和本发明中所述的同温量子阱生长方法制备的激光器实际测试性能的对比图。

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，对本发明作进一步的详细说明。

请参阅图1所示，本发明提供一种在氮化镓同质衬底上激光器量子阱有源区的同温生长方法，包括：

步骤1、在氮化镓同质衬底102的下表面制作n型欧姆电极101；其中，氮化镓衬底为n型掺杂的自支撑氮化镓材料，厚度为200-1000μm。

步骤2、在氮化镓同质衬底102的上表面制作n型同质外延层103，该n型GaN同质外延层103为掺Si的n型GaN，厚度为1-10μm。

步骤3、在n型同质外延层103之上制作n型AlGaN限制层104，该n型AlGaN限制层104为掺Si的n型AlGaN，Al组分为0.08，厚度为0.3-1μm。

步骤4、在n型AlGaN限制层104之上制作n型GaN波导层105，该n型GaN波导层105为掺Si的n型GaN，厚度为50-300μm。

步骤5、在n型GaN波导层105之上制作InGaN/GaN量子阱有源区106，该InGaN/GaN量子阱有源区106为非故意掺杂或轻掺Si的InGaN/GaN，量子阱的数目为1-5个；阱层为InGaN材料，In组分为0.01-1，厚度为1-10nm；垒层为GaN、InGaN或AlGaN，InGaN中的In组分和AlGaN中的Al组分为0-0.9，厚度为5-30nm。其中，量子阱有源区的制作过程如下：将生长温度设定为650-850℃之间的温度，在n型GaN波导层105之上周期交替生长阱层和垒层，阱层和垒层在相同的温度下外延生长。

步骤6、在InGaN/GaN量子阱有源区106之上制作p型AlGaN电子阻挡层107，该p型AlGaN电子阻挡层107为掺Mg的p型AlGaN，厚度为5-40nm，Al组分为0.1-0.3。

步骤7、在p型AlGaN电子阻挡层107之上制作p型GaN波导层108，该p型GaN波导层108为掺Mg的p型GaN，厚度为30-300nm。

步骤8、在p型GaN波导层108之上制作p型AlGaN限制层109，该p型AlGaN限制层109为掺Mg的p型AlGaN，Al组分为0.08，厚度为0.3-1μm。

步骤9、在p型AlGaN限制层109之上制作p型掺杂/p型重掺接触层110，该p型掺杂/p型重掺接触层110为p型掺杂和p型重掺杂的复合结构；p型掺杂层为掺Mg的p型GaN，厚度为10-100nm，Mg掺杂浓度为1×10¹⁹-1×10²⁰cm^-3；p型重掺杂层为重掺杂Mg的p型GaN或p型InGaN层，厚度小于p型掺杂层，为5-50nm，Mg掺杂浓度高于p型掺杂层，为1×10²⁰-1×10²¹cm^-3，p型InGaN层的In组分为0.01-1。

步骤10、在p型掺杂/p型重掺接触层110的上表面制作p型欧姆电极111。

步骤11、从p型掺杂/p型重掺接触层110的上表面开始制作脊型结构112，其制作方法是从p型掺杂/p型重掺接触层110的上表面开始向下刻蚀，刻至p型AlGaN限制层109的上下表面之间，形成脊型结构112。

图1所示的氮化镓同质衬底上的激光器结构材料是利用金属有机物化学气相沉积系统(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)外延生长而成，在生长过程中分别采用氨气、三甲基镓、三甲基铟和三甲基铝作为氮源、镓源、铟源和铝源，分别采用二茂镁和硅烷作为Mg掺杂源和Si掺杂源，在不同的生长步骤中分别采用氮气或氢气作为载气进行外延生长。

在外延生长InGaN/GaN量子阱有源区106的过程中，传统的方法是分别设定不同的温度进行InGaN阱层和GaN垒层的生长，氮化镓同质衬底及外延结构相对应的翘曲情况如图2中的上图所示。在这种双温生长方法中，InGaN阱层的生长温度T_W较低，有利于In的并入；GaN垒层的生长温度T_B较高，有利于生长出更为平整的GaN表面。这种双温生长方法中，量子阱的生长过程如下：先降温至T_W，并在图2中的GaN垒层201上面生长InGaN阱层202；升温至T_B，保持T_B的温度一定的时间，开始生长GaN垒层203；生长完毕后又降温至T_W继续开始下一个周期内InGaN阱层204的生长。由于InGaN阱层202、204和GaN垒层201、203、205的生长温度不同，导致氮化镓同质衬底的翘曲程度不同，使得生长出的InGaN/GaN量子阱如图2右上角所示，InGaN阱层207、209的厚度以及它们和GaN垒层206、208、210之间的界面处存在起伏，量子阱界面的陡峭程度降低，界面态增加，由此引起载流子的非辐射复合增加，激光器的量子效率下降。

采用本发明中所述的同温量子阱生长方法后，氮化镓同质衬底及外延结构相对应的翘曲情况如图2中的下图所示。采用该同温生长方法后，由于在InGaN阱层212、214和GaN垒层211、213、215的生长过程中温度相同，氮化镓同质衬底及外延结构虽然也存在翘曲，但是翘曲的程度基本保持不变，因此当外延结构生长完毕并降温至室温后，生长出的InGaN/GaN量子阱如图2右下角所示，InGaN阱层217、219的厚度比较均匀，和GaN垒层216、218、220之间的界面能够保持更好的陡峭度。相比双温生长方法制备的量子阱而言，本发明中所述的同温生长方法制备的量子阱界面态引起的非辐射复合减少，在采用同等质量的氮化镓同质衬底的前提下，激光器的量子效率上升。

图3是在同等质量的氮化镓同质衬底上分别采用传统的双温生长方法和本发明中所述的同温生长方法制备的激光器结构材料以及基于同样的器件工艺过程制备出的激光器的实测性能对比，其中大图为室温脉冲条件下测得的输出功率-注入电流(P-I)曲线，插图为1mA电流下两种激光器结构材料的电致发光(Electroluminescent，EL)谱。图中的LD1为采用传统的双温生长方法制备的激光器，LD2是采用本发明中所述的同温生长方法制备的激光器。由插图中的EL谱可以看出，在发光光谱的中心波长415nm处，在同样大小(1mA)的注入电流下，同温方法制备的激光器LD2的发光强度增大为双温方法制备的激光器LD1发光强度的3.8倍。在大图中的P-I曲线中，同温方法制备的激光器LD2的阈值电流下降为双温方法制备的激光器LD1阈值电流的82％；但在同样的室温脉冲条件和同样大小的注入电流下，LD2的脉冲峰值功率却提高至LD1的1.92倍。上述实验结果的对比足以证明，本发明中所述的同温生长方法制备的激光器结构材料可以有效地减弱由于衬底翘曲导致的量子阱界面起伏、陡峭程度下降及非辐射复合增加等不足之处，与传统双温生长方法制备的激光器结构材料相比，可以显著地降低阈值电流，提高有源区内的量子效率和激光器的输出功率。

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，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 (11)

1.一种用于氮化镓同质衬底上激光器量子阱有源区的同温生长方法，包括：

步骤1、在氮化镓同质衬底的下表面制作n型欧姆电极；

步骤2、在氮化镓同质衬底的上表面制作n型同质外延层；

步骤3、在n型同质外延层之上制作n型AlGaN限制层；

步骤4、在n型AlGaN限制层之上制作n型GaN波导层；

步骤5、在n型GaN波导层之上制作InGaN/GaN量子阱有源区，其中量子阱有源区的制作包括在相同的温度下交替外延生长阱层和垒层；

步骤6、在InGaN/GaN量子阱有源区之上制作p型AlGaN电子阻挡层；

步骤7、在p型AlGaN电子阻挡层之上制作p型GaN波导层；

步骤8、在p型GaN波导层之上制作p型AlGaN限制层；

步骤9、在p型AlGaN限制层之上制作p型掺杂/p型重掺接触层；

步骤10、在p型掺杂/p型重掺接触层的上表面制作p型欧姆电极；

步骤11、从p型掺杂/p型重掺接触层的上表面开始制作脊型结构，向下刻蚀至p型AlGaN限制层的上下表面之间，形成脊型结构。

2.如权利要求1所述的用于氮化镓同质衬底上激光器量子阱有源区的同温生长方法，其中，氮化镓衬底为n型掺杂的自支撑氮化镓材料，厚度为200-1000μm。

3.如权利要求1所述的用于氮化镓同质衬底上激光器量子阱有源区的同温生长方法，其中，n型GaN同质外延层为掺Si的n型GaN，厚度为1-10μm。

4.如权利要求1所述的用于氮化镓同质衬底上激光器量子阱有源区的同温生长方法，其中，n型AlGaN限制层为掺Si的n型AlGaN，Al组分为0.08，厚度为0.3-1μm。

5.如权利要求1所述的用于氮化镓同质衬底上激光器量子阱有源区的同温生长方法，其中，n型GaN波导层为掺Si的n型GaN，厚度为50-300μm。

6.如权利要求1所述的用于氮化镓同质衬底上激光器量子阱有源区的同温生长方法，其中，InGaN/GaN量子阱有源区为非故意掺杂或轻掺Si的InGaN/GaN，量子阱的数目为1-5个；阱层为InGaN材料，In组分为0.01-1，厚度为1-10nm；垒层为GaN、InGaN或AlGaN，InGaN中的In组分和AlGaN中的Al组分为0-0.9，厚度为5-30nm。

7.如权利要求1所述的用于氮化镓同质衬底上激光器量子阱有源区的同温生长方法，其中，p型AlGaN电子阻挡层为掺Mg的p型AlGaN，厚度为5-40nm，Al组分为0.1-0.3。

8.如权利要求1所述的用于氮化镓同质衬底上激光器量子阱有源区的同温生长方法，其中，p型GaN波导层为掺Mg的p型GaN，厚度为30-300nm。

9.如权利要求1所述的用于氮化镓同质衬底上激光器量子阱有源区的同温生长方法，其中p型AlGaN限制层为掺Mg的p型AlGaN，Al组分为0.08，厚度为0.3-1μm。

10.如权利要求1所述的用于氮化镓同质衬底上激光器量子阱有源区的同温生长方法，其中，p型掺杂/p型重掺接触层为p型掺杂和p型重掺杂的复合结构；p型掺杂层为掺Mg的p型GaN，厚度为10-100nm，Mg掺杂浓度为1×10¹⁹-1×10²⁰cm^-3；p型重掺杂层为重掺杂Mg的p型GaN或p型InGaN层，厚度小于p型掺杂层，为5-50nm，Mg掺杂浓度高于p型掺杂层，为1×10²⁰-1×10²¹cm^-3，p型InGaN层的In组分为0.01-1。

11.如权利要求6所述的用于氮化镓同质衬底上激光器量子阱有源区的同温生长方法，其中，InGaN/GaN量子阱有源区的阱层和垒层的生长温度为650-850℃。