CN104734015B - 具有非对称Al组分AlGaN限制层的氮化镓基激光器 - Google Patents

Abstract

一种具有非对称Al组分AlGaN限制层的氮化镓基激光器，包括：一氮化镓同质衬底；一n型GaN同质外延层，其制作在氮化镓同质衬底上；一n型AlGaN限制层，其制作在n型GaN同质外延层上；一n型GaN波导层，其制作在n型AlGaN限制层上；一InGaN/GaN量子阱有源区，其制作在n型GaN波导层上；一p型AlGaN电子阻挡层，其制作在InGaN/GaN量子阱有源区上；一p型GaN波导层，其制作在p型AlGaN电子阻挡层上；一p型AlGaN限制层，其制作在p型GaN波导层上，该p型AlGaN限制层的中间为一凸起的脊形；一p型掺杂/p型重掺接触层，其制作在p型AlGaN限制层凸起的脊形上；一p型欧姆电极，其制作在p型掺杂/p型重掺接触层上；一n型欧姆电极，其制作在氮化镓同质衬底的下表面。

Description

具有非对称Al组分AlGaN限制层的氮化镓基激光器

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件领域，特别是一种具有非对称Al组分AlGaN限制层的氮化镓基激光器。

背景技术

在半导体激光器中，光场的分布和吸收损耗是影响到激光器阈值和输出功率的关键因素。在传统的氮化镓激光器结构中，有源区上下两侧分别具有n型和p型波导和限制层，n型和p型AlGaN限制层将大部分光场限制在波导内。但是仍然会有少部分光场扩展至AlGaN限制层内，甚至会扩展至激光器两侧的金属电极区域。GaN和AlGaN材料对波长大于带间跃迁发光波长的光存在着由自由载流子吸收和杂质吸收引起的较强吸收，这是激光器内损耗的主要来源。在405nm波长附近，掺Mg的p型GaN、掺Si的n型GaN和非故意掺杂的本征GaN的吸收系数分别为100cm^-1、30cm^-1和10cm^-1。p型和n型掺杂AlGaN的吸收系数也分别近似取为100cm^-1和30cm^-1。由于p型掺杂区域的吸收系数远大于n型掺杂区域，因此应尽量减小光场在p型掺杂区域的分布，包括p型AlGaN电子阻挡层、p型GaN波导、p型AlGaN限制层和p型GaN接触层。

针对p型掺杂区域更严重的光学吸收，已经有许多不同的解决方案。最常见的是采用n型掺杂区域和p型掺杂区域厚度不同的非对称波导，使得光场分布向n型掺杂区域偏移，以降低在p型掺杂区域的光场分布。这种非对称波导的结构在砷化镓基和氮化镓基半导体激光器中均有应用实例。但是，如何通过调节AlGaN限制层中的Al组分，增强对光场的限制作用，降低光场在p型掺杂区域的分布，目前尚无具体报道。

除了光学吸收带来的内损耗，氮化镓激光器在外延生长过程中面临的另一个难点是氮化镓衬底的翘曲问题。目前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，且不同温度下的翘曲程度还不一样。而且氮化镓同质衬底和激光器外延结构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，外延生长过程中氮化镓同质衬底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。

光场的分布除了和波导厚度有关外，还和AlGaN限制层中的Al组分相关。高Al组分的AlGaN限制层和GaN或InGaN波导层之间具有更大的折射率差，可以将光场更好地限制在波导层内。因此，要想减小光场在p型掺杂区域内的分布，可以采用更高Al组分的p型AlGaN限制层。但是高Al组分AlGaN限制层中的张应力变大，使得氮化镓同质衬底的翘曲问题更加严重。

针对上述问题，我们提出了本发明中的具有非对称Al组分AlGaN限制层的氮化镓基激光器制作方法，分别调节n型和p型掺杂区域的AlGaN限制层中的Al组分：在p型掺杂区域，从降低光学吸收损耗的角度出发，采用高Al组分的p型AlGaN限制层，将光场更好地限制在p型波导层内；在n型掺杂区域，从减小AlGaN限制层的张应力、降低氮化镓衬底的翘曲程度出发，适当降低n型AlGaN限制层的Al组分。虽然Al组分降低后，n型AlGaN限制层的折射率变大，和n型GaN波导层之间的折射率差变小，限制作用变弱，光场会向n型掺杂区域扩展，但是由于n型掺杂区域的光学吸收系数相对较小，因此不会显著增加光学吸收损耗和激光器的阈值。与此相反，由于n型AlGaN限制层的Al组分减小，在外延生长过程中氮化镓衬底的翘曲程度变弱，将会有效地提高有源区量子阱的界面平整度和发光复合效率，同时提高整个外延片的均匀性、一致性和器件的成品率。

发明内容

本发明主要目的在于提供一种具有非对称Al组分AlGaN限制层的氮化镓基激光器，根据降低氮化镓衬底翘曲程度和降低p型掺杂区域内光场分布的需要，分别调节n型和p型掺杂AlGaN限制层中的Al组分，提高p型AlGaN限制层中的Al组分以提高对光场的限制作用和降低p型掺杂区域的光学吸收损耗，降低n型AlGaN限制层中的Al组分以降低张应力和氮化镓同质衬底的翘曲程度，从而提高激光器外延片的材料质量和单个激光器的器件性能。

本发明提供一种具有非对称Al组分AlGaN限制层的氮化镓基激光器，包括：

一氮化镓同质衬底；

一n型GaN同质外延层，其制作在氮化镓同质衬底上；

一n型AlGaN限制层，其制作在n型GaN同质外延层上；

一n型GaN波导层，其制作在n型AlGaN限制层上；

一InGaN/GaN量子阱有源区，其制作在n型GaN波导层上；

一p型AlGaN电子阻挡层，其制作在InGaN/GaN量子阱有源区上；

一p型GaN波导层，其制作在p型AlGaN电子阻挡层上；

一p型AlGaN限制层，其制作在p型GaN波导层上，该p型AlGaN限制层的中间为一凸起的脊形；

一p型掺杂/p型重掺接触层，其制作在p型AlGaN限制层凸起的脊形上；

一p型欧姆电极，其制作在p型掺杂/p型重掺接触层上；

一n型欧姆电极，其制作在氮化镓同质衬底的下表面。

本发明的关键在于采用非对称Al组分AlGaN限制层，分别调节n型和p型掺杂AlGaN限制层中的Al组分，其有益效果是：激光器p型掺杂区域的光学吸收系数远大于n型掺杂区域，因此应该适当降低光场在p型掺杂区域内的分布；提高p型AlGaN限制层中的Al组分可以增大AlGaN限制层和p型GaN波导层之间的折射率差，增强对光场的限制作用，从而减小p型掺杂区域内的光场分布和光学吸收损耗；但是Al组分的提高会增加AlGaN层和氮化镓同质衬底之间由于晶格失配导致的张应力，增加了外延生长过程中AlGaN层出现裂纹的可能性，并使得氮化镓衬底在外延过程中的翘曲程度更加严重。本发明采用具有非对称Al组分的AlGaN限制层，提高p型AlGaN限制层中的Al组分，降低n型AlGaN限制层中的Al组分。p型AlGaN限制层中Al组分的提高，可以增强对光场的限制作用，减小p型掺杂区域内的光场分布和光学吸收损耗；n型AlGaN限制层中Al组分的降低，减小了AlGaN层和氮化镓衬底之间的晶格失配导致的张应力，减弱了氮化镓衬底在外延过程中的翘曲程度对片上均匀性和激光器器件性能的不利影响。

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是本发明中氮化镓激光器的结构示意图。

图2是具有不同Al组分AlGaN限制层的氮化镓激光器的光场分布。

图3是具有不同Al组分AlGaN限制层的氮化镓激光器的电流-功率曲线。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种具有非对称Al组分AlGaN限制层的氮化镓基激光器，包括：

一氮化镓同质衬底10，所述氮化镓同质衬底10为n型掺杂的自支撑氮化镓材料，厚度为200-1000μm；

一n型GaN同质外延层11，其制作在氮化镓同质衬底10上，所述n型GaN同质外延层为掺Si的n型GaN，厚度为1-10μm；

一n型AlGaN限制层12，其制作在n型GaN同质外延层11上，所述n型AlGaN限制层12为掺Si的n型AlGaN，Al组分为0.01-0.1，厚度为0.2-1μm；

一n型GaN波导层13，其制作在n型AlGaN限制层12上，所述n型GaN波导层为掺Si的n型GaN，厚度为50-300μm；

一InGaN/GaN量子阱有源区14，其制作在n型GaN波导层13上，所述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，厚度为5-30nm；

一p型AlGaN电子阻挡层15，其制作在InGaN/GaN量子阱有源区14上，所述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；

一p型GaN波导层16，其制作在p型AlGaN电子阻挡层15上，所述p型GaN波导层为掺Mg的p型GaN，厚度为30-300nm；

一p型AlGaN限制层17，其制作在p型GaN波导层16上，该p型AlGaN限制层17的中间为一凸起的脊形，所述p型AlGaN限制层为掺Mg的p型AlGaN，Al组分为0.01-0.1，厚度为0.2-1μm，且该p型AlGaN限制层17中的Al组分要高于n型AlGaN限制层12中的Al组分；

一p型掺杂/p型重掺接触层18，其制作在p型AlGaN限制层17凸起的脊形上，所述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；

一p型欧姆电极19，其制作在p型掺杂/p型重掺接触层18上；

一n型欧姆电极20，其制作在氮化镓同质衬底10的下表面。

图1中所示的氮化镓激光器结构采用了非对称AlGaN限制层，p型AlGaN限制层的Al组分高于n型AlGaN限制层。在p型掺杂区域，p型AlGaN限制层的Al组分提高后，折射率减小，与GaN波导层之间的折射率差增大，对光场的限制作用增强，光场在光学吸收系数较大的p型掺杂区域的分布减少，光学损耗降低；在n型掺杂区域，n型AlGaN限制层的Al组分降低，AlGaN层和氮化镓衬底之间由于晶格失配导致的张应力减小，外延过程中氮化镓衬底的翘曲程度减弱，外延生长的激光器结构性能和整个片上均匀性得到改善。虽然n型AlGaN限制层的Al组分降低会使得折射率变大，与GaN波导层之间的折射率差减小，对光场的限制作用减弱，光场会向n型AlGaN限制层扩展，但是由于n型掺杂区域的光学吸收系数相对较小，因此光场扩展引起的光学吸收和损耗也处于相对较小的水平，不会显著地影响激光器的器件性能。

图2是通过理论计算得到的具有不同Al组分AlGaN限制层的氮化镓激光器的光场分布，图中除光场分布外，还给出了激光器各个区域的折射率分布。图中共有四种不同的激光器结构，其中前三种结构中的p型和n型AlGaN限制层中的Al组分相同，呈对称分布，Al组分分别为0.08、0.05和0.03；第四种激光器结构中，p型AlGaN限制层和n型AlGaN限制层中的Al组分不同，呈非对称分布，p型AlGaN限制层中的Al组分为0.08，n型AlGaN限制层中的Al组分为0.03。由图2可以看到，对于p型和n型AlGaN限制层中Al组分相同的氮化镓激光器，当Al组分由0.03提高到0.08时，AlGaN限制层的折射率依次减小，与GaN波导层之间的折射率差增大，对光场的限制作用增强，p型掺杂区域内的光场明显地被向有源区方向压缩。但是对于n型掺杂区域，光场分布向有源区方向的压缩并不是特别明显。这是因为在有源区和p型GaN波导层及p型AlGaN限制层之间还存在着p型掺杂的AlGaN电子阻挡层(EBL)。EBL层的Al组分一般为0.18-0.2，远大于p型和n型AlGaN限制层，具有更小的折射率。因此，EBL和InGaN/GaN量子阱有源区、EBL和p型GaN波导层之间都具有较大的折射率差，将整个激光器内的光场分别限制在两侧，呈非对称分布。当p型掺杂区域的光场被压缩时，EBL会阻挡光场向有源区和n型掺杂区域内扩展；反过来当n型掺杂区域的光场被压缩时，EBL也会阻挡光场向p型掺杂区域扩展。这种由EBL导致的光场非对称分布，也是本发明中提出的分别调节p型和n型AlGaN限制层中的Al组分的理论基础和结构基础。

与上述三种具有对称Al组分AlGaN限制层的氮化镓激光器结构不同，在第四种激光器结构中，p型AlGaN限制层和n型AlGaN限制层中的Al组分不同，呈非对称分布。由图2可以看出，由于p型AlGaN限制层中的Al组分较高，光学限制作用较强，激光器p型掺杂区域内的光场被向有源区方向进一步压缩；而n型AlGaN限制层内的Al组分较低，光学限制作用较弱，n型掺杂区域内的光场向背离有源区的方向扩展。整体来看，光场由吸收系数高的p型掺杂区域向吸收系数低的n型掺杂区域偏移，使得光学吸收损耗降低，激光器的阈值也会随之降低。除此之外，由于n型AlGaN限制层中的Al组分减小，晶格失配导致的张应力减小，外延生长过程中氮化镓衬底的翘曲程度减弱，外延生长的激光器性能和片上均匀性也会得到改善。

图3是通过理论计算得到的具有不同Al组分AlGaN限制层的氮化镓激光器的电流-功率曲线。对于p型和n型AlGaN限制层中的Al组分相同的氮化镓激光器，当Al组分由0.03提高到0.08时，氮化镓激光器的阈值电流依次减小，Al组分为0.05和0.08的激光器阈值电流分别减小为Al组分为0.03的激光器阈值电流的92.8％和88％；在同样的100mA注入电流下，激光器的输出功率随Al组分提高，Al组分为0.05和0.08的激光器输出功率分别增大为Al组分为0.03的激光器输出功率的1.14和1.26倍。当采用p型区Al组分为0.08、n型区Al组分为0.03的非对称Al组分AlGaN限制层时，与p型和n型AlGaN限制层中的Al组分均为0.03的激光器相比，具有非对称Al组分AlGaN限制层的激光器的阈值电流减小至86.4％，而100mA注入电流下的输出功率则增大至1.27倍。除上述理论计算结果显示出的器件性能获得了进一步提高之外，在氮化镓激光器的实际外延生长过程中，n型AlGaN限制层中Al组分的降低使得张应力减小，减弱了氮化镓衬底的翘曲程度，外延生长的氮化镓激光器的器件性能和整个外延片上不同位置激光器性能的一致性也会得到进一步提高。

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 (7)

1.一种具有非对称Al组分AlGaN限制层的氮化镓基激光器，包括：

一氮化镓同质衬底；

一n型GaN同质外延层，其制作在氮化镓同质衬底上；

一n型AlGaN限制层，其制作在n型GaN同质外延层上；

一n型GaN波导层，其制作在n型AlGaN限制层上，所述n型GaN波导层为掺Si的n型GaN，厚度为50-300μm；

一InGaN/GaN量子阱有源区，其制作在n型GaN波导层上；

一p型AlGaN电子阻挡层，其制作在InGaN/GaN量子阱有源区上；

一p型GaN波导层，其制作在p型AlGaN电子阻挡层上；

一p型AlGaN限制层，其制作在p型GaN波导层上，该p型AlGaN限制层的中间为一凸起的脊形，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；

其中n型AlGaN限制层中的Al组分要低于p型AlGaN限制层中的Al组分；

一p型掺杂/p型重掺接触层，其制作在p型AlGaN限制层凸起的脊形上；

一p型欧姆电极，其制作在p型掺杂/p型重掺接触层上；

一n型欧姆电极，其制作在氮化镓同质衬底的下表面。

2.如权利要求1所述的具有非对称Al组分AlGaN限制层的氮化镓基激光器，其中氮化镓同质衬底为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所述的具有非对称Al组分AlGaN限制层的氮化镓基激光器，其中n型AlGaN限制层为掺Si的n型AlGaN，Al组分为0.01-0.1，厚度为0.2-1μm。

4.如权利要求1所述的具有非对称Al组分AlGaN限制层的氮化镓基激光器的，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，厚度为5-30nm。

5.如权利要求1所述的具有非对称Al组分AlGaN限制层的氮化镓基激光器，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。

6.如权利要求1所述的具有非对称Al组分AlGaN限制层的氮化镓基激光器，其中p型GaN波导层为掺Mg的p型GaN，厚度为30-300nm。

7.如权利要求1所述的具有非对称Al组分AlGaN限制层的氮化镓基激光器，其中p型AlGaN限制层为掺Mg的p型AlGaN，Al组分为0.01-0.1，厚度为0.2-1μm。