CN104953467B - 一种氮化镓基半导体激光器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种氮化镓基半导体激光器，包括衬底、设置在衬底上的波导结构及设置在衬底与波导结构之间的多量子阱吸收层，其中，多量子阱吸收层用于吸收由波导结构泄漏到衬底中的光。本发明还公开一种氮化镓基半导体激光器的制作方法。本发明的氮化镓基半导体激光器及其制作方法，未出现衬底模式，改善了远场光斑。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件领域，具体地讲，涉及一种氮化镓基半导体激光器及其制作方法。
背景技术
作为第三代半导体，氮化镓（GaN）及其系列材料（包括氮化铝、铝镓氮、铟镓氮、氮化铟）以其禁带宽度大、光谱范围宽（覆盖了从紫外到红外的全波段）、耐高温性和耐腐蚀性好，在光电子学和微电子学领域具有巨大的应用价值。GaN基激光器是一种非常重要的GaN基光电子器件，由于其发射的光波覆盖了从紫外光到绿光波段，GaN基激光器在高密度光信息存储、投影显示、激光打印、水下通信、生物化学试剂的激活以及医疗方面具有重要的应用价值。
在半导体激光器中，横模模式特性对其应用极为重要。对于GaN基紫光激光器、GaN基蓝光激光器及GaN基绿光激光器，由于GaN衬底的禁带宽度大于有源区辐射的光子能量，GaN衬底不能吸收激光器发射的光子，且GaN衬底的折射率比AlGaN光限制层的折射率低，所以容易在GaN衬底中形成衬底模式，使激光器的远场光斑变差。所述衬底模式的产生是因为GaN基激光器的AlGaN光限制层和GaN衬底之间的晶格不匹配，从而生长出较厚的高Al组分，使得AlGaN光限制层容易产生裂纹，进而使GaN基激光器容易产生衬底模式。衬底模式的出现对GaN基激光器发射的激光的准直及聚焦会产生严重的影响。
发明内容
为了解决上述现有技术的问题，本发明的目的在于提供一种能够消除衬底模式的氮化镓基半导体激光器及其制作方法。
根据本发明的一方面，提供了一种氮化镓基半导体激光器，包括衬底、设置在衬底上的波导结构及设置在衬底与波导结构之间的多量子阱吸收层，其中，多量子阱吸收层用于吸收由波导结构泄漏到衬底中的光。
进一步地，所述氮化镓基半导体激光器还包括设置在所述波导结构上的p型欧姆接触层；所述波导结构包括从多量子阱吸收层起顺序地设置在多量子阱吸收层上的n型光学限制层、n型光学波导层、多量子阱有源层、p型光学波导层和p型光学限制层。
进一步地，所述多量子阱吸收层的禁带宽度小于多量子阱有源层的禁带宽度。
进一步地，所述多量子阱吸收层为InxGa1-xN/GaN材料，其中，x为0.16～0.25。
进一步地，所述n型光学限制层和所述p型光学限制层均为超晶格结构的AlxGa1- xN/GaN材料，其中，x为0.05～0.1；所述n型光学波导层和所述p型光学波导层均为InxGa1-xN材料，其中，x为0.01～0.03；所述多量子阱有源层为InxGa1-xN/GaN材料，其中，x为0.15～0.17；所述p型欧姆接触层为GaN材料。
进一步地，所述多量子阱吸收层为InxGa1-xN/GaN材料，其中，x为0.16～0.25；所述多量子阱有源层为InxGa1-xN/GaN材料，其中，x为0.15～0.17；其中，多量子阱有源层中In的组分小于多量子阱吸收层中In的组分。
进一步地，所述多量子阱吸收层的量子阱数量为2至10。
根据本发明的另一方面，提供了一种氮化镓基半导体激光器的制作方法，包括：在衬底上依次形成多量子阱吸收层、n型光学限制层、n型光学波导层、多量子阱有源层、p型光学波导层、p型光学限制层，其中，多量子阱吸收层用于吸收由n型光学限制层、n型光学波导层、多量子阱有源层、p型光学波导层和p型光学限制层组成的波导结构泄漏到衬底中的光。
进一步地，所述制作方法还包括：在p型光学限制层上形成p型欧姆接触层。
进一步地，所述多量子阱吸收层的禁带宽度小于多量子阱有源层的禁带宽度。
进一步地，所述多量子阱吸收层为InxGa1-xN/GaN材料，其中，x为0.16～0.25。
进一步地，所述n型光学限制层和所述p型光学限制层均为超晶格结构的AlxGa1- xN/GaN材料，其中，x为0.05～0.1；所述n型光学波导层和所述p型光学波导层均为InxGa1-xN材料，其中，x为0.01～0.03；所述多量子阱有源层为InxGa1-xN/GaN材料，其中，x为0.15～0.17；所述p型欧姆接触层为GaN材料。
进一步地，多量子阱有源层中In的组分小于多量子阱吸收层中In的组分。
进一步地，所述多量子阱吸收层的量子阱数量为2至10。
本发明的氮化镓基半导体激光器及其制作方法，未出现衬底模式，改善了远场光斑。
附图说明
通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，其中：
图1是根据本发明的第一实施例的氮化镓基半导体激光器的结构示意图。
图2是根据本发明的第二实施例的氮化镓基半导体激光器的结构示意图。
具体实施方式
以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。
本发明的氮化镓基半导体激光器包括衬底及从衬底起顺序地设置在衬底上的n型光学限制层、n型光学波导层、多量子阱有源层、p型光学波导层、p型光学限制层和p型欧姆接触层，其中，为了吸收由n型光学限制层、n型光学波导层、多量子阱有源层、p型光学波导层和p型光学限制层组成的波导结构泄漏到衬底中的光，本发明的氮化镓基半导体激光器还包括设置在衬底与n型光学限制层之间的多量子阱吸收层。
衬底可采用氮化镓材料；其中，采用氮化镓材料的衬底的厚度约为2000nm，并且可采用Si作为施主杂质将衬底形成n型衬底。作为其他实施方式，衬底也可采用蓝宝石或碳化硅（SiC）等。
多量子阱吸收层可采用InxGa1-xN/GaN材料，其中，x为0.16～0.25。采用InxGa1-xN/GaN材料的多量子阱吸收层的厚度约为10nm。此外，多量子阱吸收层的禁带宽度小于多量子阱有源层的禁带宽度。另外，多量子阱吸收层的量子阱数目可以为2至10，以确保多量子阱吸收层能够有效地吸收由所述波导结构泄漏到衬底中的光。
n型光学限制层为超晶格结构的周期性AlxGa1-xN/GaN材料，其中，x可为0.05～0.1。此外，n型光学限制层的厚度可为700nm～800nm。
n型光学波导层为InxGa1-xN材料，其中，x可为0.01～0.03。此外，n型光学波导层的厚度可约为80nm。
多量子阱有源层为InxGa1-xN/GaN材料，其中，x可为0.15～0.17。此外，多量子阱有源层的厚度可为20nm～30nm。此外，为了确保多量子阱吸收层能够有效地吸收由所述波导结构泄漏到衬底中的光，多量子阱有源层中In的组分要小于多量子阱吸收层中In的组分。
p型光学波导层为InxGa1-xN材料，其中，x可为0.01～0.03。此外，p型光学波导层的厚度可约为80nm。
p型光学限制层为超晶格结构的周期性AlxGa1-xN/GaN材料，其中，x可为0.05～0.1。此外，p型光学限制层的厚度可为500nm～600nm。
p型欧姆接触层为GaN材料，其中，p型欧姆接触层的厚度可为20nm～25nm。
以下，将参照图1和图2对本发明的实施例进行详细的描述。
图1是根据本发明的第一实施例的氮化镓基半导体激光器的结构示意图。
参照图1，根据本发明的第一实施例的氮化镓基半导体激光器可为氮化镓基蓝光激光器，其可产生工作波长约为440nm的激光。
根据本发明的第一实施例的氮化镓基半导体激光器可包括衬底101及从衬底101起顺序地设置在衬底101上的n型光学限制层102、n型光学波导层103、多量子阱有源层104、p型光学波导层105、p型光学限制层106和p型欧姆接触层107，其中，为了吸收由n型光学限制层102、n型光学波导层103、多量子阱有源层104、p型光学波导层105和p型光学限制层106组成的波导结构泄漏到衬底101中的光，根据本发明的第一实施例的氮化镓基半导体激光器还可包括设置在衬底101与n型光学限制层102之间的多量子阱吸收层108。
衬底101可采用氮化镓材料；其中，采用氮化镓材料的衬底101的厚度为2000nm，并且可采用Si作为施主杂质将衬底101形成n型衬底。
多量子阱吸收层108可采用InxGa1-xN/GaN材料，其中，x为0.16。采用In0.16Ga0.84N/GaN材料的多量子阱吸收层108的厚度可约为9nm。此外，多量子阱吸收层108的禁带宽度小于多量子阱有源层104的禁带宽度。另外，多量子阱吸收层108的量子阱数目可为2，以确保多量子阱吸收层108能够有效地吸收由n型光学限制层102泄漏到衬底101中的光。
n型光学限制层102可为超晶格结构的周期性Al0.08Ga0.92N/GaN材料，其中，n型光学限制层102的厚度可为800nm。
n型光学波导层103可为In0.02Ga0.98N材料，其中，n型光学波导层103的厚度可为80nm。
多量子阱有源层104可为InxGa1-xN/GaN材料，其中，x为0.15。此外，多量子阱有源层104的厚度可为20nm。此外，为了确保多量子阱吸收层108能够有效地吸收由所述波导结构泄漏到衬底中的光，多量子阱有源层104中In的组分要小于多量子阱吸收层108中In的组分。
p型光学波导层105可为In0.02Ga0.98N材料，其中，p型光学波导层105的厚度可为80nm。
p型光学限制层106可以为超晶格结构的周期性Al0.08Ga0.92N/GaN材料，其中，p型光学限制层106的厚度可为500nm。
p型欧姆接触层107可为GaN材料，其中，p型欧姆接触层107的厚度可为23nm。
根据本发明的第一实施例的氮化镓基半导体激光器未出现衬底模式，改善了远场光斑。
图2是根据本发明的第二实施例的氮化镓基半导体激光器的结构示意图。
参照图2，根据本发明的第二实施例的氮化镓基半导体激光器可为氮化镓基紫光激光器，其可产生工作波长约为405nm的激光。
根据本发明的第二实施例的氮化镓基半导体激光器可包括衬底201及从衬底201起顺序地设置在衬底201上的n型光学限制层202、n型光学波导层203、多量子阱有源层204、p型光学波导层205、p型光学限制层206和p型欧姆接触层207，其中，为了吸收由n型光学限制层202、n型光学波导层203、多量子阱有源层204、p型光学波导层205和p型光学限制层206组成的波导结构泄漏到衬底201中的光，根据本发明的第二实施例的氮化镓基半导体激光器还可包括设置在衬底201与n型光学限制层202之间的多量子阱吸收层208。
衬底201可采用氮化镓材料；其中，采用氮化镓材料的衬底201的厚度为2000nm，并且可采用Si作为施主杂质将衬底201形成n型衬底。
多量子阱吸收层208可采用InxGa1-xN/GaN材料，其中，x为0.2。采用In0.16Ga0.84N/GaN材料的多量子阱吸收层208的厚度可约为10nm。此外，多量子阱吸收层208的禁带宽度小于多量子阱有源层204的禁带宽度。另外，多量子阱吸收层208的量子阱数目可为10，以确保多量子阱吸收层208能够有效地吸收由n型光学限制层202泄漏到衬底201中的光。
n型光学限制层202可为超晶格结构的周期性Al0.08Ga0.92N/GaN材料，其中，n型光学限制层102的厚度可为700nm。
n型光学波导层203可为In0.02Ga0.98N材料，其中，n型光学波导层203的厚度可为80nm。
多量子阱有源层204可为InxGa1-xN/GaN材料，其中，x为0.17。此外，多量子阱有源层104的厚度可为30nm。此外，为了确保多量子阱吸收层108能够有效地吸收由所述波导结构泄漏到衬底中的光，多量子阱有源层204中In的组分要小于多量子阱吸收层208中In的组分。
p型光学波导层205可为In0.02Ga0.98N材料，其中，p型光学波导层205的厚度可为80nm。
p型光学限制层206可以为超晶格结构的周期性Al0.08Ga0.92N/GaN材料，其中，p型光学限制层206的厚度可为600nm。
p型欧姆接触层207可为GaN材料，其中，p型欧姆接触层207的厚度可为20nm。
根据本发明的第二实施例的氮化镓基半导体激光器未出现衬底模式，改善了远场光斑。
以下，将对制作本发明的实施例氮化镓基半导体激光器的方法进行详细说明。
在本发明中，可利用金属有机化合物化学气相沉淀（Metal-organic ChemicalVapor Deposition，MOCVD）设备、分子束外延（Molecular Beam Epitaxy，MBE）设备或者其他合适类型的设备来制作本发明的实施例的氮化镓基半导体激光器。
本发明的实施例氮化镓基半导体激光器的制作方法包括：在衬底上依次形成多量子阱吸收层、n型光学限制层、n型光学波导层、多量子阱有源层、p型光学波导层、p型光学限制层。其中，多量子阱吸收层用于吸收由n型光学限制层、n型光学波导层、多量子阱有源层、p型光学波导层和p型光学限制层组成的波导结构泄漏到衬底中的光。
进一步地，本发明的实施例氮化镓基半导体激光器的制作方法还包括：在p型光学限制层上形成p型欧姆接触层。
衬底可采用氮化镓材料；其中，采用氮化镓材料的衬底的厚度约为2000nm，并且可采用Si作为施主杂质将衬底形成n型衬底。作为其他实施方式，衬底也可采用蓝宝石或碳化硅（SiC）等。
多量子阱吸收层可采用InxGa1-xN/GaN材料，其中，x为0.16～0.25。在本实施例，x可为0.16或0.2。采用InxGa1-xN/GaN材料的多量子阱吸收层的厚度约为10nm。此外，多量子阱吸收层的禁带宽度小于多量子阱有源层的禁带宽度。另外，多量子阱吸收层的量子阱数目可以为2至10，以确保多量子阱吸收层能够有效地吸收由所述波导结构泄漏到衬底中的光。在本实施例中，多量子阱吸收层的量子阱数目可以为2或10。
n型光学限制层为超晶格结构的周期性AlxGa1-xN/GaN材料，其中，x可为0.05～0.1。在本实施例中，x为0.08。此外，n型光学限制层的厚度可为700nm～800nm。
n型光学波导层为InxGa1-xN材料，其中，x可为0.01～0.03。在本实施例中，x为0.02。此外，n型光学波导层的厚度可约为80nm。
多量子阱有源层为InxGa1-xN/GaN材料，其中，x可为0.15～0.17。在本实施例中，x为0.15或0.17。此外，多量子阱有源层的厚度可为20nm～30nm。此外，为了确保多量子阱吸收层能够有效地吸收由所述波导结构泄漏到衬底中的光，多量子阱有源层中In的组分要小于多量子阱吸收层中In的组分。例如，如果多量子阱有源层中In的组分为0.15，则多量子阱吸收层中In的组分为0.16。如果多量子阱有源层中In的组分为0.17，则多量子阱吸收层中In的组分为0.2。
p型光学波导层为InxGa1-xN材料，其中，x可为0.01～0.03。在本实施例中，x为0.02。此外，p型光学波导层的厚度可约为80nm。
p型光学限制层为超晶格结构的周期性AlxGa1-xN/GaN材料，其中，x可为0.05～0.1。在本实施例中，x为0.08。此外，p型光学限制层的厚度可为500nm～600nm。
p型欧姆接触层为GaN材料，其中，p型欧姆接触层的厚度可为20nm～25nm。虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。
Claims (8)
1.一种氮化镓基半导体激光器，包括衬底及设置在衬底上的波导结构，其特征在于，还包括设置在衬底与波导结构之间的多量子阱吸收层，其中，多量子阱吸收层用于吸收由波导结构泄漏到衬底中的光；所述波导结构包括依次形成于所述多量子阱吸收层上的n型光学限制层、n型光学波导层、多量子阱有源层、p型光学波导层和p型光学限制层；多量子阱吸收层的禁带宽度小于多量子阱有源层的禁带宽度。
2.根据权利要求1所述的氮化镓基半导体激光器，其特征在于，所述氮化镓基半导体激光器还包括设置在所述波导结构上的p型欧姆接触层。
3.根据权利要求1所述的氮化镓基半导体激光器，其特征在于，所述多量子阱吸收层为InxGa1-xN/GaN材料，其中，x为0.16～0.25。
4.根据权利要求2所述的氮化镓基半导体激光器，其特征在于，所述n型光学限制层和所述p型光学限制层均为超晶格结构的AlxGa1-xN/GaN材料，其中，x为0.05～0.1；所述n型光学波导层和所述p型光学波导层均为InxGa1-xN材料，其中，x为0.01～0.03；所述多量子阱有源层为InxGa1-xN/GaN材料，其中，x为0.15～0.17；所述p型欧姆接触层为GaN材料。
5.根据权利要求2所述的氮化镓基半导体激光器，其特征在于，所述多量子阱吸收层为InxGa1-xN/GaN材料，其中，x为0.16～0.25；所述多量子阱有源层为InxGa1-xN/GaN材料，其中，x为0.15～0.17；其中，多量子阱有源层中In的组分小于多量子阱吸收层中In的组分。
6.根据权利要求1所述的氮化镓基半导体激光器，其特征在于，所述多量子阱吸收层的量子阱数量为2至10。
7.权利要求1至6任一项所述的氮化镓基半导体激光器的制作方法，包括：在衬底上依次形成多量子阱吸收层、n型光学限制层、n型光学波导层、多量子阱有源层、p型光学波导层、p型光学限制层，其中，多量子阱吸收层用于吸收由n型光学限制层、n型光学波导层、多量子阱有源层、p型光学波导层和p型光学限制层组成的波导结构泄漏到衬底中的光；多量子阱吸收层的禁带宽度小于多量子阱有源层的禁带宽度。
8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，还包括：在p型光学限制层上形成p型欧姆接触层。
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| CN104953467A (zh) | 2015-09-30 |
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