CN105048286A - 氮化镓基激光二极管及其制备方法 - Google Patents

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张洁
叶孟欣
刘建明
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    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser

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Abstract

本发明公开一种氮化镓基激光二极管及其制作方法，包括：衬底、n型层、n型限制层、n型波导层、有源层、p型波导层、p型限制层和p型层，其特征在于：所述n型限制层包括第一n型限制层和第二n型限制层构成的堆叠结构。采用AlN/AlGaN超晶格作为n型限制层底层，可以有效地提高n型限制层的Al组分，降低激光器激射阈值；有效地预防外延层开裂，提高产品良率。

Description

氮化镓基激光二极管及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体光电器件制备领域，尤其涉及一种氮化镓基激光二极管及其制备方法。
背景技术
激光二极管(Laserdiode，简称LD)在准直性，光纯度等方面的优势，受到广泛关注，并在许多技术领域有不可替代的应用。特别是基于氮化镓材料的LD，由于其波长范围理论上覆盖了整个可见光波段和紫外波段，因此成为目前LD发展的重要方向。氮化镓材料蓝光和绿光LD技术在研究上取得了很大的进步，但是其应用还困扰于制备困难而没有广泛应用。尤其是绿光LD，国内尚未实现其电注入的激射。目前LD的发光效率相对较低，电激射困难，从外延结构而言，进一步提高LD限制层Al组分以降低激发阈值是非常重要的。
传统的激光二极管限制层为AlGaN层。为了在更长波长时实现激射，此n型AlGaN层需要更高的Al组分或者更厚以实现更好的光限制。而Al组分较高或者厚度过厚时外延薄膜会开裂。此外，由于外延层生长在GaN层之上，应力限制了Al的并入效率，使较高Al组分的限制层更难获得。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于：提出一种氮化镓基激光二极管及制备方法。
为解决以上技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种氮化镓激光二极管结构，包括：衬底、n型层、n型限制层、n型波导层、有源层、p型波导层、p型限制层和p型层，其特征在于：所述n型限制层包括第一n型限制层和第二n型限制层构成的堆叠结构。
优选的，所述第一n型限制层为AlN，第二n型限制层为AlGaN，所述堆叠结构为超晶格结构。
优选的，所述第一n型限制层为AlN/AlGaN超晶格结构，所述第二n型限制层为AlGaN。
优选的，所述超晶格结构中AlGaN的Al组分不高于20%。
优选的，所述超晶格结构中AlGaN厚度为10~30?，AlN厚度为2~10?。
优选的，所述超晶格结构的周期数为10~30个。
优选的，所述激光二极管发光波长为蓝光至绿光波段。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种氮化镓基激光二极管的制备方法，其工艺步骤包括：
在一衬底之上形成n型层；
在所述n型层上形成n型限制层，所述n型限制层包括第一n型限制层和第二n型限制层构成的堆叠结构；
在所述n型限制层上形成n型波导层；
在所述n型波导层上形成多量子阱有源层；
在所述有源层上形成p型波导层；
在所述p型波导层上形成p型限制层；
在所述p型限制层上形成p型层。
优选的，所述第一n型限制层为AlN，第二n型限制层为AlGaN，所述堆叠结构为超晶格结构。
优选的，所述第一n型限制层为AlN/AlGaN超晶格结构，所述第二n型限制层为AlGaN。
本发明至少具有以下有益效果：（1）通过改善n型限制层的设计，在n型限制层中引入AlN/AlGaN超晶格结构，可以有效提高n型限制层中的Al组分，降低激射阈值，因而更容易实现绿光激光器的激射；（2）采用AlN/AlGaN超晶格作为n型限制层的底层结构，可以有效预防后续外延层（尤其是n型限制层）的开裂，可以极大地提高成品率。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1为本发明之氮化物激光二极管侧视图。
图2为图1中AlN/AlGaN超晶格结构示意图。
图中各标号表示如下：1.衬底；2.n型层；31.第一n型限制层；311.AlGaN层；312.AlN层；32.第二n型限制层；4.n型波导层；5.有源层；51.量子阱；52.量子垒；6.p型波导层；7.p型限制层；8.p型层；9.p型接触层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
请参看附图1，一种氮化镓基激光二极管，自下而上一般包括：衬底1、n型层2、第一n型限制层31、第二n型限制层32、n型波导层4、多量子阱有源层5、p型波导层6、p型限制层7、p型层8和p型接触层9，激光二极管发光波长为蓝光至绿光波段。
具体地，衬底1的材料可选择氧化铝单晶(Sapphire)、SiC(6H-SiC或4H-SiC)、Si、GaAs、GaN衬底或者晶格常数接近于氮化物半导体的单晶氧化物。
n型层2的材料为氮化铝镓铟(Al1-x-yGaxInyN)，其中0≦X＜1，0≦Y＜1。
n型限制层包括第一n型限制层31和第二n型限制层32构成的堆叠结构。第一n型限制层31材料为AlN/Al1-xGaxN超晶格，其中0＜X＜0.2，即AlGaN的Al组分不高于20%。如图2所示，AlN/Al1-xGaxN超晶格中Al1-xGaxN层311的厚度15?，AlN层312的厚度5?，超晶格为20个周期。第二n型限制层32材料为Al1-xGaxN，其中0.05≦X＜0.4。
n型波导层4为In1-xGaxN，其中0≦X＜1。
多量子阱有源层5由InGaN量子阱51与GaN量子垒52组成，其中InGaN量子阱51的厚度范围为5?~30?、In组份为0.15~0.7，GaN量子垒52的厚度范围为50?~200?。
p型波导层6材料为In1-xGaxN，其中0≦X＜1。
p型限制层7材料为Al1-xGaxN，其中0≦X＜1。
p型层8材料为镁掺杂(Mg-doped)之氮化镓，其厚度范围为100?~4000?。
p型接触层9材料为镁掺杂(Mg-doped)之氮化镓，其厚度范围为5?~100?。
前述氮化镓基激光二极管的制作方法，包括步骤：1）在衬底1上生长n型层2；2）在n型层2上生长第一n型限制层31；3）在第一n型限制层31上生长第二n型限制层32；4）在第二n型限制层32上生长n型波导层4；5）在n型波导层4上生长有源层5；6）在有源层5上生长p型波导层6；7）在p型波导层6上生长p型限制层7；8）在p型限制层7上生长p型层8；9）在p型层8上生长p型接触层9。
具体地，在n型层生长结束后，生长n型限制层和n型波导层，首先降温至900~1000℃，腔体压力降低至50~100torr进行第一n型限制层的生长。生长AlN/AlGaN超晶格期间温度和压力不变，通过切换气体组分实现超晶格结构生长。结束后提高Al源气体流量并调整温度至AlGaN生长温度生长第二n型限制层。结束后降低温度至700~850℃，腔体压力升高至200~500torr生长n型波导层。生长结束后降温并将腔体压力调整至合适参数进行多量子阱结构外延。生长结束后升温进行p型波导层外延。完成后调整温度、压力和气体流量进行p型限制层外延。再进行p型层外延，其成长温度介于800℃~1000℃，之后进行p型接触层外延，其成长温度介于800℃~900℃。至此外延结构生长结束。
在本发明中，采用AlN/AlGaN超晶格作为n型限制层底层，可以有效地提高n型限制层的Al组分，降低激光器激射阈值；有效地预防外延层开裂，提高产品良率。
需要说明的是，虽然上述实施例示出的n型限制层包括第一n型限制层（AlN/AlGaN超晶格）和第二n型限制层（AlGaN）构成的堆叠结构，实际上，该堆叠结构也可以是由AlN第一n型限制层与AlGaN第二n型限制层交替形成超晶格结构。此外，虽然上述实施例示出的激光二极管发光波长为蓝光，其发光波长还可以为绿光，或是在蓝光至绿光波段之内。
应当理解的是，上述具体实施方案为本发明的优选实施例，本发明的范围不限于该实施例，凡依本发明所做的任何变更，皆属本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.氮化镓基激光二极管，包括：衬底、n型层、n型限制层、n型波导层、有源层、p型波导层、p型限制层和p型层，其特征在于：所述n型限制层包括第一n型限制层和第二n型限制层构成的堆叠结构。
2.根据权利要求1所述的氮化镓基激光二极管，其特征在于：所述第一n型限制层为AlN，第二n型限制层为AlGaN，所述堆叠结构为超晶格结构。
3.根据权利要求1所述的氮化镓基激光二极管，其特征在于：所述第一n型限制层为AlN/AlGaN超晶格结构，所述第二n型限制层为AlGaN。
4.根据权利要求2或3所述的氮化镓基激光二极管，其特征在于：所述超晶格结构中AlGaN的Al组分不高于20%。
5.根据权利要求2或3所述的氮化镓基激光二极管，其特征在于：所述超晶格结构中AlGaN厚度为10~30?，AlN厚度为2~10?。
6.氮化镓基激光二极管的制备方法，其工艺步骤包括：
在一衬底之上形成n型层；
在所述n型层上形成n型限制层，所述n型限制层包括第一n型限制层和第二n型限制层构成的堆叠结构；
在所述n型限制层上形成n型波导层；
在所述n型波导层上形成多量子阱有源层；
在所述有源层上形成p型波导层；
在所述p型波导层上形成p型限制层；
在所述p型限制层上形成p型层。
7.根据权利要求1所述的氮化镓基激光二极管的制备方法，其特征在于：所述第一n型限制层为AlN，第二n型限制层为AlGaN，所述堆叠结构为超晶格结构。
8.根据权利要求1所述的一种氮化镓基激光二极管的制备方法，其特征在于：所述第一n型限制层为AlN/AlGaN超晶格结构，所述第二n型限制层为AlGaN。
9.根据权利要求7或8所述的氮化镓基激光二极管的制备方法，其特征在于：所述超晶格结构的生长温度为900℃~1000℃。
10.根据权利要求7或8所述的氮化镓基激光二极管的制备方法，其特征在于：所述超晶格结构的生长压力为50torr~200torr。
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