CN105356297B - 一种GaN基激光器和相应制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于半导体激光器领域，提供了一种GaN基激光器和相应制造方法，所述方法包括：在衬底上生长非掺的GaN层；在所述非掺的GaN层上生长非掺的AlGaN/GaN超晶格层；在所述非掺的AlGaN/GaN超晶格层上生长多量子阱有源区；分别向用于转化为P型电流注入层和N型电流注入层的量子阱区域注入Mg和Si；退火活化所述Mg离子和Si离子；在没有注入Mg或Si的量子阱区域沉积生成上限制层。本发明实施例通过注入的方法形成P型和N型电流注入层，因此对上限制层材料的导电性无要求，因此可低温生长沉积ITO、SiO2、Al2O3、SiN和TiO2等低折射率材料，形成上限制层，限制光场。

Description

一种GaN基激光器和相应制造方法
技术领域
本发明属于半导体激光器领域，尤其涉及一种GaN基激光器和相应制造方法。
背景技术
半导体激光器由于制作简单，体积小，重量轻，寿命长，效率高等，在照明、光通信、光泵浦和光存储等领域得到广泛应用。GaN基激光器的出现，填补了激光器可见光波段的空白，利用GaN基激光器输出的蓝光和绿光，结合红光激光器，可以组成光的三基色，具有广阔的应用前景。然而目前GaN基激光器的输出功率较小，限制了GaN基激光器的应用，业界一直致力于提升GaN基激光器的性能，提高激光器的效率。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种GaN基激光器和相应制造方法，以解决现有技术输出功率较小的问题。
本发明实施例是这样实现的：
一方面，本发明实施例提供了一种GaN基激光器和相应制造方法，所述方法包括以下步骤：
在衬底上生长非掺的GaN层；
在所述非掺的GaN层上生长非掺的AlGaN/GaN超晶格层；
在所述非掺的AlGaN/GaN超晶格层上生长多量子阱有源区；
分别向用于转化为P型电流注入层和N型电流注入层的量子阱区域注入Mg和Si；
退火活化所述Mg离子和Si离子；
在没有注入Mg或Si的量子阱区域沉积生成上限制层。
优选的，所述的衬底包括蓝宝石衬底、Si衬底、SiC衬底或GaN衬底。
优选的，注入Mg和Si的区域分布在多量子阱的左右两侧。
优选的，所述退火温度为500-1200℃。
优选的，所述退火过程中还使用保护气，所述保护气具体包括：氮气、氩气、氦气和氧气中的一种或者多种组合。
优选的，所述的上限制层包括ITO、SiO2、Al2O3、SiN和TiO2中的任意一种。
另一方面，本发明实施例提供了一种GaN基激光器，所述激光器由下到上包括衬底、非掺的GaN层、非掺的AlGaN/GaN超晶格层、多量子阱有源区和上限制层，具体的：
所述多量子阱有源区的左右两侧包括由注入Mg离子和Si离子后退火活化生成的P型电流注入层、N型电流注入层。
优选的，所述的衬底包括蓝宝石衬底、Si衬底、SiC衬底或GaN衬底。
优选的，所述的上限制层包括ITO、SiO2、Al2O3、SiN和TiO2中的任意一种。
本发明实施例提供的一种GaN基激光器和相应制造方法的有益效果包括：本发明实施例通过注入的方法形成P型和N型电流注入层，因此对上限制层材料的导电性无要求，因此可低温生长沉积ITO、SiO2、Al2O3、SiN和TiO2等低折射率材料，形成上限制层，限制光场。与传统GaN基激光器相比，本发明所述的激光器低温形成上限制层，可有效防止生长上限制层对多量子阱的破坏，有效提升多量子阱的界面质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种GaN基激光器制造方法流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种GaN基激光器的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的本发明的GaN基激光器与现有技术激光器的性能比较示意图；
图1中，1为衬底，2为非掺的GaN层，3为非掺的AlGaN/GaN超晶格层，4为多量子阱有源区，5为P型电流注入层，6为N型电流注入层，7为上限制层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
通常GaN基激光器多量子阱中In组分较高，在升温过程中InGaN量子阱容易发生相分离，形成In团簇，影响量子阱的质量。然而为保持激光器中的光限制，需生长约500nm的p-AlGaN/GaN上限制层，因此在生长激光器的P型上限制层时，生长温度不能太高，且生长时间不能过长，否则容易引起热退化，恶化多量子阱的质量，影响激光器的效率。然而低温生长的p-AlGaN/GaN上限制层的晶体质量较差，空穴浓度较低，造成上限制层的电阻较高，激光器的工作电压高，影响了激光器的效率和寿命。
此外，在激光器中需生长一定厚度的光学限制层，以保持对光场的有效限制，通常采用AlGaN/GaN超晶格限制层，实验中发现当Al组分较低时，光场无法完全限制，激光器中存在漏模现象，然而当Al组分较高时，激光器中的应力较大，容易裂片，因此需选择合适的Al组分，同时采用厚p型AlGaN/GaN上限制层，这种限制模式的限制因子较小，不利于激光器的光场限制。现有专利中较少考虑这点，如专利CN 102299482A采用p-AlGaN作为光学限制因子，通过极化掺杂来提高Mg杂质的活化效率，而没有考虑到增强激光器的光场限制；专利CN 1812214A采用p型AlGaN作为光学限制层，谐振器在谐振器端部有离子注入部，立柱注入部为增强激光器腔面的可靠性，以延长激光器的寿命，较少考虑到利用离子注入实现激光器的P型和N型电流注入区，同时没有考虑到增加激光器的光学限制。
为了解决以上问题，本发明设计了一种GaN基激光器和相应制造方法结构，采用离子注入的方法实现P型和N型电流注入，在多量子阱上方通过物理沉积形成上限制层。
实施例一
如图1所示为本发明实施例提供的一种GaN基激光器制造方法，所述制造方法具体包括：
在步骤201中，在衬底上生长非掺的GaN层。
其中，所述的衬底可以使用蓝宝石衬底、Si衬底、SiC衬底或GaN衬底。
在步骤202中，在所述非掺的GaN层上生长非掺的AlGaN/GaN超晶格层。
在步骤203中，在所述非掺的AlGaN/GaN超晶格层上生长多量子阱有源区。
在具体实现方式中，每个多量子阱有源层包括至少一层InGaN量子阱层和GaN垒层。一般为达到实际的发光需求，采用3-8个多量子阱有源层。
在步骤204中，分别向用于转化为P型电流注入层和N型电流注入层的量子阱区域注入Mg和Si。
在步骤205中，退火活化所述Mg离子和Si离子。
以实现如图2所示的结构为例，通过光刻胶掩膜或SiO2掩膜往多量子阱的左右两侧注入Mg和Si离子。其中，所述退火温度为500-1200℃。
在步骤206中，在没有注入Mg或Si的量子阱区域沉积生成上限制层。
其中，所述的上限制层包括ITO、SiO2、Al2O3、SiN和TiO2中的任意一种。此外可根据光学限制要求，通过物理沉积的方法沉积不同反射率的膜系，调节激光器的光型。
本发明实施例通过注入的方法形成P型和N型电流注入层，因此对上限制层材料的导电性无要求，因此可低温生长沉积例如：ITO、SiO2、Al2O3、SiN和TiO2等低折射率材料，形成上限制层，用于限制光场。与传统GaN基激光器相比，本发明所述的激光器低温形成上限制层，可有效防止生长上限制层对多量子阱的破坏，有效提升多量子阱的界面质量。
结合本发明实施例，存在一种优选的方案，如图2所示，注入Mg和Si的区域分布在多量子阱的左右两侧。其效果为：电流从侧向直接注入到多量子阱中，无需通过上限制层，从而减小了激光器的电阻，并降低了激光器的工作电压。
结合本发明实施例，存在一种优选的方案，其中，所述退火过程中还使用保护气，所述保护气具体包括：氮气、氩气、氦气和氧气中的一种或者多种组合。
实施例二
本发明在实施例一中提供了一种GaN基激光器的制造方法。在本发明实施例中还提供了由实施例一所述方法制造出的一种GaN基激光器，所述激光器由下到上包括衬底、非掺的GaN层、非掺的AlGaN/GaN超晶格层、多量子阱有源区和上限制层，具体的：
所述多量子阱有源区的左右两侧包括由注入Mg离子和Si离子后退火活化生成的P型电流注入层、N型电流注入层。
本发明实施例通过注入的方法形成P型和N型电流注入层，因此对上限制层材料的导电性无要求，因此可低温生长沉积例如：ITO、SiO2、Al2O3、SiN和TiO2等低折射率材料，形成上限制层，用于限制光场。与传统GaN基激光器相比，本发明所述的激光器低温形成上限制层，可有效防止生长上限制层对多量子阱的破坏，有效提升多量子阱的界面质量。
结合本发明实施例，存在一种优选的方案，其中，所述的衬底包括蓝宝石衬底、Si衬底、SiC衬底或GaN衬底。
结合本发明实施例，存在一种优选的方案，其中，所述的上限制层包括ITO、SiO2、Al2O3、SiN和TiO2中的任意一种。
本发明实施例还提供了现有技术和本发明技术所提供的GaN基激光器的电流-电压工作曲线对比，如图3所示，在50mA电流下，现有技术生长的激光器工作电压为7.4V，采用新结构生长出的激光器的工作电压为6.7V，比现有技术生长的激光器工作电压降低了10％。
本领域普通技术人员还可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，包括ROM/RAM、磁盘、光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种GaN基激光器的制造方法，其特征在于，所述方法包括：
在衬底上生长非掺的GaN层；
在所述非掺的GaN层上生长非掺的AlGaN/GaN超晶格层；
在所述非掺的AlGaN/GaN超晶格层上生长多量子阱有源区；
分别向用于转化为P型电流注入层和N型电流注入层的量子阱区域注入Mg和Si；
退火活化所述Mg离子和Si离子；
在没有注入Mg或Si的量子阱区域沉积生成上限制层。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述的衬底包括蓝宝石衬底、Si衬底、SiC衬底或GaN衬底。
3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，注入Mg和Si的区域分布在多量子阱的左右两侧。
4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述退火温度为500-1200℃。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述退火过程中还使用保护气，所述保护气具体包括：氮气、氩气、氦气和氧气中的一种或者多种组合。
6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述的上限制层包括ITO、SiO2、Al2O3、SiN和TiO2中的任意一种。
7.一种GaN基激光器，其特征在于，所述激光器由下到上包括衬底、非掺的GaN层、非掺的AlGaN/GaN超晶格层、多量子阱有源区和上限制层，具体的：
所述多量子阱有源区的左右两侧包括由注入Mg离子和Si离子后退火活化生成的P型电流注入层、N型电流注入层。
8.根据权利要求7所述的激光器，其特征在于：所述的衬底包括蓝宝石衬底、Si衬底、SiC衬底或GaN衬底。
9.根据权利要求7所述的激光器，其特征在于：所述的上限制层包括ITO、SiO2、Al2O3、SiN和TiO2中的任意一种。
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