CN105449522B - 一种绿光激光器外延片及其制备方法 - Google Patents

一种绿光激光器外延片及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种绿光激光器外延片，其从下向上的顺序依次包括：蓝宝石衬底、低温成核层、高温非掺杂GaN层、高温n型GaN层、高温n型AlGaN限制层、非掺杂下波导层、InGaN/GaN多量子阱发光层结构、p型AlGaN电子阻挡层、非掺杂上波导层、p型AlGaN限制层、p型GaN层。本发明通过降低V型缺陷的密度，减少高In组分InGaN量子阱中富In区的密度，提高量子阱的In组分均匀性，从而提高绿光激光器中InGaN/GaN多量子阱的热稳定性，为制备高性能的绿光激光器奠定基础。

Description

一种绿光激光器外延片及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，特别是一种绿光激光器外延片及其制备方法。
背景技术
GaN基材料也称为III族氮化物材料(包括InN、GaN、AlN、InGaN、AlGaN等，其禁带宽度范围为0.7-6.2eV)，其光谱覆盖了近红外到深紫外波段，被认为是继Si、GaAs之后的第三代半导体，在光电子学领域有重要的应用价值，尤其以InGaN低维结构为有源区的GaN基半导体激光器可以实现蓝光和绿光激光发射，具有独特的优势。近年来随着高效GaN基蓝光激光器的面世和逐渐成熟，已经开始代替通过倍频技术得到的蓝色激光光源。2009年以来，GaN基绿光激光器也取得很大进展，但是距离实用化还有一定距离。和蓝光激光光源相比，绿光激光器中由于采用更高组分的InGaN量子阱做发光材料。然而随着InGaN中In组分的增加，量子阱的缺陷密度增加(位错及V型缺陷)、In组分波动变强。同时随着InGaN中In组分的增加，InGaN量子阱的热稳定性也会变差。而绿光激光器的p型层的生长时间较长(这是激光器与LED的区别，因为激光器结构中需要生长厚的波导层和限制层)，这会对高In组分的InGaN量子阱造成严重的威胁。所以即使在较低的温度(930-960℃)下生长绿光激光器的p型层，其高In组分的InGaN量子阱也可能会发生分解，造成器件性能的下降。而当量子阱中In组分分布不均匀时，高In组分的区域首先发生分解，成为后续量子阱分解的成核中心，从而加剧量子阱的分解。所以在绿光激光器中生长In组分均匀的量子阱、抑制量子阱区的热分解对器件性能是至关重要的。而在InGaN材料中缺陷附近尤其是V型缺陷正是In富集的地方，所以其密度对绿光激光器中高In组分的InGaN量子阱的热稳定性有重要影响。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明主要目的是提供一种绿光激光器外延片及其制备方法，其是通过更改量子阱区的生长条件及更改激光器外延层结构的方法降低高In组分InGaN量子阱中V型缺陷的密度，提高量子阱中In组分的均匀性，从而提高量子阱的热稳定性。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提出一种绿光激光器外延片的制备方法，该方法包括步骤：步骤1：将蓝宝石衬底在氢气气氛里进行退火，清洁所述衬底表面；步骤2：将温度下降到500-620℃，生长20-30nm厚的低温GaN成核层，为后续生长材料提供成核中心；步骤3：在低温GaN成核层上外延生长高温非掺杂GaN层，为后续材料生长的模板；步骤4：在高温非故意掺杂的GaN层上生长高温n型GaN层；步骤5：在高温n型GaN层上外延高温n型AlGaN限制层；步骤6：在高温n型AlGaN限制层上外延生长非掺杂下波导层，利用n型AlGaN限制层与非掺杂下波导层之间的折射率差使光被限制在波导层中；步骤7：非掺杂下波导层上外延生长InGaN/GaN多量子阱发光层结构，其发光波长在500nm～550nm，生长InGaN/GaN多量子阱发光层时，通过优化生长条件的方式，降低V型缺陷的密度，提高In组分的均匀性，提高外延生长InGaN/GaN多量子阱发光层的热稳定性；步骤8：InGaN/GaN多量子阱发光层结构上外延生长p型AlGaN电子阻挡层；步骤9：p型AlGaN电子阻挡层上外延生长非掺杂上波导层；步骤10：在非掺杂上波导层上外延生长p型AlGaN限制层，利用p型AlGaN限制层与非掺杂下波导层之间的折射率差使光被限制在波导层中；步骤11：在p型AlGaN限制层上外延生长p型GaN层，形成器件结构的欧姆接触层。
根据本发明的另一方面，提出一种绿光激光器外延片，其从下向上的顺序依次包括：蓝宝石衬底、低温成核层、高温非掺杂GaN层、高温n型GaN层、高温n型AlGaN限制层、非掺杂下波导层、InGaN/GaN多量子阱发光层结构、p型AlGaN电子阻挡层、非掺杂上波导层、p型AlGaN限制层、p型GaN层。
(三)有益效果
本发明通过降低V型缺陷的密度，减少高In组分InGaN量子阱中富In区的密度，提高量子阱的In组分均匀性，从而提高绿光激光器中InGaN/GaN多量子阱的热稳定性，为制备高性能的绿光激光器奠定基础。
附图说明
图1本发明提供的绿光激光器外延结构示意图。
图2是本发明提供的具有高稳定性的绿光激光器外延片的制备方法流程图。
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，对本发明进一步详细说明。
本发明提出一种绿光激光器外延片，其结构如图1所示，从下向上的顺序依次包括：蓝宝石衬底10、低温成核层11、高温非掺杂GaN层12、高温n型GaN层13、高温n型AlGaN限制层14、非掺杂下波导层15、InGaN/GaN多量子阱发光层结构16、p型AlGaN电子阻挡层17、非掺杂上波导层18、p型AlGaN限制层19、p型GaN层20。
该绿光激光器外延片的制备方法包括以下具体步骤：
步骤1：将蓝宝石衬底在氢气气氛里进行退火，清洁所述衬底表面。
步骤2：将温度下降到500-620℃，生长20-30nm厚的低温GaN成核层，为后续生长材料提供成核中心；
步骤3：在低温GaN成核层上外延生长高温非掺杂GaN层，为后续材料生长的模板；
步骤4：在高温非故意掺杂的GaN层上生长高温n型GaN层；
步骤5：在高温n型GaN层上外延高温n型AlGaN限制层；
在该步骤，高温n型AlGaN限制层的生长温度为1000-1200℃，厚度为0.1-1μm，Al组分为5％-20％。
步骤6：在高温n型AlGaN限制层上外延生长非掺杂下波导层。
在该步骤，非掺杂下波导层为GaN材料或InGaN材料。其厚度为0.05-0.3μm。利用n型AlGaN限制层与非掺杂下波导层之间的折射率差使光被限制在波导层中传输。
步骤7：非掺杂下波导层上外延生长InGaN/GaN多量子阱发光层结构。
在该步骤中，InGaN/GaN多量子阱发光层结构包括1-5个InGaN/GaN周期结构，其发光波长在500nm～550nm。生长InGaN/GaN多量子阱发光层时，通过优化生长条件及更改激光器外延层结构的方法，降低量子阱区V型缺陷的密度，改善量子阱中In组分的均匀性，提高外延生长InGaN/GaN多量子阱发光层的热稳定性。
优化生长条件及更改激光器外延层结构方法，包括更改量子阱区的生长速率，压力等生长条件，降低V型缺陷的尺寸和密度，从而减少V型缺陷顶部富In区的尺寸和In组分；也包括在生长完InGaN量子阱后加入生长中断，使V型缺陷中的In蒸发掉，降低V型缺陷顶部富In区的In组分。还包括在InGaN/GaN多量子阱发光层结构下面生长预应力层等降低V型缺陷密度的方法。
步骤8：InGaN/GaN多量子阱发光层结构上外延生长p型AlGaN电子阻挡层。
在该步骤，p型AlGaN电子阻挡层生长温度为1000-1200℃，厚度为10-20nm，Al组分为10％-20％，p型AlGaN电子阻挡层可以阻挡电子向p型层中运动，减少泄漏电流。
步骤9：p型AlGaN电子阻挡层上外延生长非掺杂上波导层。
在该步骤，非掺杂上波导层为GaN材料或InGaN材料。其厚度为0.05-0.2μm。
步骤10：在非掺杂上波导层上外延生长p型AlGaN限制层，利用p型AlGaN限制层与非掺杂上波导层之间的折射率差使光被限制在波导层中。
p型AlGaN限制层，其生长温度为1000-1200℃，厚度为0.1-1μm，Al组分为5％-20％。空穴浓度为1×1017cm-3-1×1018cm-3，为了降低器件串联电阻，提高器件性能，P型AlGaN限制层也可以改为P型AlGaN/GaN超晶格结构。
步骤11：在p型AlGaN限制层上外延生长p型GaN层，形成器件结构的欧姆接触层。
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，所应理解的是，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 (8)

1.一种绿光激光器外延片的制备方法，该方法包括步骤：
步骤1：将蓝宝石衬底在氢气气氛里进行退火，清洁所述衬底表面；
步骤2：将温度下降到500-620℃，生长20-30nm厚的低温GaN成核层，为后续生长材料提供成核中心；
步骤3：在低温GaN成核层上外延生长高温非掺杂GaN层，为后续材料生长的模板；
步骤4：在高温非故意掺杂的GaN层上生长高温n型GaN层；
步骤5：在高温n型GaN层上外延高温n型AlGaN限制层；
步骤6：在高温n型AlGaN限制层上外延生长非掺杂下波导层，利用n型AlGaN限制层与非掺杂下波导层之间的折射率差使光被限制在波导层中；
步骤7：非掺杂下波导层上外延生长InGaN/GaN多量子阱发光层结构，其发光波长在500nm～550nm，生长InGaN/GaN多量子阱发光层时，通过优化生长条件的方式，抑制V型缺陷的形成，改善In组分的均匀性，提高外延生长InGaN/GaN多量子阱发光层的热稳定性；
步骤8：InGaN/GaN多量子阱发光层结构上外延生长p型AlGaN电子阻挡层；
步骤9：p型AlGaN电子阻挡层上外延生长非掺杂上波导层；
步骤10：在非掺杂上波导层上外延生长p型AlGaN限制层，利用p型AlGaN限制层与非掺杂上波导层之间的折射率差使光被限制在波导层中；
步骤11：在p型AlGaN限制层上外延生长p型GaN层，形成器件结构的欧姆接触层；
其中，所述的高温n型AlGaN限制层的生长温度为1000-1200℃，厚度为0.1-1μm，Al组分为5％-20％；
所述p型AlGaN限制层，其生长温度为1000-1200℃，厚度为0.1-1μm，Al组分为5％-20％，空穴浓度为1×1017cm-3-1×1018cm-3，为了降低器件串联电阻，提高器件性能，P型AlGaN限制层可改为P型AlGaN/GaN超晶格结构。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的非掺杂下波导层为GaN材料或InGaN材料，其厚度为0.05-0.3μm，利用n型AlGaN限制层与非掺杂下波导层之间的折射率差使光被限制在波导层中传输。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的InGaN/GaN多量子阱发光层结构包括1-5个InGaN/GaN周期结构，其发光波长在500nm～550nm，生长InGaN/GaN多量子阱发光层时，通过优化生长条件及更改激光器外延层结构的方式，抑制V型缺陷的形成，改善InGaN量子阱中铟组分的均匀性，提高外延生长InGaN/GaN多量子阱发光层的热稳定性。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述优化生长条件及更改激光器外延层结构方式，包括更改量子阱区的生长速率或压力生长条件，降低V型缺陷的尺寸和密度，从而减少V型缺陷顶部富In区的尺寸和In组分；也包括在生长完InGaN量子阱后加入生长中断，使V型缺陷中的In蒸发掉，降低V型缺陷下方富In区的In组分，还包括在InGaN/GaN多量子阱发光层结构下面生长预应力层等降低V型缺陷密度的方法。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的p型AlGaN电子阻挡层生长温度为1000-1200℃，厚度为10-20nm，Al组分为10％-20％，p型AlGaN电子阻挡层可以阻挡电子向p型层中运动，减少泄漏电流。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非掺杂上波导为GaN材料或InGaN材料，其厚度为0.05-0.3μm。
7.一种由权利要求1所述方法制备的绿光激光器外延片，其从下向上的顺序依次包括：蓝宝石衬底、低温成核层、高温非掺杂GaN层、高温n型GaN层、高温n型AlGaN限制层、非掺杂下波导层、InGaN/GaN多量子阱发光层结构、p型AlGaN电子阻挡层、非掺杂上波导层、p型AlGaN限制层、p型GaN层。
8.根据权利要求7所述的绿光激光器外延片，其特征在于，在温度500-620℃，生长20-30nm厚的低温GaN成核层，在低温GaN成核层上外延生长高温非掺杂GaN层，在高温非故意掺杂的GaN层上生长高温n型GaN层，在高温n型GaN层上外延高温n型AlGaN限制层，在高温n型AlGaN限制层上外延生长非掺杂下波导层，利用n型AlGaN限制层与非掺杂下波导层之间的折射率差使光被限制在波导层中，非掺杂下波导层上外延生长InGaN/GaN多量子阱发光层结构，其发光波长在500nm～550nm，生长InGaN/GaN多量子阱发光层时，通过优化生长条件的方法，抑制V型缺陷形成，改善In组分的均匀性，提高外延生长InGaN/GaN多量子阱发光层的热稳定性，InGaN/GaN多量子阱发光层结构上外延生长p型AlGaN电子阻挡层，p型AlGaN电子阻挡层上外延生长非掺杂上波导层，在非掺杂上波导层上外延生长p型AlGaN限制层，利用p型AlGaN限制层与非掺杂下波导层之间的折射率差使光被限制在波导层中，在p型AlGaN限制层上外延生长p型GaN层，形成器件结构的欧姆接触层。
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