CN105790072A - 半导体激光器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体激光器，包括叠层设置的N型氮化镓层、N型铝镓氮层、N型铟镓氮层、多量子阱结构层、P型铟镓氮层、P型铝镓氮层和P型氮化镓层，其中，多量子阱结构层中的多个铟镓氮垒层具有倾斜量子垒结构，即在多个铟镓氮垒层中，沿着由P型氮化镓层指向N型氮化镓层的方向，多个铟镓氮垒层中铟的摩尔含量递减。该半导体激光器的制备方法为在生长多量子阱结构层的过程中，通过调节外延生长参数，使得在多量子阱结构层中，沿着由P型氮化镓层指向N型氮化镓层的方向，多个铟镓氮垒层中铟的摩尔含量递减。本发明通过设置倾斜量子垒结构，减小了极化效应，降低了空穴迁移的势垒，减少了电子的泄露，从而降低激射阈值电流密度。

Description

半导体激光器及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体器件领域，具体地讲，涉及一种半导体激光器及其制备方法。

背景技术

在氮化镓基发光器件中，由于空穴有效质量大，导致载流子在多量子阱中分布不均匀。通常多量子阱的发光主要来源于靠近P型层的1～2个量子阱，但当注入电流密度较高时，量子阱会出现效率下降的问题。C面上生长的量子阱内还存在一个极化势场，使得导带和价带在阱内发生倾斜，电子和空穴在空间上分离，降低阱内辐射复合的效率。

具体言之，当注入电流密度较高时，由于空穴主要分布在靠近P型层的1～2个阱中，那么这些阱中的载流子密度会随着注入电流密度的增加而增加。俄歇复合的速率与载流子密度的3次方成正比，那么高的载流子密度会导致俄歇复合迅速增加，这样发光效率会随着注入电流密度的增加而下降。同时，电子泄露也会加剧发光效率的下降。

在传统的铟镓氮/氮化镓多量子阱半导体激光器中，其有源区附近的能带示意图如图1所示，阱层101使用铟镓氮，垒层103使用氮化镓，102和104分别是上、下铟镓氮波导层。在这种结构中，由于垒对空穴的阻挡限制作用，空穴通常主要只分布在靠近P型层的1～2个量子阱中，电子阻挡层105与多量子阱结构的带阶差较小，对电子泄露的阻挡作用有限。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种半导体激光器，该半导体激光器具有倾斜量子垒结构，其可抑制大电流密度注入下自发辐射复合效率的下降，降低激射阈值电流密度。

为了达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种半导体激光器，至少包括叠层设置的N型氮化镓层、N型铝镓氮层、N型铟镓氮层、多量子阱结构层、P型铟镓氮层、P型铝镓氮层和P型氮化镓层，所述多量子阱结构层包括交替叠层设置的多个铟镓氮阱层和多个铟镓氮垒层，所述多个铟镓氮垒层具有倾斜量子垒结构；其中，所述倾斜量子垒结构是指在所述多个铟镓氮垒层中，沿着由所述P型氮化镓层指向所述N型氮化镓层的方向，所述多个铟镓氮垒层中铟的摩尔含量递减。

进一步地，所述多量子阱结构层包括多对量子阱结构；其中，所述量子阱结构包括沿着由所述P型铟镓氮层指向所述N型铟镓氮层的方向依次叠层设置的一铟镓氮垒层和一铟镓氮阱层。

进一步地，所述多量子阱结构还包括一种衍生结构，即是若干临近于所述N型铟镓氮层的垒层设置为氮化镓，临近所述P型铟镓氮层的垒层为具有所述倾斜量子垒结构的铟镓氮垒层，并且每一垒层均设置有相应的一铟镓氮阱层。

进一步地，所述量子阱结构的数量为2对～5对。

进一步地，在所述多量子阱结构层中，所述多个铟镓氮垒层中铟的摩尔含量递减的方式包括线性递减、抛物线型递减或台阶式递减中的任意一种。

进一步地，所述半导体激光器还包括P型铝镓氮电子阻挡层；其中，所述P型铝镓氮电子阻挡层位于所述P型铟镓氮层和P型铝镓氮层之间。

进一步地，所述N型氮化镓层的厚度为2000nm～3000nm，所述N型铝镓氮层的厚度为600nm～1500nm，所述N型铟镓氮层的厚度为40nm～100nm，所述铟镓氮阱层的厚度为2.5nm～3nm，所述铟镓氮垒层的厚度为3nm～15nm，所述P型铟镓氮层的厚度为40nm～100nm，所述P型铝镓氮电子阻挡层的厚度为20nm～40nm，所述P型铝镓氮层的厚度为400nm～800nm，所述P型氮化镓层的厚度为10nm～30nm。

进一步地，所述半导体激光器还包括氮化镓体衬底；其中，所述氮化镓体衬底与所述N型氮化镓层连接。

本发明的另一目的还在于提供了一种上述半导体激光器的制备方法，包括步骤：在氮化镓体衬底上依次叠层生长形成N型氮化镓层、N型铝镓氮层、N型铟镓氮层、多量子阱结构层、P型铟镓氮层、P型铝镓氮电子阻挡层、P型铝镓氮层和P型氮化镓层，其中，所述多量子阱结构层包括交替叠层设置的多个铟镓氮阱层和多个铟镓氮垒层，在生长形成所述多量子阱结构层的过程中，通过调节外延生长参数，使得在所述多量子阱结构层中，沿着由所述P型氮化镓层指向所述N型氮化镓层的方向，多个所述铟镓氮垒层中铟的摩尔含量递减。

进一步地，所述外延生长参数包括垒层的生长温度、镓源流量、铟源流量或反应室压力中的至少一种；其中，所述铟镓氮垒层中铟的摩尔含量随所述生长温度的升高而降低，所述铟镓氮垒层中铟的摩尔含量随所述镓源流量的增大而降低，所述铟镓氮垒层中铟的摩尔含量随所述铟源流量的减小而降低，所述铟镓氮垒层中铟的摩尔含量随所述反应室压力的降低而降低。

进一步地，所述铟源包括三甲基铟、三乙基铟中的任意一种。

本发明通过对半导体激光器中的多量子阱结构进行优化，设置倾斜量子垒结构，从而减小极化效应，降低空穴迁移的势垒，使电子和空穴更均匀地分布在多个量子阱中，减少电子的泄露，继而抑制大电流密度注入下自发辐射复合效率的下降，降低激射阈值电流密度。

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，附图中：

图1是传统的铟镓氮/氮化镓多量子阱半导体激光器的能带示意图；

图2是根据本发明的实施例的半导体激光器的结构示意图；

图3是根据本发明的实施例的半导体激光器中多量子阱结构层的结构示意图；

图4是根据本发明的实施例的半导体激光器的制备方法的流程图；

图5是根据本发明的实施例的半导体激光器的能带示意图，其中在多量子阱结构中，铟的摩尔含量递减的方式为台阶式递减；

图6是根据本发明的另一实施例的半导体激光器的能带示意图，其中在多量子阱结构中，铟的摩尔含量递减的方式为线性递减。

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。在附图中，为了清楚起见，可以夸大元件的形状和尺寸，并且相同的标号将始终被用于表示相同或相似的元件。

图2是根据本发明的实施例的半导体激光器的结构示意图，图3是根据本发明的实施例的半导体激光器中多量子阱结构层的结构示意图。

如图2所示，根据本发明的半导体激光器至少包括叠层设置的N型氮化镓层220、N型铝镓氮层230、N型铟镓氮层240、多量子阱结构层250、P型铟镓氮层260、P型铝镓氮层280和P型氮化镓层290，多量子阱结构层250包含交替叠层设置的多个铟镓氮阱层251和多个铟镓氮垒层252，多个铟镓氮垒层252具有倾斜量子垒结构；其中，倾斜量子垒结构是指在多个铟镓氮垒层252中，沿着由P型氮化镓层280指向N型氮化镓层220的方向，多个铟镓氮垒层252中铟的摩尔含量递减。

其中，多量子阱结构层250包括多对量子阱结构，每对量子阱结构包括沿着由P型铟镓氮层260指向N型铟镓氮层240的方向依次叠层设置的一铟镓氮垒层252和一铟镓氮阱层251；且在多量子阱结构层250中，量子阱结构的数量可为2对～5对，如图3所示为3对，但本发明并不限制于此。

具体地，在多量子阱结构层250中，多个铟镓氮垒层252中铟的摩尔含量递减的方式可以为线性递减、抛物线型递减或台阶式递减中的任意一种；同时，在多量子阱结构层250中还可包括上述倾斜量子垒结构的衍生结构，即若干临近于N型铟镓氮层240设置的氮化镓垒层，临近P型铟镓氮层260的垒层为具有倾斜量子垒结构的铟镓氮垒层252，并且每一垒层均设置有相应的一铟镓氮阱层251。

上述半导体激光器还包括设置于P型铟镓氮层260和P型铝镓氮层280之间的P型铝镓氮电子阻挡层270，以及与N型氮化镓层220连接的氮化镓体衬底210。

更为具体地，N型氮化镓层220的厚度为2000nm～3000nm，N型铝镓氮层230的厚度为600nm～1500nm，N型铟镓氮层240的厚度为40nm～100nm，铟镓氮阱层251的厚度为2.5nm～3nm，铟镓氮垒层252的厚度为3nm～15nm，P型铟镓氮层260的厚度为40nm～100nm，P型铝镓氮电子阻挡层270的厚度为20nm～40nm，P型铝镓氮层280的厚度为400nm～800nm，P型氮化镓层290的厚度为10nm～30nm。

上述具有倾斜量子垒结构的半导体激光器的制备方法包括步骤为在氮化镓体衬底210上依次生长形成N型氮化镓层220、N型铝镓氮层230、N型铟镓氮层240、多量子阱结构层250、P型铟镓氮层260、P型铝镓氮电子阻挡层270、P型铝镓氮层280和P型氮化镓层290，其中，多量子阱结构层250包含交替叠层设置的多个铟镓氮阱层251和多个铟镓氮垒层252，在生长形成多量子阱结构层250的过程中，通过调节外延生长参数，使得在多量子阱结构层250中，沿着由P型氮化镓层290指向N型氮化镓层220的方向，多个铟镓氮垒层252中铟的摩尔含量递减。

具体地，上述外延生长参数包括垒层的生长温度、镓源流量、铟源流量、反应室压力；其中，铟镓氮垒层252中铟的摩尔含量随生长温度的升高而降低，随镓源流量的增大而降低，随铟源流量的减小而降低，随反应室压力的降低而降低，此处铟源可选自三甲基铟、三乙基铟中的任意一种，但本发明并不限制于此。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

实施例1

图4是根据本发明的实施例的半导体激光器的制备方法的流程图。

参照图4，根据本发明的实施例的半导体激光器的制备方法包括下述步骤：

在步骤110中，在氮化镓体衬底210上依次叠层生长N型氮化镓层220、N型铝镓氮层230和N型铟镓氮层240。

具体地，采用金属有机化合物生长外延层的方法在氮化镓体衬底210上生长N型氮化镓层220，其厚度约为2000nm，生长温度控制在1000℃～1200℃，生长压力在100mbar～600mbar，并且掺杂浓度为5el8每立方厘米的单质硅；再在N型氮化镓层220上生长一层厚度为900nm的N型铝镓氮层230，其中铝的摩尔含量为0.08，生长温度控制在1000℃～1200℃，生长压力在100mbar～300mbar之间，同时掺杂浓度为3el8每立方厘米的单质硅，起到光学限制的作用；最后在N型铝镓氮层230上生长一层N型铟镓氮层240，其生长厚度约为60nm，铟的摩尔含量为0.03，生长温度控制在700℃～900℃，生长压力在200mbar～600mbar之间，同时掺杂浓度约为1el8每立方厘米的单质硅，作为半导体激光器的下波导层。

在步骤120中，在N型铟镓氮层240上生长多量子阱结构层250，其中多量子阱结构层250中的多个铟镓氮垒层252具有倾斜量子垒结构。

其中，多量子阱结构层250包含交替叠层设置的多个铟镓氮阱层251和多个铟镓氮垒层252，在生长形成多量子阱结构层250的过程中，通过调节外延生长参数，使得在多量子阱结构层250中，沿着由P型氮化镓层290指向N型氮化镓层220的方向，多个铟镓氮垒层252中铟的摩尔含量递减。

上述多量子阱结构层250包含多对量子阱结构，在每一对量子阱结构中，沿着由P型铟镓氮层260指向N型铟镓氮层240的方向依次叠层设置一铟镓氮垒层252和一铟镓氮阱层251。

上述外延生长参数包括垒层的生长温度、镓源流量、铟源流量、反应室压力；其中，铟镓氮垒层243中铟的摩尔含量随生长温度的升高而降低，随镓源流量的增大而降低，随铟源流量的减小而降低，随反应室压力的降低而降低。

具体地，铟镓氮阱层251的厚度约为2.5nm，铟的摩尔含量为0.16；铟镓氮垒层252的厚度约为8nm，且三个铟镓氮垒层252中铟的摩尔含量分别为0,04、0.06、0.08；铟镓氮阱层251和铟镓氮垒层252中均不掺杂。其中，铟源为三甲基铟，且铟的摩尔组分含量的变化通过三甲基铟的流量控制来改变，以实现铟镓氮垒层252中铟的含量的变化，但本发明的铟源并不限制于此，三乙基铟或其他具有相似性质的物质均可。

在多量子阱结构层250内，铟镓氮阱层251为铟镓氮，铟镓氮垒层252也为铟镓氮，从P型铟镓氮层260到N型铟镓氮层240，铟镓氮垒层252中的铟的摩尔含量由低到高。在能带结构上，形成一个倾斜的多量子阱结构，靠近N型铟镓氮层240，铟镓氮垒层252的禁带宽度较宽，靠近P型铟镓氮层260，铟镓氮垒层252的禁带宽度较窄；也就是说，当铟镓氮垒层252中铟的摩尔含量越高时，其对应的禁带宽度越窄；而当铟镓氮垒层252中铟的摩尔含量越低时，其对应的禁带宽度越宽。其中，靠近P型铟镓氮层260的最后一个铟镓氮垒层252的铟摩尔含量应根据铟镓氮阱层251的铟的摩尔含量适当设计，使得铟镓氮阱层251有足够的限制。比如，对蓝光波段而言，铟镓氮阱层251内铟的摩尔含量为0.16(如下若非特别说明，均指百分比含量)，那么靠近P型铟镓氮层260的最后一个铟镓氮垒层252的铟的摩尔含量可设计为0.1。

优选地，在N型铟镓氮层240和与其临近设置的一铟镓氮阱层251之间还可以设置一薄铟镓氮层，其厚度远小于上述的N型铟镓氮层240，仅为若干纳米。

在步骤130中，在上述多量子阱结构层250上依次叠层生长P型铟镓氮层260、P型铝镓氮电子阻挡层270、P型铝镓氮层280和P型氮化镓层290。

具体地，P型铟镓氮层260中掺杂浓度约为1el8每立方厘米的金属镁，且其厚度为60nm，铟的摩尔含量为0.02，生长温度为700℃～900℃，生长压力为200mbar～600mbar，用作激光器的上波导层；P型铟镓氮层260上生长厚度约20nm的P型铝镓氮电子阻挡层270，铝的摩尔含量为0.2，并掺杂浓度约为6el9每立方厘米的金属镁，生长温度为900℃～1100℃，生长压力为100mbar～600mbar，用以阻挡高注入下量子阱内的溢出电子；再在P型铝镓氮电子阻挡层270上生长P型铝镓氮层280，掺杂浓度约为3e19每立方厘米的金属镁，铝的摩尔含量为0.08，厚度约为500nm，生长温度为900℃～1100℃，生长压力为100mbar～500mbar，起到光学限制的作用；最后在P型铝镓氮层280上生长厚度为20nm的P型氮化镓接触层290，并掺杂浓度为le20每立方厘米的金属镁，生长温度为800℃～900℃，生长压力为100mbar～400mbar，其可提供高的空穴浓度，以便形成P型的欧姆接触。

图4为根据本发明的实施例的半导体激光器中的能带示意图，其中在多量子阱结构中，铟的摩尔含量递减的方式为台阶式递减。其中，251为铟镓氮阱层，252为铟镓氮垒层；230为N型铝镓氮层；240为N型铟镓氮层，作为下波导层；260为P型铟镓氮层，作为上波导层，270为P型铝镓氮电子阻挡层；280为P型铝镓氮层。多个铟镓氮垒层252中铟的摩尔含量变化方式为台阶式。应当理解的是，本实施例仅仅用以说明多个铟镓氮垒层252中铟的摩尔含量变化的一个特定的方式，本发明并不局限于本实施例。

实施例2

在实施例2的描述中，与实施例1的相同之处在此不再赘述，只描述与实施例1的不同之处。实施例2与实施例1的不同之处在于：在实施例2中，在多量子阱结构中，铟的摩尔含量递减的方式为线性递减，参照图6。

应当理解的是，实施例1-2仅仅用以说明多个铟镓氮垒层243中铟的摩尔含量变化的一个特定的方式，但本发明并不局限于上述实施例，多个铟镓氮垒层243中铟的摩尔含量递减的方式为抛物线型递减也可。

根据本发明的半导体激光器，不但能降低量子阱内极化效应产生的极化电场，能增加电子空穴在量子阱中的复合效率，降低空穴迁移的势垒，使电子和空穴更均匀地分布在多个量子阱中，还能有效减少电子的泄露，从而提高氮化镓基半导体激光器在大电流密度下的自发辐射发光效率，降低激射阈值电流密度。

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 (11)

1.一种半导体激光器，至少包括叠层设置的N型氮化镓层、N型铝镓氮层、N型铟镓氮层、多量子阱结构层、P型铟镓氮层、P型铝镓氮层和P型氮化镓层，所述多量子阱结构层包括交替叠层设置的多个铟镓氮阱层和多个铟镓氮垒层，其特征在于，所述多个铟镓氮垒层具有倾斜量子垒结构；其中，所述倾斜量子垒结构是指在所述多个铟镓氮垒层中，沿着由所述P型氮化镓层指向所述N型氮化镓层的方向，所述多个铟镓氮垒层中铟的摩尔含量递减。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述多量子阱结构层包括多对量子阱结构；其中，所述量子阱结构包括沿着由所述P型铟镓氮层指向所述N型铟镓氮层的方向依次叠层设置的一铟镓氮垒层和一铟镓氮阱层。

3.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述多量子阱结构还包括一种衍生结构，即是若干临近于所述N型铟镓氮层的垒层设置为氮化镓，临近所述P型铟镓氮层的垒层为具有所述倾斜量子垒结构的铟镓氮垒层，并且每一垒层均设置有相应的一铟镓氮阱层。

4.根据权利要求2所述的半导体激光器，其特征在于，所述量子阱结构的数量为2对～5对。

5.根据权利要求1-4任一所述的半导体激光器，其特征在于，在所述多量子阱结构层中，所述多个铟镓氮垒层中铟的摩尔含量递减的方式包括线性递减、抛物线型递减或台阶式递减中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器还包括P型铝镓氮电子阻挡层；其中，所述P型铝镓氮电子阻挡层位于所述P型铟镓氮层和P型铝镓氮层之间。

7.根据权利要求6所述的半导体激光器，其特征在于，所述N型氮化镓层的厚度为2000nm～3000nm，所述N型铝镓氮层的厚度为600nm～1500nm，所述N型铟镓氮层的厚度为40nm～100nm，所述铟镓氮阱层的厚度为2.5nm～3nm，所述铟镓氮垒层的厚度为3nm～15nm，所述P型铟镓氮层的厚度为40nm～100nm，所述P型铝镓氮电子阻挡层的厚度为20nm～40nm，所述P型铝镓氮层的厚度为400nm～800nm，所述P型氮化镓层的厚度为10nm～30nm。

8.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器还包括氮化镓体衬底；其中，所述氮化镓体衬底与所述N型氮化镓层连接。

9.如权利要求1-8任一所述的半导体激光器的制备方法，包括步骤：在氮化镓体衬底上依次叠层生长形成N型氮化镓层、N型铝镓氮层、N型铟镓氮层、多量子阱结构层、P型铟镓氮层、P型铝镓氮电子阻挡层、P型铝镓氮层和P型氮化镓层，其中，所述多量子阱结构层包括交替叠层设置的多个铟镓氮阱层和多个铟镓氮垒层，其特征在于，在生长形成所述多量子阱结构层的过程中，通过调节外延生长参数，使得在所述多量子阱结构层中，沿着由所述P型氮化镓层指向所述N型氮化镓层的方向，多个所述铟镓氮垒层中铟的摩尔含量递减。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述外延生长参数包括垒层的生长温度、镓源流量、铟源流量或反应室压力中的至少一种；其中，所述铟镓氮垒层中铟的摩尔含量随所述生长温度的升高而降低，所述铟镓氮垒层中铟的摩尔含量随所述镓源流量的增大而降低，所述铟镓氮垒层中铟的摩尔含量随所述铟源流量的减小而降低，所述铟镓氮垒层中铟的摩尔含量随所述反应室压力的降低而降低。

11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述铟源包括三甲基铟、三乙基铟中的任意一种。