CN105811243A - 应力调控波导层绿光激光器外延片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种应力调控波导层绿光激光器外延片，包括：一衬底；一高温n型GaN层制作在衬底上；一高温n型AlGaN限制层制作在高温n型GaN层上；一应力调控下波导层制作在高温n型AlGaN限制层上；一InGaN/GaN多量子阱发光层制作在应力调控下波导层上；一p型AlGaN电子阻挡层制作在InGaN/GaN多量子阱发光层上；一非掺杂上波导层制作在p型AlGaN电子阻挡层上；一p型限制层制作在非掺杂上波导层上；一p型GaN层制作在p型限制层上。本发明是通过引入多层In组分渐增的InGaN应力调控波导层，在增加GaN基绿光激光器光场限制因子的同时降低绿光量子阱的应力。另外，采用氮氢混合载气生长并处理InGaN波导层表面，改善波导层的表面质量，提高绿光激光器的性能。

Description

应力调控波导层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，特别是一种应力调控波导层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In组分的InGaN量子阱做发光材，InGaN阱层和GaN层的晶格失配增加，量子阱区的应力大，极化效应导致的量子限制斯塔克效应变强，缺陷密度增加，量子阱的发光效率降低。另一方面随着发光波长，AlGaN限制层与GaN波导层之间的折射率差变小，光场限制因子变小，使激光器的阈值电流增加。所以为了增加光场限制，一般绿光激光器采用InGaN材料做波导结构。然而作为波导层的InGaN厚度一般在100nm以上，这种厚的、高质量、表面光滑的InGaN材料生长难度很大，而波导层的表面形貌及杂质浓度对激光器性能都有重要影响，粗糙的表面会引起光的散射，还会影响生长在其表面之上的多量子阱有源区界面质量，波导层中的各类杂质以及缺陷会对光产生吸收，这些杂质和缺陷在激光器使用过程中还可能会迁移，造成LD的退化。因此，除了InGaN/GaN多量子阱外，光波导层结构及生长技术对绿光激光器来说也是至关重要的。

发明内容

本发明主要目的是提供一种应力调控波导层绿光激光器外延片及其制备方法，通过引入多层In组分渐增的InGaN应力调控波导层，在增加GaN基绿光激光器光场限制因子的同时降低绿光量子阱的应力。另外，采用氮氢混合载气生长并处理InGaN波导层表面，改善波导层的表面质量，提高绿光激光器的性能。

本发明提出一种应力调控波导层绿光激光器外延片，包括：

一衬底；

一高温n型GaN层，其制作在衬底上；

一高温n型AlGaN限制层，其制作在高温n型GaN层上；

一应力调控下波导层，其制作在高温n型AlGaN限制层上；

一InGaN/GaN多量子阱发光层，其制作在应力调控下波导层上；

一p型AlGaN电子阻挡层，其制作在InGaN/GaN多量子阱发光层上，生长温度为1000-1200℃，厚度为10-20nm，Al组分为10％-20％；

一非掺杂上波导层，其制作在p型AlGaN电子阻挡层上，该非掺杂上波导层的材料为GaN或InGaN，其厚度为0.05-0.3μm；

一p型限制层，其制作在非掺杂上波导层上，该p型限制层的材料为AlGaN或AlGaN/GaN超晶格；

一p型GaN层，其制作在p型限制层上。

本发明还提出一种应力调控波导层绿光激光器外延片的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：将衬底在氢气气氛里进行退火，清洁其表面；

步骤2：在衬底上生长高温n型GaN层；

步骤3：在高温n型GaN层上外延高温n型AlGaN限制层；

步骤4：在高温n型AlGaN限制层上外延生长应力调控下波导层，利用高温n型AlGaN限制层与应力调控下波导层之间的折射率差使光被限制在应力调控下波导层中传输；

步骤5：在应力调控下波导层上外延生长InGaN/GaN多量子阱发光层，其包括1-5个InGaN/GaN周期结构；

步骤6：在InGaN/GaN多量子阱发光层上外延生长p型AlGaN电子阻挡层；

步骤7：在p型AlGaN电子阻挡层上外延生长非掺杂上波导层；

步骤8：在非掺杂上波导层上外延生长p型限制层，利用p型限制层与非掺杂上波导层之间的折射率差使光被限制在非掺杂上波导层中；该p型限制层的材料为AlGaN或AlGaN/GaN超晶格，厚度为0.1-1μm，平均Al组分为5％-20％，空穴浓度为1×10¹⁷cm^-3-1×10¹⁸cm^-3。

步骤9：在p型限制层上外延生长p型GaN层，形成器件结构的欧姆接触层，完成制备。

本发明采用多层In组分渐增的InGaN结构作为波导层，并通过调整各层InGaN的结构参数，一方面降低量子阱区的应力，减小极化电场对发光效率的负面影响。另一方面增加有源区的光场限制因子降低激光器阈值。

本发明提供的采用混合载气生长并处理InGaN波导层表面的方法，可以减少积累在InGaN表面上的In原子，改善波导层的表面质量，减少波导层对光的散射和吸收，减小激光器的损耗。从而降低激光器阈值。

附图说明

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，其中：

图1本发明提供的应力调控波导层绿光激光器外延片结构示意图。

图2本发明提供的应力调控下波导层13的结构示意图。

图3是本发明提供的应力调控波导层绿光激光器外延片的制备方法流程图。

图4是仿真得到的采用应力调控波导层的激光器与常规波导层激光器的光场分布图，插图是功率电流关系图。

具体实施方式

请参阅图1和图2所示，本发明提供应力调控波导层绿光激光器外延片，包括：

一衬底10，衬底材料为GaN；

一高温n型GaN层11，其制作在衬底10上，该高温n型GaN层中的自由电子浓度为1×10¹⁷-1×10¹⁹cm^-3，生长温度为1000-1050℃；

一高温n型AlGaN限制层12，其制作在高温n型GaN层11上；

一应力调控下波导层13，其制作在高温n型AlGaN限制层12上，该应力调控下波导层13由多层不同In组分的InGaN材料组成，如图2所示。沿生长方向，各层InGaN中的In组分逐渐增加，即132层的In组分大于131层的In组分大于130层的In组分。其中130层的In组分为0-5％，13n层的In组分低于20％，应力调控下波导层13中InGaN的层数为1-10个，总厚度为0.05-0.3μm。利用n型限制层12与应力调控下波导层13之间的折射率差使光被限制在应力调控下波导层13中传输；

一InGaN/GaN多量子阱发光层14，其制作在应力调控下波导层13上，所述InGaN/GaN多量子阱发光层14包括1-5个InGaN阱层和GaN垒层周期结构，InGaN阱层与GaN垒层的生长温度相同，为700-800℃，InGaN/GaN多量子阱发光层14的发光波长为500-550nm；

一p型AlGaN电子阻挡层15，其制作在InGaN/GaN多量子阱发光层14上，生长温度为1000-1200℃，厚度为10-20nm，Al组分为10％-20％；

一非掺杂上波导层16，其制作在p型AlGaN电子阻挡层15上，该非掺杂上波导层16的材料为GaN或InGaN，其厚度为0.05-0.3μm；

一p型限制层17，其制作在非掺杂上波导层16上，该p型限制层的材料为AlGaN或AlGaN/GaN超晶格；

一p型GaN层18，其制作在p型限制层17上。

请参阅图3，并结合参阅图1和图2所示，本发明提供一种应力调控波导层绿光激光器外延片的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：将衬底10在氢气气氛里进行退火，清洁其表面；

步骤2：在衬底10上生长高温n型GaN层11；

步骤3：在高温n型GaN层11上外延高温n型AlGaN限制层12，该高温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4：在高温n型AlGaN限制层12上外延生长应力调控下波导层13，利用高温n型AlGaN限制层12与应力调控下波导层13之间的折射率差使光被限制在应力调控下波导层13。其中所述的应力调控下波导层13为多层In组分不同的InGaN材料组成，其层数为1-10个，总厚度为0.05-0.3μm，沿生长方向，各层InGaN材料中的In组分逐渐增加，即132层的In组分大于131层的In组分大于130层的In组分。其中130层的In组分为0-5％，13n层的In组分低于20％。采用应力调控波导层一方面可以降低量子阱区的应力，减小极化导致的QCSE效应，减少由于应力释放产生的缺陷，提高量子阱区的发光效率。另一方面通过对各InGaN层的厚度及In组分的调控，可以增加有源区的光场限制因子，提高激光器的阈值。

由于InGaN生长过程中In容易表面偏析，所以在厚的波导层表面会存在较厚的富In层。这层富In层会对InGaN/GaN多量子阱发光层14发出的光产生强烈的吸收和散射，影响激光器性能。同时由于绿光激光器的发光区一般只有1-5个量子阱，且所有量子阱都是用来发光的。所以波导层的表面粗糙度及表面缺陷密度会对量子阱发光效率有重要影响。由于InN晶体的氮气平衡蒸汽压高，现有技术中InGaN量子阱材料的生长一般采用N₂做载气。然而我们研究发现载气中混入少量的H₂可以减少In原子在InGaN表面聚集(In的表面偏析造成)，对改善材料质量有利。而用于激光器波导的InGaN材料，与多量子阱中的InGaN不同，波导层InGaN需要的In组分很低，但厚度很厚(100-200nm)，这使得表面富In层也比较厚。本发明提出采用氮氢混合载气生长绿光激光器的应力调控下波导层13，并在每个InGaN层生长完后加大H2流量处理InGaN表面。通过控制H2的流量实现对波导层界面的控制。InGaN生长过程中采用混合载气可以减少In原子在InGaN表面积累，生长中H₂的流量为10-500sccm，总载气流量为7slm，生长温度700-850℃。生长完每层InGaN后加大H₂流量短时间处理表面，去除表面富In层，改善波导质量。H₂的流量为50-1000sccm，通入时间为10-100s，H₂处理过程采用中断或连续生长InGaN材料的方式。

步骤5：在应力调控下波导层13上外延生长InGaN/GaN多量子阱发光层14，所述InGaN/GaN多量子阱发光层14包括1-5个InGaN阱层和GaN垒层周期结构，InGaN阱层与GaN垒层的生长温度相同，为700-800℃，InGaN阱层的厚度为2-3nm，GaN垒层厚度为5-20nm。InGaN/GaN多量子阱发光层14的发光波长在500-550nm；

步骤6：在InGaN/GaN多量子阱发光层14上外延生长p型AlGaN电子阻挡层15，所述p型AlGaN电子阻挡层15的生长温度为1000-1200℃，厚度为10-20nm，Al组分为10％-20％，p型AlGaN电子阻挡层15可以有效的阻止电子向非掺杂上波导层16中运动；

步骤7：在p型AlGaN电子阻挡层15上外延生长非掺杂上波导层16，所述非掺杂上波导16的材料为GaN或InGaN，其厚度为0.05-0.3μm；

步骤8：在非掺杂上波导层16上外延生长p型限制层17，利用p型限制层17与非掺杂上波导层16之间的折射率差使光被限制在非掺杂上波导层16中；该p型限制层的材料为AlGaN或AlGaN/GaN超晶格，厚度为0.1-1μm，平均Al组分为5％-20％，空穴浓度为1×10¹⁷cm^-3-1×10¹⁸cm^-3；

步骤9：在p型限制层17上外延生长p型GaN层18，形成器件结构的欧姆接触层，完成制备。

参阅图4，本发明提出的应力调控波导层激光器与常规波导层激光器的光场分布图比较，可以看到在对比片的衬底中(图4中已标出)能明显看到有光场的分布，称为衬底模。而本发明的激光器中没有衬底模，说明采用应力调控波导层，激光器有源区的光场限制因子明显增加。插图是激光器的功率电流关系图。可以看到，与对比片相比，采用应力调控波导层的绿光激光器的阈值电流明显减小。

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 (10)

1.一种应力调控波导层绿光激光器外延片，包括：

一衬底；

一高温n型GaN层，其制作在衬底上；

一高温n型AlGaN限制层，其制作在高温n型GaN层上；

一应力调控下波导层，其制作在高温n型AlGaN限制层上；

一InGaN/GaN多量子阱发光层，其制作在应力调控下波导层上；

一p型AlGaN电子阻挡层，其制作在InGaN/GaN多量子阱发光层上，生长温度为1000-1200℃，厚度为10-20nm，Al组分为10％-20％；

一非掺杂上波导层，其制作在p型AlGaN电子阻挡层上，该非掺杂上波导层的材料为GaN或InGaN，其厚度为0.05-0.3μm；

一p型限制层，其制作在非掺杂上波导层上，该p型限制层的材料为AlGaN或A1GaN/GaN超晶格；

一p型GaN层，其制作在p型限制层上。

2.如权利要求1所述的应力调控波导层绿光激光器外延片，其中所述的应力调控下波导层由多层不同In组分InGaN材料组成，其层数为1-10个，总厚度为0.05-0.3μm，沿生长方向，各层InGaN层的In组分逐渐增加，其In组分为0-20％；利用n型限制层与应力调控下波导层之间的折射率差使光被限制在应力调控下波导层中传输。

3.如权利要求1所述的应力调控波导层绿光激光器外延片，其中所述InGaN/GaN多量子阱发光层包括1-5个InGaN阱层和GaN垒层的周期结构，InGaN阱层与GaN垒层的生长温度相同，为700-800℃，InGaN/GaN多量子阱发光层的发光波长在500-550nm。

4.一种应力调控波导层绿光激光器外延片的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：将衬底在氢气气氛里进行退火，清洁其表面；

步骤2：在衬底上生长高温n型GaN层；

步骤3：在高温n型GaN层上外延高温n型AlGaN限制层；

步骤4：在高温n型AlGaN限制层上外延生长应力调控下波导层，利用高温n型AlGaN限制层与应力调控下波导层之间的折射率差使光被限制在应力调控下波导层中传输；

步骤5：在应力调控下波导层上外延生长InGaN/GaN多量子阱发光层，其包括1-5个InGaN/GaN周期结构；

步骤6：在InGaN/GaN多量子阱发光层上外延生长p型AlGaN电子阻挡层；

步骤7：在p型AlGaN电子阻挡层上外延生长非掺杂上波导层；

步骤8：在非掺杂上波导层上外延生长p型限制层，利用p型限制层与非掺杂上波导层之间的折射率差使光被限制在非掺杂上波导层中；该p型限制层的材料为AlGaN或AlGaN/GaN超晶格，厚度为0.1-1μm，平均Al组分为5％-20％，空穴浓度为1×10¹⁷cm^-3-1×10¹⁸cm^-3；

步骤9：在p型限制层上外延生长p型GaN层，形成器件结构的欧姆接触层，完成制备。

5.如权利要求4所述的应力调控波导层绿光激光器外延片的制备方法，其中所述的应力调控下波导层由多层In组分不同的InGaN材料组成，其层数为1-10个，总厚度为0.05-0.3μm，沿生长方向，各层InGaN材料中的In组分逐渐增加，其In组分为0-20％；利用n型限制层与应力调控下波导层之间的折射率差使光被限制在应力调控下波导层中传输。

6.如权利要求4所述的应力调控波导层绿光激光器外延片的制备方法，其中应力调控下波导层的InGaN层采用氮氢混合载气生长，H₂的流量为10-500sccm，总载气流量为7slm，生长温度700-850℃。

7.如权利要求4所述的应力调控波导层绿光激光器外延片的制备方法，其中应力调控下波导层中的每层InGaN生长完后，加大H₂流量对表面进行短暂处理，去除InGaN表面的富In层，改善应力调控下波导层的界面质量，处理过程中H₂的流量为50-1000sccm，通入时间为10-100s，H₂处理过程采用中断或者连续生长InGaN材料方式。

8.如权利要求4所述的应力调控波导层绿光激光器外延片的制备方法，其中所述InGaN/GaN多量子阱发光层包括1-5个InGaN阱层和GaN垒层周期结构，InGaN阱层与GaN垒层的生长温度相同，为700-800℃，InGaN/GaN多量子阱发光层的发光波长在500-550nm。

9.如权利要求4所述的应力调控波导层绿光激光器外延片的制备方法，其中所述的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％。

10.如权利要求4所述的应力调控波导层绿光激光器外延片的制备方法，其中所述非掺杂上波导的材料为GaN或InGaN，其厚度为0.05-0.3μm。