CN106785912B - 半导体激光器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体激光器，其包括衬底以及在所述衬底上依次叠层设置的下限制层、下波导层、量子阱有源区、上波导层以及上限制层；该半导体激光器还包括夹设于所述下波导层与所述量子阱有源区之间的空穴阻挡层。根据本发明的半导体激光器通过在下波导层与量子阱有源区之间制备空穴阻挡层，从而有效阻挡了空穴从量子阱有源区向下波导层、下限制层的N型区一侧泄露，提高了载流子的注入效率，从而提升了该半导体激光器的性能。本发明还公开了上述半导体激光器的制作方法。

Description

半导体激光器及其制作方法

技术领域

本发明属于半导体光电子器件技术领域，具体地讲，涉及一种半导体激光器及其制作方法。

背景技术

氮化镓(GaN)及其系列材料(包括氮化铝、铝镓氮、铟镓氮、氮化铟)以其禁带宽度大、光谱范围宽(覆盖了从紫外到红外全波段)、耐高温性和耐腐蚀性好，在光电子学和微电子学领域内有巨大的应用价值。氮化镓基激光器是一种非常重要的氮化镓基光电子器件，由于其发射的光波在可见光波段，因此，氮化镓基激光器在高密度光信息存储、投影显示、激光打印、水下通信、生物化学试剂的感应和激活以及医疗方面具有重要的应用价值。

在氮化镓基激光器中，其主要分为三部分：由单量子阱或多量子阱形成的有源区、有源区一侧的为有源区提供电子的N型区、以及有源区另一侧的为有源区提供空穴的P型区。通过施加外加偏压驱动电子和空穴在垂直于结平面的方向上注入到有源区进行复合并产生光。通过侧面两端的解理镜面形成反馈腔，使得电子和空穴复合产生的光在腔内不断谐振并且形成波前平行于镜面的驻波。然而，在氮化镓基半导体激光器中，在N型区一侧易出现空穴泄露的问题，从而引起载流子的注入效率以及激光器的斜率效率降低的问题。

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及其制作方法，该半导体激光器内所具有的空穴阻挡层可以有效地阻挡空穴泄露，从而提高了载流子的注入效率。

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，包括衬底以及在所述衬底上依次叠层设置的下限制层、下波导层、量子阱有源区、上波导层以及上限制层；所述半导体激光器还包括夹设于所述下波导层与所述量子阱有源区之间的空穴阻挡层。

进一步地，还包括夹设于所述空穴阻挡层与所述量子阱有源区之间的量子垒层。

进一步地，还包括电子阻挡层；其中，所述电子阻挡层夹设于所述量子阱有源区与所述上波导层之间或所述上波导层与所述上限制层之间。

进一步地，所述空穴阻挡层的材料为经非故意掺杂或经N型掺杂的N型氮化镓、N型氮化铟镓、N型氮化铝镓中的任意一种。

进一步地，当所述空穴阻挡层的材料为经N型掺杂的N型氮化镓、N型氮化铟镓、N型氮化铝镓中的任意一种时，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3～1×10²⁰cm^-3，施主杂质选自硅、锗中的至少一种。

进一步地，所述施主杂质的掺杂方式选自均匀掺杂或渐变掺杂中的任意一种；其中，所述渐变掺杂包括线性变化掺杂、台阶状变化掺杂。

进一步地，所述上限制层的形状呈平面状或脊型。

进一步地，所述量子阱有源区包括n个量子阱结构，1≤n≤12；其中，所述量子阱结构包括按照远离所述衬底的方向叠层设置的一量子阱单层和一量子垒单层。

进一步地，所述半导体激光器还包括夹设于所述衬底与所述下限制层之间的N型氮化镓材料层。

本发明的另一目的还在于提供一种如上任一项所述的半导体激光器的制作方法，包括：提供一衬底；在所述衬底上依次叠层制备下限制层、下波导层、空穴阻挡层、量子阱有源区、上波导层以及上限制层。

本发明通过在下波导层与量子阱有源区之间制备空穴阻挡层，从而有效阻挡了空穴从量子阱有源区向下波导层、下限制层的N型区一侧泄露；由此制备获得的半导体激光器，相比现有技术中的不具备空穴阻挡层的半导体激光器，提高了载流子的注入效率，从而提升了该半导体激光器的性能。

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是根据本发明的实施例1的半导体激光器的结构示意图；

图2是根据本发明的实施例1的量子阱有源区的结构示意图；

图3是根据本发明的实施例1的半导体激光器在电流密度为1000A/cm²的条件下，其内部的空穴浓度分布的模拟图；

图4是根据本发明的对比例1的半导体激光器在电流密度为1000A/cm²的条件下，其内部的空穴浓度分布的模拟图；

图5是根据本发明的对比例2的样品A的电致发光光谱图；

图6是根据本发明的对比例2的样品B的电致发光光谱图；

图7是根据本发明的实施例2的半导体激光器的结构示意图；

图8是根据本发明的实施例3的半导体激光器的结构示意图。

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。

将理解的是，尽管在这里可使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开来。

实施例1

图1是根据本实施例的半导体激光器的结构示意图。

具体参照图1，根据本实施例的半导体激光器包括衬底1，以及在所述衬底1依次叠层设置的N型GaN材料层2、下限制层31、下波导层32、空穴阻挡层33、量子垒层34、量子阱有源区4、电子阻挡层51、上波导层52以及上限制层53。

具体地，参照图2所示，量子阱有源区4包括交替叠层设置的至少一个量子阱单层41和至少一个量子垒单层42，且所述量子阱单层41与量子垒层34相邻，而量子垒单层42与电子阻挡层51相邻；在该量子阱有源区4内，量子阱单层41和量子垒单层42的个数相同，且二者的个数n均控制在1≤n≤12的范围内；在本实施例中，n的取值为3。也就是说，在所述量子阱有源区4内，包括有至少一个量子阱结构，而在每个量子阱结构中，均包括按照远离衬底1的方向叠层设置的一个量子阱单层41和一个量子垒单层42。

更为具体地，在本实施例中，所述三个量子阱单层41分别记作第一量子阱单层411、第二量子阱单层412和第三量子阱单层413，对应地，三个量子垒单层42分别记作第一量子垒单层421、第二量子垒单层422和第三量子垒单层423，而三个量子阱单层41和三个量子垒单层42交替设置于量子垒层34上，形成如图2所示的结构。

在本实施例中，衬底1的材料为氮化镓；所述N型氮化镓材料层2的厚度为2000nm，且其中掺杂有浓度为3×10¹⁸cm^-3的硅；下限制层31的材料为N型氮化铝镓，厚度为1300nm，且其中掺杂有浓度为3×10¹⁸cm^-3的硅；下波导层32的材料为N型氮化铟镓，厚度为100nm左右，且其经过了非故意掺杂；空穴阻挡层33的材料为N型氮化镓，厚度为15nm，且其中掺杂有浓度为2×10¹⁹cm^-3的硅；量子垒层34的材料为氮化镓，厚度为15nm左右，且其经过了非故意掺杂。

在量子阱有源区4中，量子阱单层41的材料为氮化铟镓，量子垒单层42的材料为氮化镓，且每一量子阱单层41和每一量子垒单层42均经过了非故意掺杂；每一量子阱单层41的厚度均为2.5nm左右，而每一量子垒单层42的厚度均为15nm左右。

电子阻挡层51的材料为P型氮化铝镓，厚度为20nm，且其中掺杂有浓度为5×10¹⁹cm^-3的镁；上波导层52的材料为氮化铟镓，厚度为100nm，且其中掺杂有浓度为1×10¹⁸cm^-3的镁；上限制层53的材料为P型氮化铝镓，厚度为500nm，且其中掺杂有浓度为1×10¹⁹cm^-3的镁。

值得说明的是，在本实施例中，所述上限制层53的形状为平面状，如此，即使所述半导体激光器具有了增益波导结构。

根据本实施例的半导体激光器所具备的空穴阻挡层33有效地阻挡了空穴从量子阱有源区4向下波导层32、下限制层31等结构的一侧泄露，提高了载流子的注入效率；而该半导体激光器所具备的电子阻挡层51也有效地阻挡了电子从量子阱有源区4向上波导层52、上限制层53等结构的一侧泄露，从而进一步地提高了载流子的注入效率，提升了该半导体激光器的性能。

以下，将对本实施例的半导体激光器的制作方法进行详细的描述。

根据本实施例的半导体激光器的制作方法包括如下步骤：

在步骤一中，提供一衬底1。

在本实施例中，衬底1具体选用氮化镓衬底，当然，其他如蓝宝石、碳化硅、硅或尖晶石等材料的均可，此处不再一一赘述。

在步骤二中，在衬底1上逐层制备N型氮化镓材料层2、下限制层31、下波导层32以及空穴阻挡层33。

具体地，首先，采用金属有机化合物化学气相沉淀工艺(简称MOCVD工艺)在衬底1上生长一层2000nm厚的N型氮化镓，且其中掺杂有浓度为3×10¹⁸cm^-3的硅；具体的生长温度控制在900℃～1100℃之间，生长压力控制为200Mbar～500Mbar之间，制备得到N型氮化镓材料层2。

其中，所述N型氮化镓材料层2能够保证后续生长的其他结构与衬底1之间的良好结合；当然，在工艺条件允许的情况下，去除所述N型氮化镓材料层2而直接在衬底1生长其他结构也可。

然后，采用MOCVD工艺在N型氮化镓材料层2上生长一层1300nm厚的N型氮化铝镓作为下限制层31，且其中掺杂有浓度为3×10¹⁸cm^-3的硅；具体的生长温度控制为1000℃～1200℃之间，生长压力控制为100Mbar～300Mbar之间。

第三，采用MOCVD工艺在下限制层31上生长一层100nm左右厚的N型氮化铟镓作为下波导层32，其中，N型氮化铟镓采用非故意掺杂；具体的生长温度控制为700℃～900℃之间，生长压力控制为200Mbar～500Mbar之间。

最后，采用MOCVD工艺在下波导层32上生长一层15nm左右厚的N型氮化镓作为空穴阻挡层33，且其中掺杂有浓度为2×10¹⁹cm^-3的硅；具体的生长温度控制为600℃～900℃之间，生长压力控制为200Mbar～500Mbar之间。

如此，即制备形成了位于量子阱有源区4一侧的N型区，而所制备的空穴阻挡层33即可有效地阻止空穴从量子阱有源区4向所述N型区的一侧泄露，提高了载流子的注入效率，从而提升了该半导体激光器的性能。

在步骤三中，在空穴阻挡层33上逐层制备量子垒层34和量子阱有源区4。

具体地，首先采用MOCVD工艺在空穴阻挡层33上生长一层15nm左右厚的氮化镓作为量子垒层34，其中，氮化镓采用非故意掺杂；具体的生长温度控制为600℃～900℃之间，生长压力控制为200Mbar～500Mbar之间。

然后采用MOCVD工艺在量子垒层34上生长三层氮化铟镓和三层氮化镓分别作为量子阱单层41和量子垒单层42；其中，第一量子阱单层411、第一量子垒单层421、第二量子阱单层412、第二量子垒单层422、第三量子阱单层413和第三量子垒单层423依次叠层排列以形成量子阱有源区4；第一量子阱单层411、第二量子阱单层412、第三量子阱单层413的厚度均为2.5nm，第一量子垒单层421、第二量子垒单层422、第三量子垒单层423的厚度均为15nm，且上述各层中的氮化镓均采用非故意掺杂；具体的生长温度控制为600℃～900℃之间，生长压力控制为200Mbar～500Mbar之间。

在步骤四中，在量子阱有源区4上逐层制备电子阻挡层51、上波导层52以及上限制层53。

具体地，首先采用MOCVD工艺在量子阱有源区4、即第三量子垒单层423上生长一层20nm左右厚的P型氮化铝镓作为电子阻挡层51，且其中掺杂有浓度为5×10¹⁹cm^-3的镁；具体的生长温度控制为800℃～1000℃之间，生长压力控制为100Mbar～300Mbar之间。

然后采用MOCVD工艺在电子阻挡层51上生长一层100nm厚的氮化铟镓作为上波导层52，且其中掺杂有浓度为1×10¹⁸cm^-3的镁；具体的生长温度控制为700℃～900℃之间，生长压力控制为200Mbar～500Mbar之间。

最后采用MOCVD工艺在上波导层52上生长一层500nm厚的P型氮化铝镓作为上限制层53，且其中掺杂有浓度为1×10¹⁹cm^-3的镁；具体的生长温度控制为700℃～900℃之间，生长压力控制为200Mbar～400Mbar之间。

如此，即制备形成了位于量子阱有源区4另一侧的与所述N型区相对的P型区，而所制备的电子阻挡层51即可有效地阻止电子从量子阱有源区4向所述P型区的一侧泄露，进一步提高了载流子的注入效率，从而进一步提升了该半导体激光器的性能。

为验证本实施例的半导体激光器中的空穴阻挡层33的作用，设计了如下对比例1和对比例2。

对比例1

在对比例1的半导体激光器中，不包括实施例1中所述的空穴阻挡层，其余结构与实施例1中所述的半导体激光器相同。

分别对实施例1的半导体激光器以及对比例1的半导体激光器在电流密度为1000A/cm²的条件下其内部的空穴浓度分布进行了测试，结果分别如图3、图4所示；其中，在图3和图4中，c均表示空穴浓度，即纵坐标均是以10为底时，空穴浓度的对数。

对比图3和图4中的曲线，可以明显地看出，实施例1中所述的半导体激光器的下限制层与下波导层中的空穴浓度更低，即说明实施例1中的半导体激光器中的空穴阻挡层确实有效地阻止了空穴从量子阱有源区向下限制层、下波导层等结构的N型区的一侧泄露，从而提高了载流子的注入效率，该半导体激光器的性能得以提升。

对比例2

本对比例中包括如下两组结构：

第一组：在实施例1的半导体激光器的基础上，在所述下波导层与空穴阻挡层之间设置了一蓝光量子阱有源区；将此时的蓝光量子阱有源区称作第一蓝光量子阱有源区，如此获得样品A(为区分两个不同颜色光的量子阱有源区，将实施例1中所述的量子阱有源区称作第一绿光量子阱有源区)；也就是说，所述样品A的结构为依次叠层设置的衬底、N型GaN材料层、下限制层、下波导层、第一蓝光量子阱有源区、空穴阻挡层、量子垒层、第一绿光量子阱有源区、电子阻挡层、上波导层以及上限制层。

第二组：在对比例1的半导体激光器的基础上，在所述下波导层与量子垒层之间同样设置了一蓝光量子阱有源区；将此时的蓝光量子阱有源区称作第二蓝光量子阱有源区，如此获得样品B(为区分两个不同颜色光的量子阱有源区，将对比例1中所述的量子阱有源区称作第二绿光量子阱有源区)；也就是说，所述样品B的结构为依次叠层设置的衬底、N型GaN材料层、下限制层、下波导层、第二蓝光量子阱有源区、量子垒层、第二绿光量子阱有源区、电子阻挡层、上波导层以及上限制层。

分别对样品A和样品B进行了电致发光光谱的测试，测试结果分别如图5、图6所示。

对比图5和图6，可以明显地看出，在同等电流密度的条件下，样品A中的第一蓝光量子阱有源区的发光强度明显低于样品B中的第二蓝光量子阱有源区的发光强度，说明样品A中在增加了空穴阻挡层后，从第一绿光量子阱有源区泄露到第一蓝光量子阱有源区的空穴数量下降，即所述空穴阻挡层起到了阻止空穴由量子阱有源区(即样品A中的第一绿光量子阱有源区)向下波导层、下限制层等N型区一侧的泄露的作用。

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，参照图7所示，本实施例的半导体激光器中的电子阻挡层51和上波导层52的位置较实施例1中的半导体激光器中的位置进行了互换，即在本实施例的半导体激光器中，电子阻挡层51夹设于上波导层52和上限制层53之间。

与之相对应地，在本实施例的半导体激光器的制作过程中，与实施例1中的半导体激光器的制作过程的区别之处在于，在步骤四中，在量子阱有源区4上逐层制备上波导层52、电子阻挡层51以及上限制层53。

实施例3

在实施例3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3与实施例1的不同之处在于，参照图8所示，本实施例的半导体激光器具有脊型波导结构，即在本实施例的半导体激光器中，上限制层53的形状呈脊型。

具体地，本实施例的半导体激光器的制作方法与实施例1中的半导体激光器的制作方法的不同之处在于，在实施例1的半导体激光器的制作方法的基础上，还包括如下步骤：

在步骤五中，刻蚀上限制层53，使所述上限制层53的形状呈脊型。

当然，本实施例中所述的呈脊型的上限制层53并不仅限于实施例1中所述的上波导层52夹设于电子阻挡层51与上限制层53之间的结构，还是适用于如实施例2中所述的电子阻挡层51夹设于上波导层52与上限制层53之间的结构。

值得说明的是，在上述实施例1-3中，当所述空穴阻挡层33的材料与量子垒层34的材料相同，区别仅在于空穴阻挡层33进行了掺杂、而量子垒层34未进行掺杂时，也可省略该量子垒层34，或可认为是通过对量子垒层34的材料进行掺杂而实现了空穴阻挡的作用，而无需设置单独的空穴阻挡层33。另一方面，当所述空穴阻挡层33的材料与下波导层32的材料相同时，也可通过将下波导层32的上半部分进行掺杂实现空穴阻挡的作用，而无需设置单独的空穴阻挡层33。当然，上述两种情况的组合使用也可，以达到能够实现空穴阻挡效果为准。

当然，根据本发明的半导体激光器中各结构的材料并不限于上述实施例中所述，下限制层31的材料还可以是N型氮化铝镓/氮化镓超晶格；下波导层32的材料还可以是N型氮化镓或N型氮化铝镓；空穴阻挡层33的材料还可以是N型氮化铟镓或氮化铝镓；量子垒层34的材料还可以是N型氮化铟镓或N型氮化铝镓；在量子阱有源区4中，量子垒单层42的材料还可以是氮化铟镓或氮化铝镓；上波导层52的材料还可以是P型氮化镓或P型氮化铝镓；上限制层53的材料还可以是P型氮化铝镓/氮化镓超晶格或透明导电氧化物，包括氧化锌、氧化镁、氧化锡、氧化镉、氧化铟等二元金属氧化物，或氧化铟锡、氧化铝锌、氧化镓锌、氧化铟锌、氧化镁锌等三元金属氧化物，或铟镓锌三元金属氧化物。

与上述材料相对应地，在本发明的制作方法中，各结构层的制备工艺也不限于上述实施例中所述的MOCVD工艺，当各结构层的材料为上述透明导电氧化物时，还可以采用磁控溅射沉积工艺、电子束蒸发沉积工艺、脉冲激光沉积工艺来制备，而当材料不属于上述透明导电氧化物时，则还可以采用分子束外延生长工艺、原子层沉积工艺来制备。

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 (7)

1.一种半导体激光器，包括衬底以及在所述衬底上依次叠层设置的下限制层、下波导层、量子阱有源区、上波导层以及上限制层；其特征在于，所述半导体激光器还包括夹设于所述下波导层与所述量子阱有源区之间的空穴阻挡层；

所述空穴阻挡层的材料为经N型掺杂的N型氮化镓，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3～1×10²⁰cm^-3，施主杂质选自硅、锗中的至少一种；所述施主杂质的掺杂方式选自均匀掺杂或渐变掺杂中的任意一种；其中，所述渐变掺杂包括线性变化掺杂、台阶状变化掺杂。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，还包括夹设于所述空穴阻挡层与所述量子阱有源区之间的量子垒层。

3.根据权利要求2所述的半导体激光器，其特征在于，还包括电子阻挡层；其中，所述电子阻挡层夹设于所述量子阱有源区与所述上波导层之间或所述上波导层与所述上限制层之间。

4.根据权利要求1至3任一项所述的半导体激光器，其特征在于，所述上限制层的形状呈平面状或脊型。

5.根据权利要求1至3任一项所述的半导体激光器，其特征在于，所述量子阱有源区包括n个量子阱结构，1≤n≤12；其中，所述量子阱结构包括按照远离所述衬底的方向叠层设置的一量子阱单层和一量子垒单层。

6.根据权利要求1至3任一项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夹设于所述衬底与所述下限制层之间的N型氮化镓材料层。

7.一种如权利要求1至6任一项所述的半导体激光器的制作方法，其特征在于，包括：

提供一衬底；

在所述衬底上依次叠层制备下限制层、下波导层、空穴阻挡层、量子阱有源区、上波导层以及上限制层。

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