CN107069433A - GaN基紫外激光器晶圆、激光器芯片及激光器及其制备方法 - Google Patents

GaN基紫外激光器晶圆、激光器芯片及激光器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种GaN基紫外激光器晶圆，包括叠置于GaN衬底正面上的n型限制层、n型波导层、有源区、u型波导层、p型限制层和p型接触层，其中：在n型波导层和有源区之间还有一n型空穴阻挡层；在u型波导层和p型限制层之间还有一p型电子阻挡层；该GaN基紫外激光器晶圆为脊型结构。以及一种GaN基紫外激光器晶圆的制备方法、通过解理、镀膜形成的激光芯片、通过封装形成的激光器。本发明在u型波导层/n型波导层与限制层/有源区之间插入p型电子阻挡层/n型空穴阻挡层；可在u型波导层与限制层之间/n型波导层和有源区之间形成高的势垒，有效阻止电子/空穴泄漏到有源区以外靠近p/n区的位置；从而可降低GaN基紫外激光器的阈值电流，提高功率和光电转换效率。

Description

GaN基紫外激光器晶圆、激光器芯片及激光器及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体光电子器件技术领域，更具体地涉及一种GaN基紫外激光器晶圆、激光器芯片及激光器及其制备方法。
背景技术
随着半导体光电子器件的迅速发展，氮化镓基激光器因其优越的性能被广泛研究和应用。由于氮化镓具有较宽的禁带宽度，因此它的发光波长可以覆盖整个可见光光谱，具有很大的可调性；另外，氮化镓基激光器具有发光效率高，热导率高，化学稳定性好的特点，可广泛应用于工业加工领域、医学治疗领域、军事领域以及理论研究领域。但目前为止，对氮化镓基激光器的研究制备比较成熟的是蓝紫光波段，而紫外激光器还处于研究阶段。
氮化镓基紫外激光器材料层主要分为三部分：单量子阱或多量子阱形成的有源区、有源区一侧为有源区提供电子的n区、有源区另一侧为有源区提供空穴的p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激光器结构，进入有源区的大部分载流子进行复合并产生光，而另一部分载流子由于近紫外激光器结构中量子阱比较浅而泄漏到量子阱外，造成载流子的损失，从而导致激光器性能下降。通过侧面两端的解理镜面形成反馈腔，使得电子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。如果有源区内的光增益超过了激光器结构里的光损耗，就会产生放大的受激辐射，激光便会从镜面端面发射出来。
为了提高激光器的性能、降低阈值电流以及增大光输出功率，必须降低载流子的泄漏。
发明内容
基于以上问题，本发明的主要目的在于提出一种GaN基紫外激光器晶圆、激光器芯片及激光器及其制备方法，用于解决以上技术问题的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提出了一种GaN基紫外激光器晶圆，包括叠置形成于GaN衬底正面上的n型限制层、n型波导层、有源区、u型波导层、p型限制层和p型接触层，其中：
在n型波导层和有源区之间还形成有一n型空穴阻挡层；
在u型波导层和p型限制层之间还形成有一p型电子阻挡层；
该GaN基紫外激光器晶圆为脊型结构。
在本发明的一些实施例中，上述n型空穴阻挡层为n型掺杂结构，掺杂浓度为5×1018cm-3；p型电子阻挡层为p型掺杂结构，掺杂浓度为5×1019cm-3；u型波导层无掺杂。
在本发明的一些实施例中，上述n型空穴阻挡层的主体材料包括AlGaN或InAlGaN；优选地，AlGaN材料中Al的原子个数百分比为5％～25％；InAlGaN材料中In的原子个数百分比为0～15％，Al的原子个数百分比为20％～40％；优选地，n型空穴阻挡层的厚度为5～30nm。
在本发明的一些实施例中，上述p型电子阻挡层的主体材料包括AlGaN或InAlGaN；优选地，AlGaN材料中Al的原子个数百分比为10％～30％；InAlGaN材料中In的原子个数百分比为0～15％，Al的原子个数百分比为0～40％；优选地，p型电子阻挡层的厚度为5～30nm。
在本发明的一些实施例中，上述有源区为量子阱有源区，其中的量子阱个数为1～5个，每个量子阱的厚度为1～10nm。
在本发明的一些实施例中，上述量子阱的主体材料为GaN或InGaN；相应地，量子阱有源区中的量子垒的主体材料为GaN或InGaN。
在本发明的一些实施例中，上述GaN衬底的厚度为0.5～2μm；n型限制层的厚度为0.5～2μm；n型波导层的厚度为0.03～0.15μm；u型波导层的厚度为0.03～0.15μm；p型限制层的厚度为0.05～0.12μm；p型接触层的厚度为0.02～0.05μm。
在本发明的一些实施例中，上述n型限制层的主体材料为Al原子个数百分比2％～10％的AlGaN；n型波导层的主体材料为GaN或In原子个数百分比0～2％的InGaN；u型波导层的主体材料为GaN或In原子个数百分比0.1％～2％的InGaN；p型限制层的主体材料为Al原子个数百分比5％～12％的AlGaN；p型接触层的主体材料为GaN。
为了实现上述目的，作为本发明的另一个方面，本发明提出了一种上述的GaN基紫外激光器晶圆的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、在GaN衬底上依次生长n型限制层、n型波导层、n型空穴阻挡层、有源区、u型波导层、p型电子阻挡层、p型限制层和p型接触层；
步骤2、部分的刻蚀u型波导层、p型电子阻挡层、p型限制层和p型接触层，形成脊型结构；
步骤3、在脊型结构的脊台上制备p型电极，同时打薄GaN衬底，并在GaN衬底的背面制备n型电极，完成GaN基紫外激光器晶圆的制备。
为了实现上述目的，作为本发明的再一个方面，本发明提出了一种GaN基紫外激光器芯片，由上述的制备方法制备得到的GaN基紫外激光器晶圆，经解理、镀膜后得到。
为了实现上述目的，作为本发明的又一个方面，本发明提出了一种GaN基紫外激光器，由上述的GaN基紫外激光器芯片封装后得到。
本发明提出的GaN基紫外激光器晶圆、激光器芯片及激光器及其制备方法，具有以下有益效果：
1、在u型波导层与限制层之间插入p型电子阻挡层，在n型波导层和有源区之间插入n型空穴阻挡层；可在u型波导层与限制层之间形成高的势垒，有效阻止电子泄漏到有源区以外靠近p区的位置；且在n型波导层和有源区之间形成高的势垒，从而有效阻止空穴泄漏到有源区以外靠近n区的位置，降低GaN基紫外激光器的阈值电流，提高功率和光电转换效率；
2、对p型电子阻挡层和n型空穴阻挡层分别进行p型和n型掺杂，从而可尽量减小p型电子阻挡层/n型空穴阻挡层的设置引起的，对空穴/电子注入的影响；
3、选择合适的p型电子阻挡层和n型空穴阻挡层的厚度和材料组分，可使得电子和空穴被很好的限制在有源区进行复合发光；同时，可避免增加过多电阻引起的器件性能的恶化。
附图说明
图1是本发明一实施例提出的GaN基紫外激光器晶圆的制备方法中完成步骤1后的结构示意图；
图2是本发明一实施例提出的GaN基紫外激光器晶圆的制备方法中完成步骤2后的结构示意图；
图3是本发明一实施例提出的GaN基紫外激光器晶圆的制备方法中完成步骤3后的结构示意图；
图4是本发明一实施例提出的GaN基紫外激光器晶圆的能带示意图；
图5是本发明一实施例提出的GaN基紫外激光器添加与未添加空穴阻挡层的模拟结果图。
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，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种GaN基紫外激光器晶圆，包括叠置形成于GaN衬底正面上的n型限制层、n型波导层、有源区、u型波导层、p型限制层和p型接触层，其中：
在n型波导层和有源区之间还有一n型空穴阻挡层；
在u型波导层和p型限制层之间还有一p型电子阻挡层；
该GaN基紫外激光器晶圆为脊型结构。
因此，本发明在u型波导层与限制层之间插入p型电子阻挡层，在n型波导层和有源区之间插入n型空穴阻挡层；可在u型波导层与限制层之间形成高的势垒，有效阻止电子泄漏到有源区以外靠近p区的位置；且在n型波导层和有源区之间形成高的势垒，从而有效阻止空穴泄漏到有源区以外靠近n区的位置，降低GaN基紫外激光器的阈值电流，提高功率和光电转换效率。
在本发明的一些实施例中，上述u型波导层无掺杂。
在本发明的一些实施例中，n型空穴阻挡层掺杂Si，掺杂浓度为5×1018cm-3；p型电子阻挡层掺杂Mg，掺杂浓度为5×1019cm-3，从而可尽量减小p型电子阻挡层/n型空穴阻挡层的设置引起的，对空穴/电子注入的影响。
在本发明的一些实施例中，上述n型空穴阻挡层的主体材料包括AlGaN或InAlGaN；其中，AlGaN材料中Al的原子个数百分比为5％～25％；InAlGaN材料中In的原子个数百分比为0～15％，Al的原子个数百分比为20％～40％；n型空穴阻挡层的厚度为5～30nm。通过合理的调节材料组分和厚度，可使得空穴被很好的限制在有源区进行复合发光；同时，可避免增加过多电阻引起的器件性能的恶化。
在本发明的一些实施例中，p型电子阻挡层的主体材料包括AlGaN或InAlGaN；其中，AlGaN材料中Al的原子个数百分比为10％～30％；InAlGaN材料中In的原子个数百分比为0～15％，Al的原子个数百分比为0～40％；p型电子阻挡层的厚度为5～30nm。通过合理的调节材料组分和厚度，可使得空穴被很好的限制在有源区进行复合发光；同时，可避免增加过多电阻引起的器件性能的恶化。
在本发明的一些实施例中，上述有源区为量子阱有源区，其中的量子阱个数为1～5个，每个量子阱的厚度为1～10nm。
在本发明的一些实施例中，上述量子阱的主体材料为GaN或InGaN；相应地，量子阱有源区中的量子垒的主体材料为GaN或InGaN。
在本发明的一些实施例中，上述GaN衬底的厚度为0.5～2μm；n型限制层的厚度为0.5～2μm；n型波导层的厚度为0.03～0.15μm；u型波导层的厚度为0.03～0.15μm；p型限制层的厚度为0.05～0.12μm；p型接触层的厚度为0.02～0.05μm。
在本发明的一些实施例中，上述n型限制层的主体材料为Al原子个数百分比2％～10％的AlGaN；n型波导层的主体材料为GaN或In原子个数百分比0～2％的InGaN；u型波导层的主体材料为GaN或In原子个数百分比0.1％～2％的InGaN；p型限制层的主体材料为Al原子个数百分比5％～12％的AlGaN；p型接触层的主体材料为GaN。
本发明还公开了一种上述的GaN基紫外激光器晶圆的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、在GaN衬底上依次生长n型限制层、n型波导层、n型空穴阻挡层、有源区、u型波导层、p型电子阻挡层、p型限制层和p型接触层；
步骤2、部分的刻蚀u型波导层、p型电子阻挡层、p型限制层和p型接触层，形成脊型结构；
步骤3、在脊型结构的脊台上制备p型电极，同时打薄GaN衬底，并在GaN衬底的背面制备n型电极，完成GaN基紫外激光器晶圆的制备。
上述的制备方法制备得到的GaN基紫外激光器晶圆，经解理、镀膜后即可得到GaN基紫外激光器芯片；而该得到GaN基紫外激光器芯片封装后即可得到GaN基紫外激光器。
以下通过具体实施例，对本发明提出的GaN基紫外激光器晶圆、激光器芯片及激光器及其制备方法进行详细说明。
实施例
本实施例提出的一种氮化镓基紫外激光器，其由氮化镓基紫外激光器晶圆经解理、镀膜，最后封装在管壳上得到。其中，氮化镓基紫外激光器晶圆的具体制备过程如下：
步骤1、如图1所示，在氮化镓衬底10上利用金属有机物气相化学淀积依次生长n型限制层11、n型波导层12、n型空穴阻挡层13、量子阱有源区14、u型波导层15、p型电子阻挡层16、p型限制层17、p型接触层18：
步骤2、如图2所示，通过光刻及干法刻蚀，形成激光器的脊型结构，其中，刻蚀工艺进行至u型波导层15的上表面为止；
步骤3、如图3所示，在刻蚀形成的脊台上做出p电极19，接着通过将衬底10减薄、清洗，做出n型电极20，即可完成氮化镓基紫外激光器晶圆的制备。
氮化镓衬底10的厚度为1μm；n型限制层11的材料为AlGaN，其中Al的原子个数百分比为8％，该层的厚度为1μm，掺杂浓度为3×1018cm-3；n型波导层12的材料为InGaN，其中In的原子个数百分比为0～2％，该层的厚度为0.12μm，掺杂浓度为5×1017cm-3；n型空穴阻挡层13的材料为AlGaN，其中Al的原子个数百分比为23％，该层的厚度为0.01μm，掺杂浓度为5×1018cm-3；量子阱有源区14包括2个量子阱层和3个量子垒层，每个量子阱层的材料均为GaN，每层的厚度为0.0025μm；每个量子垒层的材料均为GaN，每层的厚度为0.014μm；其中u型波导层15的材料为InGaN，其中In的原子个数百分比为0～2％，该层的厚度为0.1μm；p型电子阻挡层的材料为AlGaN，其中Al的原子个数百分比为25％，该层的厚度为0.02μm，掺杂浓度为5×1019cm-3；p型限制层17的材料为AlGaN，其中Al的原子个数百分比为8％，该层的厚度为0.6μm，掺杂浓度为2×1019cm-3；p型接触层18的材料为GaN，该层的厚度为0.04μm，掺杂浓度为5×1020cm-3。
p电极19的材质为Ni(15nm)/Au(50nm)；n电极20的材质为Ti(50nm)/Pt(50nm)/Au(100nm)，以形成良好的欧姆接触。
如图4所示，为本实施例的氮化镓基紫外激光器晶圆的能带图，从图中可以看出，由于本实施例的结构中加入了n型空穴阻挡层13和p型电子阻挡层16，因此，在u型波导层15与p型限制层17之间可形成高的势垒，有效阻止电子泄漏到有源区以外靠近p区的位置；在n型波导层12和量子阱有源区14之间可形成高的势垒，有效阻止空穴泄漏到有源区以外靠近n区的位置，从而可降低GaN基紫外激光器的阈值电流，提高功率和光电转换效率。
如图5所示，LD3为未添加n型空穴阻挡层13的激光器模拟得到的P-I-V曲线，LD4为采用本实施例的氮化镓基紫外激光器晶圆制备得到的氮化镓基紫外激光器，模拟得到的P-I-V曲线。LD3与LD4的区别仅在于是否有n型空穴阻挡层13。因此，从图中可以看出，添加n型空穴阻挡层13后，阈值电流减小为60.9mA，光电转换效率提高到13.6％，最高输出功率可达到79毫瓦，因此，添加n型空穴阻挡层13后，激光器的光电性能提升，说明有效的阻止了空穴泄漏到有源区以外靠近n区的位置。
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，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GaN基紫外激光器晶圆，包括叠置形成于GaN衬底正面上的n型限制层、n型波导层、有源区、u型波导层、p型限制层和p型接触层，其中：
在所述n型波导层和有源区之间还形成有一n型空穴阻挡层；
在所述u型波导层和p型限制层之间还形成有一p型电子阻挡层；
所述GaN基紫外激光器晶圆为脊型结构。
2.如权利要求1所述的GaN基紫外激光器晶圆，其中，
所述n型空穴阻挡层为n型掺杂结构，掺杂浓度为5×1018cm-3；
所述p型电子阻挡层为p型掺杂结构，掺杂浓度为5×1019cm-3；
所述u型波导层无掺杂。
3.如权利要求1所述的GaN基紫外激光器晶圆，其中：
所述n型空穴阻挡层的主体材料包括AlGaN或InAlGaN；优选地，所述AlGaN材料中Al的原子个数百分比为5％～25％；所述InAlGaN材料中In的原子个数百分比为0～15％，Al的原子个数百分比为20％～40％；优选地，所述n型空穴阻挡层的厚度为5～30nm。
4.如权利要求1所述的GaN基紫外激光器晶圆，其中：
所述p型电子阻挡层的主体材料包括AlGaN或InAlGaN；优选地，所述AlGaN材料中Al的原子个数百分比为10％～30％；所述InAlGaN材料中In的原子个数百分比为0～15％，Al的原子个数百分比为0～40％；优选地，所述p型电子阻挡层的厚度为5～30nm。
5.如权利要求1所述的GaN基紫外激光器晶圆，其中：
所述有源区为量子阱有源区，其中的量子阱个数为1～5个，每个量子阱的厚度为1～10nm；优选地，所述量子阱的主体材料为GaN或InGaN；相应地，所述量子阱有源区中的量子垒的主体材料为GaN或InGaN。
6.如权利要求1所述的GaN基紫外激光器晶圆，其中，所述GaN衬底的厚度为0.5～2μm；所述n型限制层的厚度为0.5～2μm；所述n型波导层的厚度为0.03～0.15μm；所述u型波导层的厚度为0.03～0.15μm；所述p型限制层的厚度为0.05～0.12μm；所述p型接触层的厚度为0.02～0.05μm。
7.如权利要求1所述的GaN基紫外激光器晶圆，其中，所述n型限制层的主体材料为Al原子个数百分比2％～10％的AlGaN；所述n型波导层的主体材料为GaN或In原子个数百分比0～2％的InGaN；所述u型波导层的主体材料为GaN或In原子个数百分比0.1％～2％的InGaN；所述p型限制层的主体材料为Al原子个数百分比5％～12％的AlGaN；所述p型接触层的主体材料为GaN。
8.一种GaN基紫外激光器晶圆的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、在GaN衬底上依次生长n型限制层、n型波导层、n型空穴阻挡层、有源区、u型波导层、p型电子阻挡层、p型限制层和p型接触层；
步骤2、部分的刻蚀u型波导层、p型电子阻挡层、p型限制层和p型接触层，形成脊型结构；
步骤3、在所述脊型结构的脊台上制备p型电极，同时打薄所述GaN衬底，并在所述GaN衬底的背面制备n型电极，完成所述GaN基紫外激光器晶圆的制备。
9.一种GaN基紫外激光器芯片，由如权利要求8所述的制备方法制备得到的所述GaN基紫外激光器晶圆，经解理、镀膜后得到。
10.一种GaN基紫外激光器，由权利要求9所述的GaN基紫外激光器芯片封装后得到。
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