CN107579432A - InGaN/AlInN量子阱激光器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种InGaN/AlInN量子阱激光器，由下至上依次包括：衬底、缓冲层、下包覆层、下V型波导层、有源区、电子阻挡层、上V型波导层、上包覆层、欧姆接触层和电极，所述下V型波导层和上V型波导层均为AlGaN材料，所述有源区为InGaN/AlInN量子阱层。所述InGaN/AlInN量子阱激光器以AlGaN材料为波导层、有源区以AlInN材料作为垒层、InGaN作为阱层，降低了材料的晶格失配，有源区中极化现象弱，极化场和腔面损耗小，阀值电流低，量子阱激光器的光学性能优异。

Description

InGaN/AlInN量子阱激光器及其制作方法

技术领域

本发明涉及量子阱激光器技术领域，具体的，本发明涉及一种InGaN/AlInN量子阱激光器及其制作方法。

背景技术

近年来，Ⅲ-Ⅴ族氮化物材料由于其较大的禁带宽度和广泛的可调带隙范围而备受关注。常见的Ⅲ-Ⅴ族氮化物如GaN、AlN和InN可以形成一个连续的三元合金体系，其直接带隙宽度覆盖了从红外到紫外的波长范围。量子阱激光器是一种以超薄层量子阱结构作为有源区的异质结激光器。与气体激光器和固体激光器相比，量子阱激光器可自由选择适当的有源区材料和厚度，其发射波长范围广，具有较高的光电转换效率。将Ⅲ-Ⅴ族氮化物材料应用到量子阱激光器中可提高激光器的性能，应用范围也更为广泛。如GaN基量子阱激光器在光学信号存储、激光显示、激光打印、激光照明等领域具有广阔的应用前景。

然而，制造高性能GaN基量子阱激光器有一定难度，不仅要考虑材料及其质量是否合适，还要考虑制造工艺的合理性。量子阱激光器结构复杂，包括包覆层、有源层、波导层、电子阻挡层等，因此器件结构设计尤为重要，合理设计器件结构有助于提高量子阱激光器的性能。传统的GaN基量子阱激光器采用InGaN作为阱层，GaN作为垒层，由于垒与阱之间存在较大的晶格失配，会导致其在生长过程中出现高的缺陷密度，影响激光器的质量。而且，晶格失配的存在还会引起量子阱中产生较大的极化效应，降低电子和空穴的辐射复合，减少激光器的发光效率。此外，有研究表明：GaN基量子阱激光器通常采用GaN作为波导层，上波导层与电子阻挡层之间大的晶格失配的存在，增大了材料的应力，从而导致激光器腔面分层，增加了激光器的阀值电流和腔面的散射损耗，影响激光器的远场特性。

发明内容

基于此，本发明在于克服现有技术的缺陷，提供一种以AlGaN材料为波导层、有源区以AlInN材料作为垒层、InGaN为作阱层的InGaN/AlInN量子阱激光器，所述InGaN/AlInN量子阱激光器降低了材料的晶格失配，有源区中极化现象弱，极化场和腔面损耗小，阀值电流低，量子阱激光器的光学性能优异。

具体技术方案如下：

本发明的另一目的在于提供所述InGaN/AlInN量子阱激光器的制作方法。

其技术方案如下：

一种InGaN/AlInN量子阱激光器，由下至上依次包括：衬底、缓冲层、下包覆层、下V型波导层、有源区、电子阻挡层、上V型波导层、上包覆层、欧姆接触层和电极，所述下V型波导层和上V型波导层均为AlGaN材料，所述有源区为InGaN/AlInN量子阱层。

本发明用AlInN垒层代替了传统的GaN垒层，具有以下优点：通过调整垒层中Al和In材料的含量，可使阱层和垒层材料的晶格常数比较接近，进而降低量子阱间的晶格失配，改善量子阱中的极化场，减弱了有源区中的极化现象；由于极化场的减弱，InGaN/AlInN量子阱的能带不会像传统的InGaN/GaN量子阱的能带一样出现严重倾斜，降低了因能带倾斜而产生周期震荡的可能性；再者，垒阱层晶格相匹配，减少了量子阱内由于应力存在所产生的位错和缺陷，降低了非辐射复合中心密度，提高了激光器的内量子效率；此外，垒层Al成分的加入，增加了垒层的高度。有利于提高“量子阱陷阱效应”对缺陷和杂质的阻挡作用，且更多电子和空穴被限制在有源区，提高了有源区载流子的辐射复合率；调整三元合金AlInN垒层的组分，可更好的补偿量子阱中的应力，减少压电极化和价带间耦合，有利于增强电子空穴的波函数空间的交叠，增大光学跃迁的矩阵元，提高量子阱激光器的增益。另一方面，本发明采用AlGaN V型波导层代替了传统InGaN或GaN波导层，具有如下优势：Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN波导层与包覆层和电子阻挡层之间的晶格相匹配，缓解了由于极化场存在产生的能带弯曲，提高了空穴的注入率，进而改善量子阱激光器的光学性能；此外，通过调整波导层材料的组分设计成V型波导层，在波导层与电子阻挡层界面处形成折射率垒，有效降低了界面的应力，约束了激光横向有源区上方的扩展，避免因应力存在而造成激光器腔面分层，增大激光器有源区的限制因子，各层界面相对平整，提高了激射效率，减少激光器的吸收损耗，降低了激光器的阀值电流。

在其中一个实施例中，所述有源区由下至上依次包括Al_xIn_1-xN垒层，InGaN阱层，Al_xIn_1-xN垒层，InGaN阱层，Al_xIn_1-xN垒层，其中，Al_xIn_1-xN垒层中Al的含量为0.15。

在其中一个实施例中，所述InGaN阱层的总厚度为2～2.5nm，所述Al_xIn_1-xN垒层的总厚度为8～10nm。

在其中一个实施例中，所述下V型波导层组成材料为组分渐变的Al_xGa_1-xN/Al_yGa_{1- y}N，其中，所述x从0.08-0渐变，所述y从0-0.08渐变。

在其中一个实施例中，所述下V型波导层为N型掺杂，掺杂浓度为2.0×10¹⁷～4.5×10¹⁷cm^-3，厚度为0.1～0.3μm。

在其中一个实施例中，所述上V型波导层组成材料为组分渐变的Al_xGa_1-xN/Al_yGa_{1- y}N，x从0.08-0渐变，y从0-0.08渐变。考虑到上波导层与上包覆层和电子阻挡层间的晶格失配，将上V型波导层设计成组分渐变的Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN，可以改善量子阱激光器腔面的分层现象，从而有望制造出高性能激光器。

在其中一个实施例中，所述上V型上波导层为p型掺杂，掺杂浓度为1.0×10¹⁷～3.0×10¹⁷cm^-3，厚度为0.1～0.3μm。

在其中一个实施例中，所述缓冲层为N型铟镓氮缓冲层，其中N型杂质为Si，掺杂浓度为2.0×10¹⁸～4.0×10¹⁸cm^-3，铟组分含量为0.04～0.06，厚度为0.3～0.5μm。

在其中一个实施例中，所述下包覆层为N型AlGaN下包覆层，N型杂质为Si，掺杂浓度为2.5×10¹⁸～3.5×10¹⁸cm^-3，Al组分含量为0.07～0.09，厚度为0.3～0.5μm。

在其中一个实施例中，所述电子阻挡层为P型铝镓氮材料，掺杂浓度为1.0×10¹⁸～2.0×10¹⁸cm^-3，Al组分含量为0.25～0.35，厚度为18～25nm。

在其中一个实施例中，所述包覆层为P型AlGaN，P型杂质为Mg，掺杂浓度为1.0×10¹⁸～2.0×10¹⁸cm^-3，Al组分含量为0.07～0.09，厚度为0.3～0.5μm

在其中一个实施例中，所述欧姆接触层为P型GaN材料，掺杂浓度为1.0×10¹⁸～2.5×10¹⁸cm^-3，厚度为0.1～0.2μm。

在其中一个实施例中，所述电极为P型电极。

所述InGaN/AlInN量子阱激光器的制作方法，包括如下步骤：

S1、在所述衬底上生长形成缓冲层；

S2、在所述缓冲层上生长形成下包覆层；

S3、在所述下包覆层上生长形成下V型波导层；

S4、在所述下V型波导层上生长形成有源区；

S5、在所述有源区上生长形成电子阻挡层；

S6、在所述电子阻挡层上生长形成上V型波导层；

S7、在所述上V型波导层上生长形成上包覆层；

S8、在所述上包覆层上生长形成欧姆接触层；

S9、在所述欧姆接触层生长形成电极。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明采用Al_xIn_1-xN材料代替了传统的GaN垒层材料，设计该量子垒层的优点在于：其一，通过调整垒层Al的组分，量子阱层InGaN材料与垒层AlInN材料有相近的晶格常数，两者晶格相匹配，减弱了有源区中的极化现象。由于极化场的减弱，InGaN/AlInN量子阱的能带不会像传统的InGaN/GaN量子阱的能带一样出现严重倾斜，降低了因能带倾斜而产生周期震荡的可能性，另外，垒阱层晶格相匹配，减少了量子阱内由于应力存在所产生的位错和缺陷，降低了非辐射复合中心密度，提高了激光器的内量子效率；其二，垒层Al成分的加入，增加了垒层的高度，有利于提高“量子阱陷阱效应”对缺陷和杂质的阻挡作用，且更多电子和空穴被限制在有源区，提高了有源区载流子的辐射复合率；其三，调整三元合金AlInN垒层的组分，可更好的补偿量子阱中的应力，减少压电极化和价带间耦合，有利于增强电子空穴的波函数空间的交叠，增大光学跃迁的矩阵元，提高量子阱激光器的增益。

(2)本发明采用V型波导层代替了传统InGaN或GaN波导层，设计该波导层的优点在于：其一，Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN波导层与包覆层和电子阻挡层之间的晶格相匹配，缓解了由于极化场存在产生的能带弯曲，提高了空穴的注入率，进而改善量子阱激光器的光学性能；其二，通过调整波导层材料的组分设计成V型波导层，在波导层与电子阻挡层界面处形成折射率垒，有效降低了界面的应力，约束了激光横向有源区上方的扩展，避免因应力存在而造成激光器腔面分层，增大激光器有源区的限制因子，各层界面相对平整，提高了激射效率，减少激光器的吸收损耗，降低了激光器的阀值电流；其三，采用组分渐变的波导层，可以降低异质结界面上的电压降，避免由突变波导中突变异质结能带界面造成的电压损耗，有利于把光从端面发射出去，提高激光器光电转化效率。

附图说明

图1是实施例InGaN/AlInN量子阱激光器结构示意图。

图2是实施例InGaN/AlInN量子阱激光器中有源区结构示意图。

附图标记说明：

1、衬底；2、缓冲层；3、下包覆层；4、下V型波导层；5、有源区；5a、Al_xIn_1-xN垒层；5b、InGaN阱层；5c、Al_xIn_1-xN垒层；5d、InGaN阱层；5e、Al_xIn_1-xN垒层；6、电子阻挡层；7、上V型波导层；8、上包覆层；9、欧姆接触层；10、电极。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

在本发明的术语中，p型表示掺杂Mg，n型表示掺杂Si。

如图1，一种InGaN/AlInN量子阱激光器，由下至上依次包括：衬底1、缓冲层2、下包覆层3、下V型波导层4、有源区5、电子阻挡层6、上V型波导层7、上包覆层8、欧姆接触层9和电极10。

进一步的，本实施例中，所述衬底1为GaN衬底，为同质外延。

进一步的，本实施例中，在所述GaN衬底1上生长形成N型铟镓氮缓冲层2，其中N型杂质为Si，掺杂浓度为2.0×10¹⁸～4.0×10¹⁸cm^-3，铟组分含量为0.04～0.06，厚度为0.3～0.5μm。更具体的，掺杂浓度为3.0×10¹⁸cm^-3，铟组分含量为0.05，厚度为0.1μm。

进一步的，本实施例中，在所述InGaN缓冲层2上生长N型AlGaN下包覆层3，N型杂质为Si，掺杂浓度为2.5×10¹⁸～3.5×10¹⁸cm^-3，Al组分含量为0.07～0.09，厚度为0.3～0.5μm。更具体的，掺杂浓度为3.5×10¹⁸cm^-3，Al组分含量为0.08，厚度为0.5μm。

进一步的，本本实施例中，在所述AlGaN下包覆层3上生长V型下波导层4，组成材料为组分渐变的Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN(x从0.08-0渐变，y从0-0.08)渐变，其中，V型下波导层4为N型掺杂，掺杂浓度为2.0×10¹⁷～4.5×10¹⁷cm^-3，厚度为0.1～0.3μm。更具体的，掺杂浓度为4.5×10¹⁷cm^-3，厚度为0.1μm。

进一步的，本实施例中，在所述V型下波导层4上生长有源区5。

进一步的，本实施例中，在所述有源区5上生长P型AlGaN电子阻挡层6，掺杂浓度为1.0×10¹⁸～2.0×10¹⁸cm^-3，Al组分含量为0.25～0.35，厚度为18～25nm。更具体的，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3，Al组分含量为0.32，厚度为20nm。

进一步的，本实施例中，在所述电子阻挡层6上生长V型上波导层7，组成材料为组分渐变的Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN(x从0.08-0，y从0-0.08)，其中，V型上波导层7为p型掺杂，掺杂浓度为1.0×10¹⁷～3.0×10¹⁷cm^-3，厚度为0.1～0.3μm。更具体的，掺杂浓度为2.0×10¹⁷cm^-3，厚度为0.1μm。

进一步的，本实施例中，在所述V型上波导层7上生长P型AlGaN上包覆层8，P型杂质为Mg，掺杂浓度为1.0×10¹⁸～2.0×10¹⁸cm^-3，Al组分含量为0.07～0.09，厚度为0.3～0.5μm。更具体的，掺杂浓度为1.5×10¹⁸cm^-3，Al组分含量为0.08，厚度为0.5μm。

进一步的，本实施例中，在所述上包覆层8上生长P型GaN欧姆接触层9，掺杂浓度为1.0×10¹⁸～2.5×10¹⁸cm^-3，厚度为0.1～0.2μm。更具体的，掺杂浓度为1.5×10¹⁸cm^-3，厚度为0.1μm。

进一步的，本实施例中，在所述P型GaN欧姆接触层9上面生长P型电极10。

Ⅲ-Ⅴ族氮化物的发射波长不仅与带隙有关而且和极化电场有关，极化电场是由自发极化和压电极化共同作用产生的结果。对量子阱激光器而言，垒层与阱层材料之间由于晶格常数相差很大，造成晶格不匹配进而产生压电极化。材料的自发极化强度只与组分有关系，参考文献知，三元氮化物的自发极化大小可以由下式给出：

P_sp(In_xGa_1-xN)＝-0.042x-0.034(1-x)+0.038x(1-x) (1)

P_sp(Al_xGa_1-xN)＝-0.090x-0.034(1-x)+0.019x(1-x) (2)

P_sp(Al_xIn_1-xN)＝-0.090x-0.042(1-x)+0.071x(1-x) (3)

当材料受到双轴应力时，其压电极化强度可以表示为：

其中e₃₃和e₁₃是压电系数，为沿着轴方向上的应变；为沿着C面上的应变。其中c₀和a₀表示热平衡时的晶格常数。其中，

其中c₁₃和c₃₃是弹性系数。

整理得：

总的极化强度为：

P_total＝P_sp+P_pz (7)

三元氮化物的禁带宽度大小可由下式给出：

E_g(Al_xGa_1-xN)＝xE_g(AlN)+(1-x)E_g(GaN)-0.7x(1-x) (8)

E_g(In_xGa_1-xN)＝xE_g(InN)+(1-x)E_g(GaN)-1.4x(1-x) (9)

E_g(Al_xIn_1-xN)＝xE_g(AlN)+(1-x)E_g(InN)-2.5x(1-x) (10)

三元氮化物的晶格常数大小可表示为：

a(Al_xGa_1-xN)＝x a(AlN)+(1-x)a(GaN) (11)

a(In_xGa_1-xN)＝x a(InN)+(1-x)a(GaN) (12)

a(Al_xIn_1-xN)＝x a(AlN)+(1-x)a(InN) (13)

表1Ⅲ-Ⅴ族氮化物的参数

通过理论计算可知，一方面，调整量子垒中Al和In材料的组分，使垒层材料的晶格常数与阱层材料的晶格常数相近，减少量子阱中的极化现象，降低阀值电流，提高激光器的内量子效率。另一方面，采用组分渐变的V型波导层，减弱波导层与包覆层和电子阻挡层间的晶格失配现象，减缓界面间压力，使能带界面平滑，有利于空穴的注入，降低内部损耗。

如图2所示，所述有源区5由下至上依次包括Al_xIn_1-xN垒层5a，InGaN阱层5b，Al_xIn_1-xN垒层5c，InGaN阱层5d，Al_xIn_1-xN垒层5e，其中，AlxIn1-xN垒层中Al的含量为0.15。在本实施例中，调整垒层材料Al的组分，使Al含量为0.15。阱层材料为InGaN，In组分含量为0.085，阱层厚度为2.5nm。垒层材料为Al_xIn_1-xN，垒层厚度为10nm。

参照表1量子垒阱层的各参数计算结果表知，量子阱层In_0.15Ga_0.85N的晶格常数由公式：

a(In_xGa_1-xN)＝x a(InN)+(1-x)a(GaN) (12)

计算得a(In_0.15Ga_0.85N)＝0.3117

量子垒层Al_0.15In_0.85N的晶格常数由公式

a(Al_xIn_1-xN)＝x a(AlN)+(1-x)a(InN) (13)

计算得a(Al_0.15In_0.85N)＝0.3117

垒层、阱层、包覆层和电子阻挡层三元化合物各参数计算结果见表2。由表2计算结果知，量子阱In_0.15Ga_0.85N/Al_0.15In_0.85N界面的压电极化为0，与传统InGaN或GaN垒相比，Al_0.15In_0.85N作为垒层材料，和阱层材料晶格相匹配，可极大的降低量子阱有源区的极化场，减少结构内部的缺陷，增强电子空穴的波函数空间的交叠，增大光学跃迁的矩阵元，提高量子阱激光器的增益。而且，垒中Al的加入增大了垒层高度，有效的把载流子限制在有源区，提高了电子和空穴的辐射复合，改善了量子阱激光器的光学性能。

在本实施例中，波导层的结构为V型结构。设计V型波导层的主要目的是实现激光器内部的波导效应，有源区发出的光经过耦合后在波导层内传播，从而将光发射出去。设计波导层时考虑到Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN(x从0.08-0，y从0-0.08)波导层与包覆层和电子阻挡层晶格匹配，进而缓解由于极化场存在产生的能带弯曲，提高空穴的注入效率。另一方面，V型波导层可以有效降低波导层与电子阻挡层界面间的应力，避免由于应力存在造成激光器腔面分层，增大激光器有源区的限制因子，减少激光器的吸收损耗，进而降低了激光器的阀值电流，有利于光的发射。

表2垒层、阱层、包覆层和电子阻挡层三元化合物参数计算结果

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种InGaN/AlInN量子阱激光器，其特征在于，由下至上依次包括：衬底(1)、缓冲层(2)、下包覆层(3)、下V型波导层(4)、有源区(5)、电子阻挡层(6)、上V型波导层(7)、上包覆层(8)、欧姆接触层(9)和电极(10)，所述下V型波导层(4)和上V型波导层(7)均为AlGaN材料，所述有源区(5)为InGaN/AlInN量子阱层。

2.根据权利要求1所述InGaN/AlInN量子阱激光器，其特征在于，所述有源区(5)由下至上依次包括Al_xIn_1-xN垒层(5a)，InGaN阱层(5b)，Al_xIn_1-xN垒层(5c)，InGaN阱层(5d)，Al_xIn_1-xN垒层(5e)，其中，Al_xIn_1-xN垒层中Al的含量为0.15。

3.根据权利要求2所述InGaN/AlInN量子阱激光器，其特征在于，所述InGaN阱层(5b)和InGaN阱层(5d)的总厚度为2～2.5nm，所述Al_xIn_1-xN垒层(5a)、Al_xIn_1-xN垒层(5c)和Al_xIn_{1- x}N垒层(5e)的总厚度为8～10nm。

4.根据权利要求1所述InGaN/AlInN量子阱激光器，其特征在于，所述下V型波导层(4)组成材料为组分渐变的Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN，其中，所述x从0.08-0渐变，所述y从0-0.08渐变。

5.根据权利要求4所述InGaN/AlInN量子阱激光器，其特征在于，所述下V型波导层(4)为N型掺杂，掺杂浓度为2.0×10¹⁷～4.5×10¹⁷cm^-3，厚度为0.1～0.3μm。

6.根据权利要求1所述InGaN/AlInN量子阱激光器，其特征在于，所述上V型波导层(7)组成材料为组分渐变的Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN，x从0.08-0渐变，Y从0-0.08渐变。

7.根据权利要求6所述InGaN/AlInN量子阱激光器，其特征在于，所述上V型上波导层(7)为p型掺杂，掺杂浓度为1.0×10¹⁷～3.0×10¹⁷cm^-3，厚度为0.1～0.3μm。

8.根据权利要求1所述InGaN/AlInN量子阱激光器，其特征在于，所述缓冲层(2)为N型铟镓氮缓冲层，其中N型杂质为Si，掺杂浓度为2.0×10¹⁸～4.0×10¹⁸cm^-3，铟组分含量为0.04～0.06，厚度为0.3～0.5μm。

9.根据权利要求1所述InGaN/AlInN量子阱激光器，其特征在于，所述下包覆层(3)为N型AlGaN下包覆层，N型杂质为Si，掺杂浓度为2.5×10¹⁸～3.5×10¹⁸cm^-3，Al组分含量为0.07～0.09，厚度为0.3～0.5μm。

10.权利要求1-9任一权利要求所述InGaN/AlInN量子阱激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、在所述衬底(1)上生长形成缓冲层(2)；

S2、在所述缓冲层(2)上生长形成下包覆层(3)；

S3、在所述下包覆层(3)上生长形成下V型波导层(4)；

S4、在所述下V型波导层(4)上生长形成有源区(5)；

S5、在所述有源区(5)上生长形成电子阻挡层(6)；

S6、在所述电子阻挡层(6)上生长形成上V型波导层(7)；

S7、在所述上V型波导层(7)上生长形成上包覆层(8)；

S8、在所述上包覆层(8)上生长形成欧姆接触层(9)；

S9、在所述欧姆接触层(9)生长形成电极(10)，即得所述InGaN/AlInN量子阱激光器。