CN107742825A - GaN基新型结构激光器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GaN基新型结构激光器及其制作方法，所述GaN基新型结构激光器从下至上依次包括：衬底、下限制层、下波导层、有源区层、未掺杂的AlInGaN极化缓解层、电子阻挡层、上波导层、上限制层、欧姆接触层，以及位于衬底的下表面的n型欧姆电极。本发明所述GaN基新型结构激光器在有源区和电子阻挡层之间插入了一层未掺杂的AlInGaN，可以降低极化效应，缓解了有源区和电子阻挡层表面的部分压力，有助于增加载流子的有效势垒高度，从而有利于减少吸收损耗和阀值电流，使激光器的性能得到显著提升。

Description

GaN基新型结构激光器及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，具体的，本发明涉及GaN基新型结构激光器及其制作方法。

背景技术

半导体激光器是用半导体材料制作的激光器，其中砷化镓、硫化镉、硫化铟等工作物质最为常见。半导体激光器因体积小、重量轻、耗电少、效率低、运转可靠，在激光通信、光存储、激光打印，测距灯方面得到广泛应用。Ⅲ族氮化物作为第三代半导体，具有宽禁带，抗辐照性强，光谱范围广，在光电子与微电子领域有极大的应用价值。GaN基激光器在高密度光存储领域也取得了广泛地商业应用，在光通信、激光显示、水下通信、医疗方面及军事设备发面均具有重要价值。蓝光激光器(LD)将对IT业的数据存储产生革命性的影响。在军事领域，因为其具有驱动消耗低，输出能量大的特点，激光读取器可将目前的信息存储量提高很多倍，还可提高探测器的准确性及隐蔽性。现在，这种器件的最大输出功率可达420mW，阈值电流密度低到1.2kA/cm²，转变电压4.3V，在线性区的量子效率可以达到39％。综上所述，蓝光LD可应用于探测器、数据存储、光学阅读、激光高速印刷等领域，且在光纤通信、卫星通信和海洋光通信领域也有广泛的应用前景。

然而，GaN基激光器的研究面临一个很重要的问题，当激光器处于工作状态下时，大量的电流会从有源区溢出，使得它的发光效率大大降低，并且溢出的电流产生的热量会使激光器的结温迅速升高，从而影响它的寿命。在Ⅲ族氮化物半导体材料激光器中，这种情况更严重，因此它们的阈值电流密度一般比较高。在这种情况下，由于量子阱中势垒的高度较小，电子更容易越过势垒而溢出有源区，因此尽量减少电子从有源区溢出，对提高激光器的性能大有裨益。为了防止电子泄露，通常在有源区上直接插入p型AlGaN电子阻挡层，虽然它可以减少电子从有源区中泄露，但其不仅有较大的电阻，而且会对有源区发出的光有较强的吸收，从而使激光器的损耗增大，阀值电流增大，这些都不利于激光器性能的提升。

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GaN基新型结构激光器，所述GaN基新型结构激光器在有源区和电子阻挡层之间插入了一层未掺杂的AlInGaN，可以降低极化效应，缓解了有源区和电子阻挡层表面的部分压力，有助于增加载流子的有效势垒高度，从而有利于减少吸收损耗和阀值电流，使激光器的性能得到显著提升。

本发明的另一目的在于提供所述GaN基新型结构激光器的制作方法。

具体技术方案如下：

一种GaN基激光器，从下至上依次包括：衬底、下限制层、下波导层、有源区层、未掺杂的AlInGaN(u-AlInGaN)极化缓解层、电子阻挡层、上波导层、上限制层、欧姆接触层，以及位于衬底的下表面的n型欧姆电极。

一般情况下，电子阻挡层会对有源区发光峰有较强的吸收，使阀值电流增大。本发明通过在有源区层和电子阻挡层中插入的未掺杂的AlInGaN层，可以有效的降低极化效应，改变载流子的有效势垒高度，从而减少电子的泄露，缓解内部损耗，降低激光器的阀值电流和工作电压，从而延长激光器的工作时间，使激光器的性能得到显著提升。

在其中一个实施例中，所述未掺杂的AlInGaN极化缓解层的厚度为5～10nm。

在其中一个实施例中，所述衬底为GaN衬底。

在其中一个实施例中，所述下限制层为n型AlGaN/GaN超晶格下限制层，Si掺杂浓度为2×10¹⁵～3×10¹⁸cm^-3，厚度为500～800nm。

在其中一个实施例中，所述下波导层为n型GaN下波导层，Si掺杂浓度为2×10¹⁴～3×10¹⁷cm^-3，厚度为80～120nm。

在其中一个实施例中，所述有源区层为为3个周期的多量子阱InGaN/GaN有源区层。

在其中一个实施例中，所述电子阻挡层为p型AlGaN电子阻挡层，Mg掺杂浓度为2×10¹⁴～5×10¹⁷cm^-3，厚度为10～30nm。

在其中一个实施例中，所述上波导层为p型GaN上波导层，Mg掺杂浓度为2×10¹⁴～3×10¹⁷cm^-3，厚度为50～100nm。

在其中一个实施例中，所述欧姆接触层为p型GaN欧姆接触层，Mg掺杂浓度为6×10¹⁶～3×10²⁰cm^-3，厚度为200～500nm。

所述GaN基激光器的制作方法，包括如下步骤：

S1、在所述衬底上生长形成下限制层；

S2、在所述下限制层上生长形成下波导层；

S3、在所述下波导层上生长形成量子阱有源区层；

S4、在所述量子阱有源区层上生长形成未掺杂的AlInGaN极化缓解层；

S5、在所述未掺杂的AlInGaN极化缓解层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波导层；

S7、在所述上波导层上生长形成上限制层；

S8、在所述上限制层上生长形成欧姆接触层；

S9、用刻饰法将所述上限制层和欧姆接触层刻出对称结构的脊形结构，然后蒸镀绝缘层二氧化硅，最后在衬底的下表面镀上n型欧姆电极，即得所述GaN基激光器。

本发明的有益效果在于：本发明在有源区层和电子阻挡层中插入未掺杂的AlInGaN层，可以有效的降低极化效应，改变了载流子的有效势垒高度，从而减少电子的泄露，缓解内部损耗，降低激光器的阀值电流和工作电压，延长了激光器的工作时间。

附图说明

图1为实施例GaN基激光器的结构侧面剖视图。

附图标记说明：

1、衬底；2、下限制层；3、下波导层；4、量子阱有源区层；5、u-AlInGaN极化缓解层；6、电子阻挡层；7、上波导层；8、上限制层、9、欧姆接触层；10、n型欧姆电极。

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，u型表示不掺杂，n型表示掺杂Si。

如图1所示，一种GaN基激光器，从下至上依次包括：衬底1、下限制层2、下波导层3、有源区层4、未掺杂的AlInGaN(u-AlInGaN)极化缓解层5、电子阻挡层6、上波导层7、上限制层8、欧姆接触层9，以及位于衬底1的下表面的n型欧姆电极10。

本发明目的是在有源区和电子阻挡层之间插入一层未掺杂的AlInGaN(u-AlInGaN)，因为直接的p-AlGaN电子阻挡层会对有源区发光峰有较强的吸收，使阀值电流增大。但AlInGaN的使用可以降低极化效应，缓解有源区和EBL表面的部分压力，有助于增加载流子的有效势垒高度，从而有利于减少吸收损耗和阀值电流。

AlInGaN能带的大小可用以下公式计算：

其中x，y和z＝1-x-y分别是AlInGaN材料中Al，In和Ga的含量数值，B是材料的能带弯曲参数，AlInN，InGaN和AlGaN的能带参数大致分别为2.5eV，1.4eV和0.7eV。

由此可见，本发明通过在有源区层和电子阻挡层中插入的未掺杂的AlInGaN层，可以有效的降低极化效应，改变载流子的有效势垒高度，从而减少电子的泄露，缓解内部损耗，降低激光器的阀值电流和工作电压，从而延长激光器的工作时间，使激光器的性能得到显著提升。

进一步的，本实施例中，所述u-AlInGaN极化缓解层5的厚度为5～10nm，更具体的，所述u-AlInGaN极化缓解层5为未掺杂Al_0.15In_0.05Ga_0.8N，厚度为10nm。

进一步的，本实施例中，所述衬底1为GaN衬底。

进一步的，本实施例中，所述下限制层2为n型AlGaN/GaN超晶格下限制层，Si掺杂浓度为2×10¹⁵～3×10¹⁸cm^-3，厚度为500～800nm。更具体的，所述下限制层2为n-A_l0.15Ga_0.85N/GaN超晶格下限制层，Si掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3，厚度为700nm，阱宽2.0nm，垒宽2.0nm。

进一步的，本实施例中，所述下波导层3为n型GaN下波导层，Si掺杂浓度为2×10¹⁴～3×10¹⁷cm^-3，厚度为80～120nm。更具体的，Si掺杂浓度为2×10¹⁷cm^-3，厚度为80nm。

进一步的，本实施例中，所述有源区层4为3个周期的多量子阱InGaN/GaN有源区层。更具体的，所述有源区层4为In_0.14Ga_0.86N/GaN有源区层，阱宽为2nm，垒宽为12nm。

进一步的，本实施例中，所述电子阻挡层6为p型AlGaN电子阻挡层，Mg掺杂浓度为2×10¹⁴～5×10¹⁷cm^-3，厚度为10～30nm。更具体的，所述电子阻挡层6为p-Al_0.2Ga_0.8N电子阻挡层，Mg掺杂浓度为2×10¹⁷cm^-3，厚度为20nm。

进一步的，本实施例中，所述上波导层7为p型GaN上波导层，Mg掺杂浓度为2×10¹⁴～3×10¹⁷cm^-3cm^-3，厚度为50～100nm。更具体的，Mg掺杂浓度为2×10¹⁷cm^-3，厚度为100nm。

进一步的，本实施例中，所述上限制层8为p型AlGaN/GaN上限制层，Mg掺杂浓度为5×10¹⁵～3×10¹⁸cm^-3，厚度为500-800nm。更具体的，所述上限制层8为Al_0.15Ga_0.85N/GaNMg上限制层，掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3，阱宽3nm，垒宽3nm，厚度为500nm。

进一步的，本实施例中，所述欧姆接触层9为p型GaN欧姆接触层，Mg掺杂浓度为6×10¹⁶～3×10²⁰cm^-3，厚度为200～500nm。更具体的，Mg掺杂浓度为3×10¹⁹cm^-3，厚度为200nm。

所述GaN基激光器的制作方法，包括如下步骤：

S1、在所述衬底1上生长形成下限制层2；

S2、在所述下限制层2上生长形成下波导层3；

S3、在所述下波导层3上生长形成量子阱有源区层4；

S4、在所述量子阱有源区层4上生长形成未掺杂的AlInGaN极化缓解层5；

S5、在所述未掺杂的AlInGaN极化缓解层5上生长形成电子阻挡层6；

S6、在所述电子阻挡层6上生长形成上波导层7；

S7、在所述上波导层7上生长形成上限制层8；

S8、在所述上限制层8上生长形成欧姆接触层9；

S9、用刻饰法将所述上限制层8和欧姆接触层9刻出对称结构的脊形结构，然后蒸镀绝缘层二氧化硅，最后在衬底的下表面镀上n型欧姆电极，实现欧姆接触的电极，即得所述GaN基激光器。

在本实施例中，通过金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)、分子束外延(MBE)或其他方式生长各结构层。

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GaN基激光器，其特征在于，从下至上依次包括：衬底(1)、下限制层(2)、下波导层(3)、有源区层(4)、未掺杂的AlInGaN极化缓解层(5)、电子阻挡层(6)、上波导层(7)、上限制层(8)、欧姆接触层(9)，以及位于衬底(1)的下表面的n型欧姆电极(10)。

2.根据权利要求1所述GaN基激光器，其特征在于，所述未掺杂的AlInGaN极化缓解层(5)的厚度为5～10nm。

3.根据权利要求1所述GaN基激光器，其特征在于，所述衬底(1)为GaN衬底。

4.根据权利要求1所述GaN基激光器，其特征在于，所述下限制层(2)为n型AlGaN/GaN超晶格下限制层，Si掺杂浓度为2×10¹⁵～3×10¹⁸cm^-3，厚度为500～800nm。

5.根据权利要求1所述GaN基激光器，其特征在于，所述下波导层(3)为n型GaN下波导层，Si掺杂浓度为2×10¹⁴～3×10¹⁷cm^-3，厚度为80～120nm。

6.根据权利要求1所述GaN基激光器，其特征在于，所述有源区层(4)为3个周期的多量子阱InGaN/GaN有源区层。

7.根据权利要求1所述GaN基激光器，其特征在于，所述电子阻挡层(6)为p型AlGaN电子阻挡层，Mg掺杂浓度为2×10¹⁴～5×10¹⁷cm^-3，厚度为10～30nm。

8.根据权利要求1所述GaN基激光器，其特征在于，所述上波导层(7)为p型GaN上波导层，Mg掺杂浓度为2×10¹⁴～3×10¹⁷cm^-3cm^-3，厚度为50～100nm。

9.根据权利要求1所述GaN基激光器，其特征在于，所述上限制层(8)为p型AlGaN/GaN上限制层，Mg掺杂浓度为5×10¹⁵～3×10¹⁸cm^-3，厚度为500～800nm。

10.权利要求1-9任一权利要求所述GaN基激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、在所述衬底(1)上生长形成下限制层(2)；

S2、在所述下限制层(2)上生长形成下波导层(3)；

S3、在所述下波导层(3)上生长形成量子阱有源区层(4)；

S4、在所述量子阱有源区层(4)上生长形成未掺杂的AlInGaN极化缓解层(5)；

S5、在所述未掺杂的AlInGaN极化缓解层(5)上生长形成电子阻挡层(6)；

S6、在所述电子阻挡层(6)上生长形成上波导层(7)；

S7、在所述上波导层(7)上生长形成上限制层(8)；

S8、在所述上限制层(8)上生长形成欧姆接触层(9)；

S9、用刻饰法将所述上限制层(8)和欧姆接触层(9)刻出对称结构的脊形结构，然后蒸镀绝缘层二氧化硅，通过刻蚀只有脊形两侧非突出部分和脊形中央突出的上限制层的两侧保留绝缘层，然后在绝缘层和接触层上制作p形欧姆电极，最后在衬底(1)的下表面镀上n型欧姆电极(10)，即得所述GaN基激光器。