CN107809057A - GaN基复合DBR谐振腔激光器外延片、激光器及制备方法 - Google Patents

GaN基复合DBR谐振腔激光器外延片、激光器及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了GaN基复合DBR谐振腔激光器外延片、激光器及制备方法，所述GaN基复合DBR谐振腔激光器外延片由下至上依次包括：衬底、缓冲层、AlN/GaN布拉格反射镜、n‑GaN层、下波导层、多量子阱层、上波导层、超晶格电子阻挡层、p‑GaN层，所述超晶格电子阻挡层的材料为Al组分渐变的p‑AlxGa1‑xN/GaN，其中，0<x<0.5。所述GaN基复合DBR谐振腔激光器由下至上依次包括：所述GaN复合DBR谐振腔激光器外延片、介质膜、ITO电流扩展层、介质膜布拉格反射镜、正电极、负电极。本发明所述GaN基复合DBR谐振腔激光器阀值低、光学损耗低、晶格失配度低，p型层的空穴注入效率高。

Description

GaN基复合DBR谐振腔激光器外延片、激光器及制备方法
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器件技术领域，具体的，本发明涉及一种GaN基复合DBR谐振腔激光器外延片、激光器及制备方法。
背景技术
GaN及其化合物的禁带宽度从0.7eV(InN)到6.2eV(AlN)连续可调，以GaN基半导体材料作为有源区发光材料，发光波长可从近红外到深紫外，涵盖了整个可见光波段。相比于传统LED器件，GaN基半导体激光器具有效率高、体积小、光功率密度高、方向性好及输出光谱半宽小等优点，在高密度信息储存、激光显示、可见光通信以及海底无线通信等领域有着广泛的应用。
对于GaN基布拉格反射镜(DBR)谐振腔激光器而言，GaN系列材料相互之间折射率差较小，其制备的氮化物DBR高反带带宽较窄；而介质膜DBR材料相互之间折射率差较大，高反带带宽较宽，较少的周期数即可达到较高的折射效率，且介质膜禁带宽度相对较宽，对蓝光自吸收减小。
对于GaN基蓝光激光器而言，其量子阱深度较小，对载流子的束缚力弱，从n型区注入的有效质量较小的电子容易越过量子阱区到达p型区与空穴发生非辐射复合，降低发光效率。为提高发光效率，通常的做法是在量子阱区和p型区之间插入禁带间隙更宽的AlGaN电子阻挡层来消除。但是，p-AlGaN层在阻挡电子泄露的同时，会增加空穴注入的难度。并且AlGaN和GaN材料存在一定晶格失配，导致量子阱区和p-AlGaN层间形成张应力。
为克服上述问题，诸多专利致力于提升P型层空穴注入效率，降低激光器损耗，优化激光器结构及生产工艺。如专利201620861190.0提出采用p-NiO代替p-GaN作为空穴注入层和光散射层；专利201610183087.x提出了一种应力调控波导层，降低量子阱层的应力；专利201510828233.5提出了一种介质膜上限制层结构，增加激光器限制因子及降低损耗。然而，上述专利提出的方案仍存在激光材料自身光吸收强、器件内微分量子效率低等不足。
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基复合DBR谐振腔激光器外延片，所述GaN基复合DBR谐振腔激光器外延片采用Al组分渐变的AlGaN/GaN超晶格结构作为电子阻挡层，增加了激光器光场限制因子，降低了材料的晶格失配度，提高了p型层的空穴注入效率。
本发明的另一目的在于提供一种GaN基复合DBR谐振腔激光器，所述GaN基复合DBR谐振腔激光器阀值低、光学损耗低、晶格失配度低，p型层的空穴注入效率高。
其技术方案如下：
一种GaN基复合DBR谐振腔激光器外延片，由下至上依次包括：衬底、缓冲层、AlN/GaN布拉格反射镜、n-GaN层、下波导层、多量子阱层、上波导层、超晶格电子阻挡层、p-GaN层，所述超晶格电子阻挡层的材料为Al组分渐变的p-AlxGa1-xN/GaN，其中，0<x<0.5。
本发明采用Al组分渐变的AlGaN/GaN超晶格结构作为电子阻挡层，可以增加激光器光场限制因子，降低材料的晶格失配度，提高p型层的空穴注入效率。
在其中一个实施例中，所述超晶格电子阻挡层中Al组分先递增后递减。当Al组分逐渐增加时，p型AlxGa1-xN的折射率逐渐减小，其与GaN层的折射率差逐渐增大，对光场的限制作用增强，光场在光学吸收较大的p型区的分布减小，光学损耗降低。当Al组分逐渐减小时，AlxGa1-xN层与GaN层材料的晶格失配度逐渐降低，空穴势垒阻挡高度逐渐下降，利于空穴有效注入有源区。
在其中一个实施例中，所述超晶格电子阻挡层包括5个垒层，垒层中Al组分依次为0.1、0.2、0.3、0.2、0.1，AlxGa1-xN和GaN的厚度均为2.5nm，周期数为5。
在其中一个实施例中，所述AlN/GaN布拉格反射镜的反射镜周期数为20～150。
在其中一个实施例中，所述衬底为蓝宝石衬底，厚度为300～500μm。
在其中一个实施例中，所述缓冲层为GaN缓冲层，厚度为1～3μm。
在其中一个实施例中，所述n-GaN层的厚度为1～5μm。
在其中一个实施例中，所述下波导层为掺Si的n型AlyGa1-yN，其中0<y<0.1，厚度为100～500nm。
在其中一个实施例中，所述多量子阱发光层为InGaN/GaN多量子阱发光层，所述InGaN/GaN多量子阱中InGaN和GaN的厚度分别为2nm和10nm，周期数为5。
在其中一个实施例中，所述上波导层为掺Si的n型AlyGa1-yN，其中，0<y<0.1，厚度为100～500nm。
在其中一个实施例中，所述p-GaN层为掺Mg的p型GaN，厚度为50～20nm。
一种GaN基复合DBR谐振腔激光器，由下至上依次包括：所述GaN复合DBR谐振腔激光器外延片、介质膜、ITO电流扩展层、介质膜布拉格反射镜、正电极、负电极。
本发明所述GaN基复合DBR谐振腔激光器采用复合AlN/GaN-介质膜DBR谐振腔结构，减少了器件自身对光的吸收，并且在p-GaN层上沉积介质膜上形成电流限制，同时形成光学限制，降低了激光器阀值。
在其中一个实施例中，所述介质膜的材料为由SiO2、TiO2、Si3N4、Ta2O5、AlN中的一种或者多种组成，介质膜的厚度为10～50nm。
在其中一个实施例中，所述ITO电流扩展层的厚度为10～100nm。
在其中一个实施例中，所述介质膜布拉格反射镜的材料为由SiO2、TiO2、Si3N4、Ta2O5、AlN中的一种或者多种组成，周期数为10～100。
在其中一个实施例中，所述正电极的金属材料为Pd/Pt/Au。
在其中一个实施例中，所述负电极的金属材料为Ti/Pt。
所述GaN基复合DBR谐振腔激光器的制作方法，包括如下步骤：
S1、在所述外延片的表面p-GaN层上沉积介质膜；
S2、通过光刻或刻蚀技术，在所述介质膜上形成窗口，且窗口区深度贯穿至所述p-GaN层；
S3、在所述窗口区及其周围沉积ITO电流扩展层；
S4、在所述ITO电流扩展层上表面交替沉积高低折射率材料，形成介质膜布拉格反射镜；
S5、通过光刻或刻蚀技术，刻蚀掉外延片边缘部分，深度至n-GaN层；
S6、通过光刻或刻蚀技术，刻蚀掉介质膜布拉格反射镜的边缘部分，深度至ITO电流扩展层；
S7、在刻蚀出的所述n-GaN层和刻蚀出的所述ITO电流扩展层上沉积金属，通过光刻或刻蚀技术，形成负电极和正电极。
本发明的有益效果在于：(1)本发明采用Al组分含量渐变的p-AlxGa1-xN/GaN超晶格结构作为电子阻挡层，在阻挡电子泄露的同时，降低了材料的晶格失配度，提高了p型层的空穴注入效率；由于Al组份含量渐变，当Al组分的逐渐增加时，p型AlxGa1-xN的折射率逐渐减小，其与GaN层的折射率差逐渐增大，对光场的限制作用增强，光场在光学吸收较大的p型区的分布减小，光学损耗降低，当Al组分逐渐减小时，AlxGa1-xN层与GaN层材料的晶格失配度逐渐降低，空穴势垒阻挡高度逐渐下降，利于空穴有效注入有源区；(2)本发明采用复合AlN/GaN-介质膜DBR谐振腔结构，减少了器件自身对光的吸收，并且在p-GaN层上沉积介质膜上形成电流限制，同时形成光学限制，降低了激光器阀值。
附图说明
图1为实施例GaN基复合DBR谐振腔激光器外延片结构示意图。
图2为超晶格电子阻挡层的能带(导带)示意图。
图3为实施例GaN基复合DBR谐振腔激光器结构示意图。
附图标记说明：1、衬底；2、缓冲层；3、AlN/GaN布拉格反射镜；4、n-GaN层；5下波导层；6、多量子阱层；7、上波导层；8、超晶格电子阻挡层；9、p-GaN层；10、介质膜；11、ITO电流扩展层；12、介质膜布拉格反射镜；13、正电极；14是负电极。
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所示，一种GaN基复合DBR谐振腔激光器外延片，由下至上依次包括：衬底1、缓冲层2、AlN/GaN布拉格反射镜3、n-GaN层4、下波导层5、多量子阱层6、上波导层7、超晶格电子阻挡层8、p-GaN层9，所述超晶格电子阻挡层8的材料为Al组分渐变的p-AlxGa1-xN/GaN，其中，0<x<0.5。
进一步的，在本实施例中，所述衬底1为蓝宝石衬底，厚度为300～500μm。
进一步的，在本实施例中，所述缓冲层2为GaN缓冲层，厚度为1～3μm。
所述GaN基复合DBR谐振腔激光器的布拉格反射镜3周期数，由所要制造的激光器波长及其特性所设定。进一步的，在本实施例中，所述AlN/GaN布拉格反射镜3的反射镜周期数为20～150。
进一步的，在本实施例中，n-GaN层4的厚度为1～5μm。
进一步的，在本实施例中，下波导层5为掺Si的n型AlyGa1-yN，其中0<y<0.1，厚度为100～500nm。
进一步的，在本实施例中，所述多量子阱发光层6为InGaN/GaN多量子阱发光层，所述InGaN/GaN多量子阱中InGaN和GaN的厚度分别为2nm和10nm，周期数为5。
进一步的，在本实施例中，所述上波导层7为掺Si的n型AlyGa1-yN，其中，0<y<0.1，厚度为100～500nm。
进一步的，在本实施例中，所述超晶格电子阻挡层8中Al组分先递增后递减。更具体的，所述超晶格电子阻挡层8包括5个垒层，垒层中Al组分依次为0.1、0.2、0.3、0.2、0.1，AlxGa1-xN和GaN的厚度均为2.5nm，周期数为5，其导带示意图见图2。
进一步的，在本实施例中，所述p-GaN层为掺Mg的p型GaN，厚度为50～20nm。
如图3所示，一种GaN基复合DBR谐振腔激光器，由下至上依次包括：所述GaN复合DBR谐振腔激光器外延片、介质膜10、ITO电流扩展层11、介质膜布拉格反射镜12、正电极13、负电极14。
进一步的，在本实施例中，所述介质膜10的材料为由SiO2、TiO2、Si3N4、Ta2O5、AlN中的一种或者多种组成，介质膜10的厚度为10～50nm。
进一步的，在本实施例中，所述ITO电流扩展层11的厚度为10～100nm。
所述GaN基复合DBR谐振腔激光器的介质膜布拉格反射镜的周期数由所要制造的激光器波长及其特性所设定。进一步的，在本实施例中，所述介质膜布拉格反射镜12的材料为由SiO2、TiO2、Si3N4、Ta2O5、AlN中的一种或者多种组成，周期数为10～100。
进一步的，在本实施例中，所述正电极13的金属材料为Pd/Pt/Au；
本实施例中，所述GaN基复合DBR谐振腔激光器的制作方法，包括如下步骤：
S1、在所述外延片的表面p-GaN层9上沉积介质膜10；
S2、通过光刻或刻蚀技术，在所述介质膜10上形成窗口，且窗口区深度贯穿至所述p-GaN层9；
S3、在所述窗口区及其周围沉积ITO电流扩展层11；
S4、在所述ITO电流扩展层11上表面交替沉积高低折射率材料，形成介质膜布拉格反射镜12；
S5、通过光刻或刻蚀技术，刻蚀掉外延片边缘部分，深度至n-GaN层4；
S6、通过光刻或刻蚀技术，刻蚀掉介质膜布拉格反射镜12的边缘部分，深度至ITO电流扩展层11；
S7、在刻蚀出的所述n-GaN层4和刻蚀出的所述ITO电流扩展层11上沉积金属，通过光刻或刻蚀技术，形成负电极14和正电极13。
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基复合DBR谐振腔激光器外延片，其特征在于，由下至上依次包括：衬底(1)、缓冲层(2)、AlN/GaN布拉格反射镜(3)、n-GaN层(4)、下波导层(5)、多量子阱层(6)、上波导层(7)、超晶格电子阻挡层(8)、p-GaN层(9)，所述超晶格电子阻挡层(8)的材料为Al组分渐变的p-AlxGa1-xN/GaN，其中，0<x<0.5。
2.根据权利要求1所述GaN基复合DBR谐振腔激光器外延片，其特征在于，所述超晶格电子阻挡层(8)中Al组分先递增后递减。
3.根据权利要求2所述GaN基复合DBR谐振腔激光器外延片，其特征在于，所述超晶格电子阻挡层(8)包括5个垒层，垒层中Al组分依次为0.1、0.2、0.3、0.2、0.1，AlxGa1-xN和GaN的厚度均为2.5nm，周期数为5。
4.根据权利要求1所述GaN基复合DBR谐振腔激光器外延片，其特征在于，所述AlN/GaN布拉格反射镜(3)的反射镜周期数为20～150。
5.一种GaN基复合DBR谐振腔激光器，其特征在于，由下至上依次包括：权利要求1-4任一权利要求所述GaN复合DBR谐振腔激光器外延片、介质膜(10)、ITO电流扩展层(11)、介质膜布拉格反射镜(12)、正电极(13)、负电极(14)。
6.根据权利要求5所述GaN基复合DBR谐振腔激光器，其特征在于，所述介质膜(10)的材料为由SiO2、TiO2、Si3N4、Ta2O5、AlN中的一种或者多种组成，介质膜(10)的厚度为10～50nm。
7.根据权利要求5所述GaN基复合DBR谐振腔激光器，其特征在于，所述ITO电流扩展层(11)的厚度为10～100nm。
8.根据权利要求5所述GaN基复合DBR谐振腔激光器，其特征在于，所述介质膜布拉格反射镜(12)的材料为由SiO2、TiO2、Si3N4、Ta2O5、AlN中的一种或者多种组成，周期数为10～100。
9.根据权利要求5所述GaN基复合DBR谐振腔激光器，其特征在于，所述正电极(13)的金属材料为Pd/Pt/Au。
10.权利要求5～9任一权利要求所述GaN基复合DBR谐振腔激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在所述外延片的表面p-GaN层(9)上沉积介质膜(10)；
S2、通过光刻或刻蚀技术，在所述介质膜(10)上形成窗口，且窗口区深度贯穿至所述p-GaN层(9)；
S3、在所述窗口区及其周围沉积ITO电流扩展层(11)；
S4、在所述ITO电流扩展层(11)上表面交替沉积高低折射率材料，形成介质膜布拉格反射镜(12)；
S5、通过光刻或刻蚀技术，刻蚀掉外延片边缘部分，深度至n-GaN层(4)；
S6、通过光刻或刻蚀技术，刻蚀掉介质膜布拉格反射镜(12)的边缘部分，深度至ITO电流扩展层(11)；
S7、在刻蚀出的所述n-GaN层(4)和刻蚀出的所述ITO电流扩展层(11)上沉积金属，通过光刻或刻蚀技术，形成负电极(14)和正电极(13)。
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