CN109873299B - 低V型缺陷密度的GaN基多量子阱激光器外延片及制备方法 - Google Patents

Abstract

低V型缺陷密度的GaN基多量子阱激光器外延片及制备方法，制备方法包括：对衬底(10)进行退火及表面清洁，并在衬底(10)上依次外延生长n型GaN层(11)、n型AlGaN限制层(12)、非故意掺杂下波导层(13)、InGaN/GaN多量子阱发光层(14)、p型AlGaN电子阻挡层(15)、非故意掺杂上波导层(16)、p型AlGaN限制层(17)和p型欧姆接触层(18)，其中，InGaN/GaN多量子阱发光层(14)包括InGaN阱层和GaN垒层，生长GaN垒层时通入TMIn源，以抑制GaN垒层中V型缺陷的形成，消除InGaN/GaN多量子阱中常见的V型缺陷，从而降低器件反向漏电、减少器件吸收损耗并提高量子阱热稳定性。

Description

低V型缺陷密度的GaN基多量子阱激光器外延片及制备方法

技术领域

本公开涉及半导体器件技术领域，具体地，涉及一种低V型缺陷密度的GaN基多量子阱激光器外延片及制备方法。

背景技术

GaN基材料的光谱覆盖了近红外到深紫外波段，在光电子学领域有重要的应用价值，尤其以InGaN低维结构为有源区的GaN基半导体激光器，可以实现蓝光和绿光激光发射。其中，绿光激光器面临的难点主要有：(1)InGaN阱层In组分较高，一般为20-30％，高In组分InGaN量子阱材料生长困难大，缺陷密度高，发光效率低；(2)高In组分InGaN存在较强的相分凝，组分波动严重，使得后续生长高温P型时，量子阱发生热退化，尤其是存在缺陷的情况下，缺陷处应力不同，造成In组分分布更加不均匀，使量子阱热稳定性进一步变差；(3)由于量子阱层采用高In组分的InGaN材料，InGaN阱层和GaN层的晶格失配增加，量子阱区的应力大，极化效应导致的量子限制斯塔克效应变强；(4)由于GaN垒层采用较低的生长温度生长，原子表面迁移能力低，导致量子阱生长表面存在很多的V型缺陷。

V型缺陷会恶化器件的反向漏电特性，并产生额外的热，缩短器件寿命，V型缺陷还会形成吸收中心，增加器件的吸收损耗，增加器件的阈值特性，此外，P型Mg杂质在激光器使用过程中可以通过V型缺陷迁移，造成器件失效。因此，抑制InGaN/GaN多量子阱区缺陷的形成，对增加InGaN/GaN多量子阱的热稳定性、激光器阈值、功率乃至寿命都会有重要影响，尤其是GaN基长波长激光器。经过前期研究，我们发现量子阱中的V-pit缺陷主要形成于低温生长的GaN垒层而不是形成于InGaN阱层，因此要消除GaN基多量子阱激光器外延片中的V型缺陷，对GaN垒层的生长方法的研究至关重要。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种低V型缺陷密度的GaN基多量子阱激光器外延片及制备方法，解决以上技术问题。

(二)技术方案

本公开提供了一种低V型缺陷密度的GaN基多量子阱激光器外延片的制备方法，包括：步骤1：对衬底进行退火，并清洁所述衬底的表面；步骤2：在所述衬底上外延生长n型GaN层；步骤3：在所述n型GaN层上外延生长n型AlGaN限制层；步骤4：在所述n型AlGaN限制层上外延生长非故意掺杂下波导层；步骤5：在所述非故意掺杂下波导层上外延生长InGaN/GaN多量子阱发光层，其中，所述InGaN/GaN多量子阱发光层包括InGaN阱层和GaN垒层，在所述GaN垒层生长过程中通入TMIn源，以消除所述InGaN/GaN多量子阱发光层中的V型缺陷；步骤6：在所述InGaN/GaN多量子阱发光层上外延生长p型AlGaN电子阻挡层；步骤7：在所述p型AlGaN电子阻挡层上外延生长非故意掺杂上波导层；步骤8：在所述非故意掺杂上波导层上外延生长p型AlGaN限制层；步骤9：在所述p型AlGaN限制层上外延生长p型欧姆接触层。

可选地，所述n型AlGaN限制层中Al组分为5％-20％，其生长温度为1000-1200℃，其厚度为0.1-1μm。

可选地，所述非故意掺杂下波导层的材料为GaN或InGaN，其厚度为0.05-0.3μm。

可选地，所述InGaN/GaN多量子阱发光层包括1-5个周期的所述InGaN阱层和GaN垒层，其发光波长为400-530nm，所述InGaN阱层中In组分为5％-25％。

可选地，所述InGaN/GaN多量子阱发光层的生长温度为680-900℃，在所述GaN垒层生长过程中，通入极小流量的TMIn源，以使得所述GaN垒层的In组分在0-2％。

可选地，所述p型AlGaN电子阻挡层中Al组分为10％-20％，其生长温度为900-1200℃，其厚度为10-20nm。

可选地，所述非故意掺杂上波导层的材料为GaN或InGaN，其厚度为0.05-0.3μm。

可选地，所述p型AlGaN限制层中Al组分为5％-20％，其生长温度为900-1200℃，其厚度为0.1-1μm，其空穴浓度为1×10¹⁷cm^-3-1×10¹⁸cm^-3。

可选地，所述p型AlGaN限制层还可以设置为AlGaN/GaN超晶格结构。

本公开还提供了一种低V型缺陷密度的GaN基多量子阱激光器外延片，包括：衬底；n型GaN层，外延生长在所述衬底上；n型AlGaN限制层，外延生长在所述n型GaN层上；非故意掺杂下波导层，外延生长在所述n型AlGaN限制层上；InGaN/GaN多量子阱发光层，外延生长在所述非故意掺杂下波导层上，其中，所述InGaN/GaN多量子阱发光层包括InGaN阱层和GaN垒层，所述GaN垒层生长过程中通入TMIn源；p型AlGaN电子阻挡层，外延生长在所述InGaN/GaN多量子阱发光层上；非故意掺杂上波导层，外延生长在所述p型AlGaN电子阻挡层上；p型AlGaN限制层，外延生长在所述非故意掺杂上波导层上；p型欧姆接触层，外延生长在所述p型AlGaN限制层上。

(三)有益效果

本公开提供的低V型缺陷密度的GaN基多量子阱激光器外延片及制备方法，通过在GaN垒层生长过程中通入少量的TMIn源，消除InGaN/GaN多量子阱生长过程中形成的V型缺陷，具有以下有益效果：

(1)提高量子阱的热稳定性，增加量子阱的发光效率；

(2)减少了器件的反向漏电，减少了InGaN/GaN多量子阱区的应力，抑制量子限制斯塔克效应；

(3)减少高In组分InGaN量子阱中富In区的密度，提高量子阱的In组分均匀性，增加峰值增益；

(4)减少缺陷密度和高In组分区域密度，减少量子阱区的吸收损耗，降低器件的阈值，增加器件斜率效率；

(5)垒层掺入少量In，增加量子阱区的折射率，增加激光器光场限制作用，降低器件阈值；

(6)减少量子阱非辐射复合产生的热、减少老化过程中杂质迁移的可能路径，提高器件的寿命和可靠性。

附图说明

图1示意性示出了本公开实施例提供的低V型缺陷密度的GaN基多量子阱激光器外延片的制备方法的流程图。

图2示意性示出了本公开实施例提供的低V型缺陷密度的GaN基多量子阱激光器外延片的结构示意图。

图3(a)和(b)分别示出了低温GaN垒层表面形貌图和本公开方法中少量掺入In的GaN表面形貌图。

图4(a)和(b)分别示出了本公开方法生长的InGaN/GaN多量子阱表面形貌图和常规方法生长的InGaN/GaN多量子阱表面形貌图。

附图标记说明：

10-衬底；11-n型GaN层；12-n型AlGaN限制层；13-非故意掺杂下波导层；14-InGaN/GaN多量子阱发光层；15-p型AlGaN电子阻挡层；16-非故意掺杂上波导层；17-p型AlGaN限制层；18-p型欧姆接触层。

具体实施方式

为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。

图1示意性示出了本公开实施例提供的低V型缺陷密度的GaN基多量子阱激光器外延片的制备方法的流程图。图2示意性示出了本公开实施例提供的低V型缺陷密度的GaN基多量子阱激光器外延片的结构示意图。结合图2，对图1所述制备方法进行详细说明，该制备方法包括：

步骤1：对衬底10进行退火，并清洁衬底10的表面。

在步骤1中，将衬底10在氢气气氛里进行退火，并清洁衬底10的表面。

步骤2：在衬底10上外延生长n型GaN层11。

在步骤2中，在衬底10上外延生长n型GaN层11，该n型GaN层11是后续材料生长的模板。

步骤3：在n型GaN层11上外延生长n型AlGaN限制层12。

在步骤3中，在1000-1200℃的生长温度中，在n型GaN层11上外延生长n型AlGaN限制层12，并且，生成的n型AlGaN限制层12中Al组分为5％-20％，该n型AlGaN限制层12的厚度为0.1-1μm。

步骤4：在n型AlGaN限制层12上外延生长非故意掺杂下波导层13。

在步骤4中，在n型AlGaN限制层12上外延生长非故意掺杂下波导层13，其中，该非故意掺杂下波导层13的材料为GaN或InGaN，其厚度为0.05-0.3μm。

本实施例中，利用n型AlGaN限制层12与非故意掺杂下波导层13之间的折射率差，使得光被限制在波导层中传输。

步骤5：在非故意掺杂下波导层13上外延生长InGaN/GaN多量子阱发光层14。

在步骤5中，在680-900℃的生长温度中，采用同温生长方式或者双温生长方式，并采用N₂或采用N₂和少量H₂的混合气体作为载气，在非故意掺杂下波导层13上外延生长InGaN/GaN多量子阱发光层14。

外延生长的InGaN/GaN多量子阱发光层14由1-5个周期的InGaN阱层和GaN垒层组成，其中，InGaN阱层中In组分为5％-25％，InGaN/GaN多量子阱发光层14的发光波长为400-530nm。

此外，在外延生长InGaN/GaN多量子阱发光层14时，为了抑制V型缺陷的形成，需要在GaN垒层生长过程中通入TMIn源。需要注意的是，该步骤中GaN垒层生长中通入的TMIn源流量需要很小，以保证GaN垒层表面的平整度和量子阱高的发光效率，具体地，GaN垒层的In组分在0-2％。

步骤6：在InGaN/GaN多量子阱发光层14上外延生长p型AlGaN电子阻挡层15。

在步骤6中，在900-1200℃的生长温度中，在InGaN/GaN多量子阱发光层14上外延生长p型AlGaN电子阻挡层15，其中，生成的p型AlGaN电子阻挡层15中Al组分为10％-20％，其厚度为10-20nm。

p型AlGaN电子阻挡层15可以阻挡电子向p型层中运动，减少电子泄漏到p型区域。

步骤7：在p型AlGaN电子阻挡层15上外延生长非故意掺杂上波导层16。

在步骤7中，在p型AlGaN电子阻挡层15上外延生长非故意掺杂上波导层16，其中，该非故意掺杂上波导层16的材料为GaN或InGaN，其厚度为0.05-0.3μm。

步骤8：在非故意掺杂上波导层16上外延生长p型AlGaN限制层17。

在步骤8中，在900-1200℃的生长温度中，在非故意掺杂上波导层16上外延生长p型AlGaN限制层17，其中，生成的p型AlGaN限制层17中Al组分为5％-20％，其厚度为0.1-1μm，其空穴浓度为1×10¹⁷cm^-3-1×10¹⁸Cm^-3。

本实施例中，为了降低器件串联电阻，提高器件性能，p型AlGaN限制层17也可以设置为AlGaN/GaN超晶格结构，或者设置为Al组分逐渐减少的AlGaN层。

本实施例中，利用非故意掺杂上波导层16与p型AlGaN限制层17之间的折射率差，使得光被限制在波导层中传输。

步骤9：在p型AlGaN限制层17上外延生长p型欧姆接触层18，形成完整的器件结构。

本公开还提供了一种上述制备方法制备而成的低V型缺陷密度的GaN基多量子阱激光器外延片，其结构可参考图2。

该低V型缺陷密度的GaN基多量子阱激光器外延片自下往上依次包括：衬底10；n型GaN层11，外延生长在衬底10上；n型AlGaN限制层12，外延生长在n型GaN层11上；非故意掺杂下波导层13，外延生长在n型AlGaN限制层12上，其材料为材料为GaN或InGaN；InGaN/GaN多量子阱发光层14，外延生长在非故意掺杂下波导层13上，其中，InGaN/GaN多量子阱发光层14包括InGaN阱层和GaN垒层，GaN垒层生长过程中通入TMIn源，以抑制V型缺陷的形成，并且GaN垒层的In组分在0-2％；p型AlGaN电子阻挡层15，外延生长在InGaN/GaN多量子阱发光层14上；非故意掺杂上波导层16，外延生长在p型AlGaN电子阻挡层15上，其材料为材料为GaN或InGaN；p型AlGaN限制层17，外延生长在非故意掺杂上波导层16上；p型欧姆接触层18，外延生长在p型AlGaN限制层17上。

本公开中的低V型缺陷密度的GaN基多量子阱激光器外延片及制备方法，通过在GaN垒层中掺入少量In，提高原子的表面迁移能力，抑制垒层中V型缺陷的形成，消除InGaN/GaN多量子阱中常见的V型缺陷，从而降低器件的反向漏电、减少器件吸收损耗并提高量子阱的热稳定性。

图3(a)和(b)分别示出了低温GaN垒层表面形貌图和本公开方法中少量掺入In的GaN表面形貌图。从图3(a)中可以看出，低温GaN垒层表面存在很多V型缺陷，如图中圆圈所示区域；从图3(b)中可以看出，采用少量掺入In的方法生长的GaN垒层表面光滑，台阶均匀，只能看到部分位错露头的区域，如图中圆圈所示区域。

图4(a)和(b)分别示出了本公开方法生长的InGaN/GaN多量子阱表面形貌图和常规方法生长的InGaN/GaN多量子阱表面形貌图。从图4(a)和(b)中可以看出，采用本公开方法生长的InGaN/GaN量子阱表面的V型缺陷基本被消除，仅能能看到位错露头的地方，从而降低器件的反向漏电、减少器件吸收损耗并提高量子阱的热稳定性。

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，所应理解的是，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.低V型缺陷密度的GaN基多量子阱激光器外延片的制备方法，包括：

步骤1：对衬底(10)进行退火，并清洁所述衬底(10)的表面；

步骤2：在所述衬底(10)上外延生长n型GaN层(11)；

步骤3：在所述n型GaN层(11)上外延生长n型AlGaN限制层(12)；

步骤4：在所述n型AlGaN限制层(12)上外延生长非故意掺杂下波导层(13)；

步骤5：在所述非故意掺杂下波导层(13)上外延生长InGaN/GaN多量子阱发光层(14)，其中，所述InGaN/GaN多量子阱发光层(14)包括InGaN阱层和GaN垒层，在所述GaN垒层生长过程中通入TMIn源，以使得所述GaN垒层的In组分在0-2％，以消除所述InGaN/GaN多量子阱发光层(14)中的V型缺陷；

步骤6：在所述InGaN/GaN多量子阱发光层(14)上外延生长p型AlGaN电子阻挡层(15)；

步骤7：在所述p型AlGaN电子阻挡层(15)上外延生长非故意掺杂上波导层(16)；

步骤8：在所述非故意掺杂上波导层(16)上外延生长p型AlGaN限制层(17)；

步骤9：在所述p型AlGaN限制层(17)上外延生长p型欧姆接触层(18)。

2.如权利要求1所述的低V型缺陷密度的GaN基多量子阱激光器外延片的制备方法，其中，所述n型AlGaN限制层(12)中Al组分为5％-20％，其生长温度为1000-1200℃，其厚度为0.1-1μm。

3.如权利要求1所述的低V型缺陷密度的GaN基多量子阱激光器外延片的制备方法，其中，所述非故意掺杂下波导层(13)的材料为GaN或InGaN，其厚度为0.05-0.3μm。

4.如权利要求1所述的低V型缺陷密度的GaN基多量子阱激光器外延片的制备方法，其中，所述InGaN/GaN多量子阱发光层(14)包括1-5个周期的所述InGaN阱层和GaN垒层，其发光波长为400-530nm，所述InGaN阱层中In组分为5％-25％。

5.如权利要求1所述的低V型缺陷密度的GaN基多量子阱激光器外延片的制备方法，其中，所述InGaN/GaN多量子阱发光层(14)的生长温度为680-900℃，在所述GaN垒层生长过程中，通入极小流量的TMIn源。

6.如权利要求1所述的低V型缺陷密度的GaN基多量子阱激光器外延片的制备方法，其中，所述p型AlGaN电子阻挡层(15)中Al组分为10％-20％，其生长温度为900-1200℃，其厚度为10-20nm。

7.如权利要求1所述的低V型缺陷密度的GaN基多量子阱激光器外延片的制备方法，其中，所述非故意掺杂上波导层(16)的材料为GaN或InGaN，其厚度为0.05-0.3μm。

8.如权利要求1所述的低V型缺陷密度的GaN基多量子阱激光器外延片的制备方法，其中，所述p型AlGaN限制层(17)中Al组分为5％-20％，其生长温度为900-1200℃，其厚度为0.1-1μm，其空穴浓度为1×10¹⁷cm^-3-1×10¹⁸cm^-3。

9.如权利要求1所述的低V型缺陷密度的GaN基多量子阱激光器外延片的制备方法，其中，所述p型AlGaN限制层(17)还可以设置为AlGaN/GaN超晶格结构。

10.低V型缺陷密度的GaN基多量子阱激光器外延片，包括：

衬底(10)；

n型GaN层(11)，外延生长在所述衬底(10)上；

n型AlGaN限制层(12)，外延生长在所述n型GaN层(11)上；

非故意掺杂下波导层(13)，外延生长在所述n型AlGaN限制层(12)上；

InGaN/GaN多量子阱发光层(14)，外延生长在所述非故意掺杂下波导层(13)上，其中，所述InGaN/GaN多量子阱发光层(14)包括InGaN阱层和GaN垒层，所述GaN垒层生长过程中通入TMIn源，以使得所述GaN垒层的In组分在0-2％；

p型AlGaN电子阻挡层(15)，外延生长在所述InGaN/GaN多量子阱发光层(14)上；

非故意掺杂上波导层(16)，外延生长在所述p型AlGaN电子阻挡层(15)上：

p型AlGaN限制层(17)，外延生长在所述非故意掺杂上波导层(16)上；

p型欧姆接触层(18)，外延生长在所述p型AlGaN限制层(17)上。

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