CN111129954A - 一种深紫外半导体激光器的外延结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种深紫外半导体激光器的外延结构，包括：衬底，所述衬底为单晶N型衬底；在所述衬底上表面依次生长的N型过渡层、N型下限制层、下波导层、下势垒层、量子阱层、上势垒层、上波导层、P型上限制层及P型重掺杂层；在所述P型重掺杂层上表面制备的P面电极；及在所述N型衬底下表面制备的N面电极。本发明中的结构使得半导体激光器可以具有一定输出功率，使得半导体激光器具有较高的亮度。

Description

一种深紫外半导体激光器的外延结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体光电子技术领域，更具体的说是涉及一种深紫外半导体激光器的外延结构及其制备方法。
背景技术
深紫外半导体激光器结构适合于科研、工业、OEM系统集成开发。科研方面，紫外激光器可以用于原子/分析光谱、化学动力学等方面的研究。工业方面，基于紫外激光器生产的磁盘的数据存储盘空间比蓝光激光器高出20倍。未来，深紫外激光技术将催生新一代纳米技术、材料科学、生物技术、化学分析、等离子体物理等学科的发展。
目前，AlN(氮化铝)作为已知直接带隙中能带(6.2eV)最宽的半导体材料，其带隙对应波长～210nm深紫外波长处。因为半导体激光器有源区结构中，量子阱外的包裹层比量子阱层应具有更宽带隙的材料作为势垒层和波导层，所以AlN作为量子阱，目前还没有合适的垒层和波导层材料。目前为止，还没有波长～210nm深紫外半导体激光器结构出现。而非半导体的深紫外半导体激光器体积大、笨重、昂贵，不利于相关应用及产品的进步与发展。
因此，如何研制一种深紫外半导体激光器的外延结构是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种深紫外半导体激光器的外延结构，包括：
衬底，所述衬底为掺杂浓度(1-5)E18cm-3、厚度(300-700)μm的N型衬底；
在所述衬底上表面依次生长的N型过渡层、N型下限制层、下波导层、下势垒层、量子阱层、上势垒层、上波导层、P型上限制层及P型重掺杂层；
在所述P型重掺杂层上表面制备的P面电极；
及在所述N型衬底下表面制备的N面电极。
本发明的有益效果：本发明中的结构使得半导体激光器可以具有一定输出功率，使得半导体激光器具有较高的亮度，且本发明中的结构简单。
优选地，所述量子阱层的厚度为2-10nm，所述量子阱层的材料为AlxNy，其中，x/y＝0.95-1。
优选地，所述N型过渡层的厚度为100-500nm；所述N型过渡层材料为AlxNy，其中，x/y＝1-0.45，x/y值随厚度递增而均匀递减。
优选地，所述N型下限制层的厚度为1.2-3μm，所述N型下限制层的材料为AlxNy，其中，x/y＝0.45-0.3；所述P型上限制层的厚度为1.2-3μm，所述P型上限制层的材料为AlxNy，其中，x/y＝0.3-0.45。
优选地，所述下波导层的厚度为0.1-0.8μm，所述下波导层的材料为AlxNy，其中，x/y＝0.55-0.7；所述上波导层的厚度为0.1-0.8μm，所述下波导层的材料为AlxNy，其中，x/y＝0.7-0.55。
优选地，所述下势垒层的厚度为30-80nm，所述下势垒层的材料为AlxNy，其中，x/y＝0.8-0.85；所述上势垒层的厚度为30-80nm，所述上势垒层的材料为AlxNy，其中，x/y＝0.85-0.8。
优选地，所述P型上限制层的厚度为1.2-3μm，所述P型上限制层的材料为AlxNy，其中x/y＝0.45-0.3；所述P型重掺杂层厚度为200-500nm，所述P型重掺杂层的材料为AlxNy，其中x/y＝0.45-1，x/y值随厚度增加而递增
采用上述的有益效果：对于AlxNy材料结构，通过控制x和y的比值可以实现具有比AlN单晶材料更宽的带隙，从而实现耐高温的特性。
优选地，N型衬底为单晶硅片、氮化铝片、碳化硅片、砷化镓片或氮化镓片。
优选地，N面电极及P面电极均为由厚度为50nm的钛层及厚度300nm的金层组成。
本发明还提供了一种深紫外半导体激光器的外延结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)在MBE或脉冲激光沉积系统中，在500-1250℃的条件下，对衬底进行热处理；
步骤(2)通过控制原子束流及氮气流量在衬底上依次生长N型过渡层、N型下限制层、下波导层、下势垒层、量子阱层、上势垒层、上波导层、P型上限制层及P型重掺杂层；
步骤(3)通过光刻工艺在衬底下表面设置N面电极，在P型重掺杂层上表面制备P面电极。
本发明中的制备方法简单易操作，实现难度小，适用于大工业化生产。
优选地，步骤(1)中，所述热处理时间为5min。
优选地，所述步骤(2)中，控制原子束流及氮气流量的操作为：氮气流量控制在0-50sccm，铝源的束流控制速率在0-0.1mol/min。
优选地，所述步骤(2)中，控制原子束流及氮气流量的具体操作为：
生长N型过渡层：铝源束流控制在0～0.1mol/min，氮气流量控制在8～15sccm，Si原子掺杂束流控制在0～0.005mol/min；
生长N型下限制层：铝源束流控制在0～0.1mol/min，氮气流量控制在15～25sccm，Si原子掺杂束流控制在0～0.005mol/min；
生长下波导层：铝源束流控制在0～0.1mol/min，氮气流量控制在25～35sccm；
生长下势垒层：铝源束流控制在0～0.1mol/min，氮气流量控制在35～40sccm；
生长量子阱层：铝源束流控制在0～0.1mol/min，氮气流量控制在40～45sccm；
生长上势垒层：铝源束流控制在0～0.1mol/min，氮气流量控制在40～35sccm；
生长上波导层：铝源束流控制在0～0.1mol/min，氮气流量控制在35～25sccm；
生长P型上限制层：铝源束流控制在0～0.1mol/min，氮气流量控制在25～15sccm，C或Be原子掺杂束流控制在0～0.005mol/min；
生长P型重掺杂层：铝源束流控制在0～0.1mol/min，氮气流量控制在15～8sccm，C或Be原子掺杂束流控制在0.005～0.01mol/min。
采用上述的有益效果：铝源束流越慢，可实现高质量的膜层沉积，但是时间会长；而本发明中控制的铝源束流的速度即能够实现高质量的膜层沉积，不会造成较大时间的损耗。
优选地，步骤(2)中，
所述N型过渡层的生长时间为20～50min，生长温度为为800～1250℃；
所述N型下限制层的生长时间为40-80min，生长温度为800～1250℃；
所述下波导层的生长时间为4～20min，生长温度为800～1250℃；
所述下势垒层的生长时间为1～6min，生长温度为800～1250℃；
所述量子阱层的生长时间为0.5-2min，生长温度为800～1250℃；
所述上势垒层的生长时间为1～6min，生长温度为800～1250℃；
所述上波导层的生长时间为4～20min，生长温度为800～1250℃；
所述P型上限制层的生长时间为40-80min，生长温度为800～1250℃；
所述P型重掺杂层的生长时间为20-50min，生长温度为800～1250℃。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的激光器外延结构结构示意图；
图2附图为本发明提供的实施例1中的光谱图；
图3附图为本发明提供的实施例1中的电流功率曲线；
图4附图为本发明提供的实施例2中的光谱图；
图5附图为本发明提供的实施例2中的电流功率曲线；
其中，1-N面电极，2-N型衬底，3-N型过渡层，4-N型下限制层，5-下波导层，6-下势垒层，7-量子阱层，8-上势垒层，9-上波导层，10-P型上限制层，11-P型重掺杂层，12-P面电极。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
深紫外半导体激光器的外延结构：包括厚度为掺杂浓度为3E18cm-3、厚度640μm的N型单晶衬底2；在衬底上表面依次生长的N型过渡层3(厚度为350nm，AlxNy材料中的x/y＝1-0.45，x/y值随厚度渐变递减)、N型下限制层4(厚度为1.6μm，AlxNy材料中的x/y＝0.45)、下波导层5(厚度为0.15μm，AlxNy材料中的x/y＝0.7)、下势垒层6(厚度为30nm，AlxNy材料中的x/y＝0.85)、量子阱层7(厚度为6.5nm，x/y＝1)、上势垒层8(厚度为30nm，AlxNy材料中的x/y＝0.85)、上波导层9(厚度为0.15μm，AlxNy材料中的x/y＝0.7)、P型上限制层10(厚度为1.6μm，AlxNy材料中的x/y＝0.45)及P型重掺杂层11(厚度为350nm，AlxNy材料中的x/y＝0.45-1，x/y值随厚度渐变递增)；
在P型重掺杂层11上表面制备P面电极12；
及在N型衬底2下表面制备N面电极1。
上述深紫外半导体激光器的外延结构的制备方法为：
(1)在1100℃的条件下，对衬底进行热处理5min；
(2)采用MBE法通过控制原子束流及氮气流量在衬底上依次生长N型过渡层3、N型下限制层4、下波导层5、下势垒层6、量子阱层7、上势垒层8、上波导层9、P型上限制层10及P型重掺杂层11；
其中，生长N型过渡层3：铝源束流控制在0.075mol/min，氮气流量控制在8-15sccm,氮气气体流量随时间递增,Si原子掺杂束流控制在0.001mol/min，生长时间为12min，生长温度为为1050℃；
生长N型下限制层4：铝源束流控制在0.075mol/min，氮气流量控制在20sccm，Si原子掺杂束流控制在0.001mol/min，生长时间为40min，生长温度为1050℃；
生长下波导层5：铝源束流控制在0.065mol/min，氮气流量控制在27sccm，生长时间为6min，生长温度为1050℃；
生长下势垒层6：铝源束流控制在0.06mol/min，氮气流量控制在33sccm，生长时间为2min，生长温度为1050℃；
生长量子阱层7：铝源束流控制在0.05mol/min，氮气流量控制在40sccm，生长时间为65s，生长温度为1050℃；
生长上势垒层8：铝源束流控制在0.06mol/min，氮气流量控制在33sccm，生长时间为2min，生长温度为1050℃；
生长上波导层9：铝源束流控制在0.065mol/min，氮气流量控制在27sccm，生长时间为6min，生长温度为1050℃；
生长P型上限制层10：铝源束流控制在0.75mol/min，氮气流量控制在25sccm，C或Be原子掺杂束流控制在0.001mol/min，生长时间为40min，生长温度为1050℃；
生长P型重掺杂层11：铝源束流控制在0.075mol/min，氮气流量控制在15-8sccm，氮气气体流量随生长时间递减，C或Be原子掺杂束流控制在0.005mol/min，生长时间为20min，生长温度为1050℃。
(3)通过光刻工艺在衬底下表面制备N面电极1，在P型重掺杂层11上表面制备P面电极12。测定具有上述外延结构的波长为210nm深紫外半导体激光器的性能。
由附图2中可以看出在波长210nm附近处表现出最高亮度及较窄的激射光谱。
由附图3中可以看出在上述结构及工艺制备方法条件下实现了约60mA的低阈值电流工作状态，实现了深紫外半导体激光器器件的正常激射和工作。
实施例2
深紫外半导体激光器的外延结构：包括厚度为掺杂浓度3E18cm-3、厚度640μm的N型单晶Si衬底2；在衬底上表面依次生长的N型过渡层3(厚度为500nm，AlxNy材料中的x/y＝1-0.55，x/y值随厚度渐变递减)、N型下限制层4(厚度为2μm，AlxNy材料中的x/y＝0.55)、下波导层5(厚度为0.25μm，AlxNy材料中的x/y＝0.66)、下势垒层6(厚度为50nm，AlxNy材料中的x/y＝0.83)、量子阱层7(厚度为8nm，x/y＝0.96)、上势垒层8(厚度为50nm，AlxNy材料中的x/y＝0.83)、上波导层9(厚度为0.25μm，AlxNy材料中的x/y＝0.66)、P型上限制层10(厚度为2μm，AlxNy材料中的x/y＝0.55)及P型重掺杂层11(厚度为400nm，AlxNy材料中的x/y＝0.55-1，x/y值随厚度渐变递增)；
在P型重掺杂层11上表面制备P面电极12；
及在N型衬底2下表面制备N面电极1。
上述波长为210nm深紫外半导体激光器的外延结构的制备方法为：
(1)在1150℃的条件下，对衬底进行热处理5min；
(2)采用MBE法通过控制原子束流及氮气流量在衬底上依次生长N型过渡层3、N型下限制层4、下波导层5、下势垒层6、量子阱层7、上势垒层8、上波导层9、P型上限制层10及P型重掺杂层11；
其中，生长N型过渡层3：铝源束流控制在0.085mol/min，氮气流量控制在8-15sccm,氮气气体流量随时间递增,Si原子掺杂束流控制在0.001mol/min，生长时间为20min，生长温度为为1150℃；
生长N型下限制层4：铝源束流控制在0.085mol/min，氮气流量控制在20sccm，Si原子掺杂束流控制在0.001mol/min，生长时间为60min，生长温度为1150℃；
生长下波导层5：铝源束流控制在0.085mol/min，氮气流量控制在27sccm，生长时间为8min，生长温度为1150℃；
生长下势垒层6：铝源束流控制在0.08mol/min，氮气流量控制在33sccm，生长时间为2min，生长温度为1150℃；
生长量子阱层7：铝源束流控制在0.055mol/min，氮气流量控制在40sccm，生长时间为80s，生长温度为1150℃；
生长上势垒层8：铝源束流控制在0.08mol/min，氮气流量控制在33sccm，生长时间为2min，生长温度为1150℃；
生长上波导层9：铝源束流控制在0.085mol/min，氮气流量控制在27sccm，生长时间为8min，生长温度为1150℃；
生长P型上限制层10：铝源束流控制在0.85mol/min，氮气流量控制在20sccm，C或Be原子掺杂束流控制在0.003mol/min，生长时间为50min，生长温度为1150℃；
生长P型重掺杂层11：铝源束流控制在0.085mol/min，氮气流量控制在15-8sccm，氮气气体流量随生长时间递减，C或Be原子掺杂束流控制在0.008mol/min，生长时间为30min，生长温度为1150℃。
(3)通过光刻工艺在衬底下表面制备N面电极1，在P型重掺杂层11上表面制备P面电极12。测定具有上述外延结构的波长为210nm深紫外半导体激光器的性能。
由附图4中可以看出在波长214-215.5nm附近处表现出双峰最高亮度，光谱展红移和展宽明显。
由附图5中可以看出在上述结构及工艺制备方法条件下实现了约340mA的阈值电流工作状态，实现了在较宽光谱范围内的深紫外半导体激光器器件的正常激射和工作。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种深紫外半导体激光器的外延结构，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底为N型衬底；
在所述衬底上表面依次生长的N型过渡层、N型下限制层、下波导层、下势垒层、量子阱层、上势垒层、上波导层、P型上限制层及P型重掺杂层；
在所述P型重掺杂层上表面设置的P面电极；
及在所述N型衬底下表面设置的N面电极。
2.根据权利要求1所述一种深紫外半导体激光器的外延结构，其特征在于，所述N型过渡层的厚度为100-500nm；所述N型过渡层材料为AlxNy，其中，x/y＝1-0.45。
3.根据权利要求1所述一种深紫外半导体激光器的外延结构，其特征在于，所述N型下限制层的厚度为1.2-3μm，所述N型下限制层的材料为AlxNy，其中，x/y＝0.45-0.3；所述P型上限制层的厚度为1.2-3μm，所述P型上限制层的材料为AlxNy，其中，x/y＝0.3-0.45。
4.根据权利要求1所述一种深紫外半导体激光器的外延结构，其特征在于，所述下波导层的厚度为0.1-0.8μm，所述下波导层的材料为AlxNy，其中，x/y＝0.55-0.7；所述上波导层的厚度为0.1-0.8μm，所述上波导层的材料为AlxNy，其中，x/y＝0.7-0.55。
5.根据权利要求1所述一种深紫外半导体激光器的外延结构，其特征在于，所述下势垒层的厚度为30-80nm，所述下势垒层的材料为AlxNy，其中，x/y＝0.8-0.85；所述上势垒层的厚度为30-80nm，所述上势垒层的材料为AlxNy，其中，x/y＝0.85-0.8。
6.根据权利要求1所述一种深紫外半导体激光器的外延结构，其特征在于，所述量子阱层的厚度为2-10nm，所述量子阱层的材料为AlxNy，其中，x/y＝0.95-1。
7.一种深紫外半导体激光器的外延结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在500-1250℃的条件下，对衬底进行热处理；
(2)通过控制原子束流及氮气流量在衬底上依次生长N型过渡层、N型下限制层、下波导层、下势垒层、量子阱层、上势垒层、上波导层、P型上限制层及P型重掺杂层；
(3)通过光刻工艺在衬底下表面设置N面电极，在P型重掺杂层上表面设置P面电极。
8.根据权利要求5所述的一种深紫外半导体激光器的外延结构的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述热处理时间为5min；
所述步骤(2)中，控制铝原子束流及氮气流量的操作为：氮气流量控制在0-50sccm，铝源的束流控制速率在0-0.1mol/min。
9.根据权利要求8所述的一种深紫外半导体激光器的外延结构的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，控制原子束流及氮气流量的具体操作为：
生长N型过渡层：铝源束流控制在0～0.1mol/min，氮气流量控制在8～15sccm，Si原子掺杂束流控制在0～0.01mol/min；
生长N型下限制层：铝源束流控制在0～0.1mol/min，氮气流量控制在15～25sccm，Si原子掺杂束流控制在0～0.005mol/min；
生长下波导层：铝源束流控制在0～0.1mol/min，氮气流量控制在25～35sccm；
生长下势垒层：铝源束流控制在0～0.1mol/min，氮气流量控制在35～40sccm；
生长量子阱层：铝源束流控制在0～0.1mol/min，氮气流量控制在40～45sccm；
生长上势垒层：铝源束流控制在0～0.1mol/min，氮气流量控制在40～35sccm；
生长上波导层：铝源束流控制在0～0.1mol/min，氮气流量控制在35～25sccm；
生长P型上限制层：铝源束流控制在0～0.1mol/min，氮气流量控制在25～15sccm，C或Be原子掺杂束流控制在0～0.005mol/min；
生长P型重掺杂层：铝源束流控制在0～0.1mol/min，氮气流量控制在15～8sccm，C或Be原子掺杂束流控制在0.005～0.01mol/min。
10.根据权利要求9所述的一种深紫外半导体激光器的外延结构的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，
所述N型过渡层的生长时间为20～50min，生长温度为为800～1250℃；
所述N型下限制层的生长时间为40-80min，生长温度为800～1250℃；
所述下波导层的生长时间为20～50min，生长温度为800～1250℃；
所述下势垒层的生长时间为1～6min，生长温度为800～1250℃；
所述量子阱层的生长时间为0.5-2min，生长温度为800～1250℃；
所述上势垒层的生长时间为1～6min，生长温度为800～1250℃；
所述上波导层的生长时间为20～50min，生长温度为800～1250℃；
所述P型上限制层的生长时间为40-60min，生长温度为800～1250℃；
所述P型重掺杂层的生长时间为20～50min，生长温度为800～1250℃。
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