CN111404024B - 具有复合波导层的氮化镓基近紫外激光器 - Google Patents

具有复合波导层的氮化镓基近紫外激光器 Download PDF

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Abstract

一种具有复合波导层的氮化镓基近紫外激光器包括一衬底；一n型外延层；一n型限制层；一第一n型AlInN波导层；一第二n型AlInN波导层；一有源区；一AlInN波导层；一p型电子阻挡层；一p型AlInN波导层；一p型限制层，其制作在p型AlGaN波导层上，该p型限制层的中间为一凸起的脊形；一p型掺杂/p型重掺接触层；一p型欧姆电极以及一n型欧姆电极。本发明采用AlInN材料代替AlGaN材料作为氮化镓基近紫外激光器的波导层，在同样的生长温度下，AlInN的晶体质量更好，缺陷密度更低，减少了由缺陷和杂质引起的光学吸收。AlInN更容易通过改变组分获得更大的折射率差，将光场更好地限制在有源区附近，增大了激光器的光学限制因子。

Description

具有复合波导层的氮化镓基近紫外激光器
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件领域，特别是一种具有复合波导层的氮化镓基近紫外激光器。
背景技术
氮化镓基半导体激光器理论上的激射波长覆盖了从红外到紫外波段的宽广范围，在固态照明、汽车头灯、激光投影和显示、生物消毒和杀菌等领域具有广泛的应用。目前已经商品化的氮化镓基激光器的波长包括蓝光、紫光、绿光和部分近紫外，波长短至271.8nm的深紫外激光器也已经实现了电注入激射。
与可见光波段相比，在近紫外波段的氮化镓基激光器发展过程中面临的问题主要是发光复合速率下降和光学吸收损耗增加。近紫外波段的波长短，对应的InGaN量子阱中的In组分低，与In组分相关的局域态密度下降，导致InGaN量子阱内的发光复合速率下降；In组分降低导致阱深变浅，对阱内载流子的限制作用变弱，泄漏电流增加，有源区的量子效率下降。在光学吸收损耗方面，近紫外激光器的波长短，波导层和限制层对光场的限制作用变弱；激光器结构中量子垒层、波导层、限制层和接触层的Al组分增加，材料质量下降，缺陷密度增大，使得光学吸收损耗增加。当近紫外激光器的激射波长靠近氮化镓带隙对应的362nm时，GaN同质衬底的带边吸收会引起严重的光学吸收损耗。
针对氮化镓基近紫外激光器面临的上述问题，研究者已提出多种解决方案。对于InGaN量子阱阱深变浅导致的载流子限制效应下降，可采用AlGaN垒层代替InGaN或GaN垒层，提高量子阱的势垒高度。对于光学吸收损耗增加，可通过提高AlGaN波导层和限制层中的Al组分增强光学限制作用。但是，AlGaN量子垒层的和波导层/限制层中的Al组分增加，使得激光器结构中的缺陷密度增加，影响器件性能。
发明内容
本发明主要目的在于提出一种具有复合波导层的氮化镓基近紫外激光器，针对氮化镓基激光器在近紫外波段面临的问题，采用AlInN复合波导层提高激光器的光学限制因子和量子阱的发光复合效率，降低光学吸收损耗，改善激光器性能。
为了实现上述目的，本发明提供了一种具有复合波导层的氮化镓基近紫外激光器，包括：
一衬底；
一n型外延层，其制作在衬底上；
一n型限制层，其制作在n型外延层上；
一第一n型AlInN波导层，其制作在n型限制层上；
一第二n型AlInN波导层，其制作在第一n型AlInN波导层上；
一有源区，其制作在第二n型AlInN波导层上；
一AlInN波导层，其制作在有源区上；
一p型电子阻挡层，其制作在AlInN波导层上；
一p型AlInN波导层，其制作在p型电子阻挡层上；
一p型限制层，其制作在p型AlGaN波导层上，该p型限制层的中间为一凸起的脊形；
一p型掺杂/p型重掺接触层，其制作在p型限制层凸起的脊形上；
一p型欧姆电极，其制作在p型掺杂/p型重掺接触层上；以及
一n型欧姆电极，其制作在衬底的底部。
基于上述技术方案可知，本发明的具有复合波导层的氮化镓基近紫外激光器相对于现有技术至少具有以下优势之一：
1、本发明采用AlInN材料代替AlGaN材料作为氮化镓基近紫外激光器的波导层，在同样的生长温度下，AlInN的晶体质量更好，缺陷密度更低，减少了由缺陷和杂质引起的光学吸收。AlInN更容易通过改变组分获得更大的折射率差，将光场更好地限制在有源区附近，增大了激光器的光学限制因子。
2、p型和n型一侧的波导层都有两层AlInN材料组成，组分厚度各不相同。在p型一侧，在InGaN量子阱有源区和p型掺杂AlGaN电子阻挡层之间插入AlInN波导层，该层AlInN为非故意掺杂，使得p型掺杂区域远离InGaN量子阱有源区。可降低镁杂质的反向扩散，阻挡镁杂质进入InGaN量子阱有源区；与p型掺杂AlGaN电子阻挡层相比，非故意掺杂的AlInN具有更大的光学折射率差和更低的光学吸收系数，可以降低有源区附近的光学吸收损耗。在n型一侧，两层的AlInN波导层提供了更大的折射率差和更强的光学限制作用。其中，靠近InGaN量子阱有源区的AlInN波导层，通过改变Al/In组分和生长条件，利用In原子的表面催化作用，可以降低波导层内缺陷密度和波导层的表面粗糙度，从而降低界面态导致的光学吸收损耗并提高随后生长的量子阱有源区的材料质量。因此，采用AlInN复合波导之后，可以降低光学吸收损耗，提高InGaN量子阱的发光复合速率，降低氮化镓基近紫外激光器的阈值，改善激光器的输出特性。
附图说明
图1是本发明实施例中氮化镓激光器的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、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，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种具有复合波导层的氮化镓基近紫外激光器，包括：
一衬底；
一n型外延层，其制作在衬底上；
一n型限制层，其制作在n型外延层上；
一第一n型AlInN波导层，其制作在n型限制层上；
一第二n型AlInN波导层，其制作在第一n型AlInN波导层上；
一有源区，其制作在第二n型AlInN波导层上；
一AlInN波导层，其制作在有源区上；
一p型电子阻挡层，其制作在AlInN波导层上；
一p型AlInN波导层，其制作在p型电子阻挡层上；
一p型限制层，其制作在p型AlGaN波导层上，该p型限制层的中间为一凸起的脊形；
一p型掺杂/p型重掺接触层，其制作在p型限制层凸起的脊形上；
一p型欧姆电极，其制作在p型掺杂/p型重掺接触层上；以及
一n型欧姆电极，其制作在衬底的底部。
在本发明的一些实施例中，所述衬底包括氮化镓同质衬底，其中氮化镓同质衬底为n型掺杂的自支撑氮化镓材料，厚度为200至1000μm。
在本发明的一些实施例中，所述n型外延层包括n型GaN同质外延层，其中n型GaN同质外延层为掺Si的n型GaN，厚度为1至10μm。
在本发明的一些实施例中，所述n型限制层包括n型AlGaN限制层，其中n型AlGaN限制层为掺Si的n型AlGaN，Al组分为0.01至1，厚度为10至1000nm。
在本发明的一些实施例中，所述第一n型AlInN波导层为掺Si的n型AlInN，Al组分为0.01至1，In组分为0.01至1，厚度为10至300nm。
在本发明的一些实施例中，所述第二n型AlInN波导层为掺Si的n型AlInN，Al组分为0.01至1，In组分为0.01至1，厚度为10至300nm。
在本发明的一些实施例中，所述有源区包括InGaN/AlGaN量子阱有源区，其中InGaN/AlGaN量子阱有源区为非故意掺杂的InGaN/AlGaN，量子阱的周期数目为1至5个；阱层为InGaN材料，In组分为0.01至1，厚度为1至10nm；垒层为AlGaN，Al组分为0.01至1，厚度为5至30nm。
在本发明的一些实施例中，所述AlInN波导层为非故意掺杂的AlInN，厚度为5至100nm，Al组分为0.01至1，In组分为0.01至1；
在本发明的一些实施例中，所述p型电子阻挡层包括p型AlGaN电子阻挡层，其中p型AlGaN电子阻挡层为掺Mg的p型AlGaN，Al组分为0.1至0.3，厚度为5至40nm。
在本发明的一些实施例中，所述p型AlInN波导层为掺Mg的p型AlInN，Al组分为0.01至1，In组分为0.01至1，厚度为10至300nm；
在本发明的一些实施例中，所述p型限制层包括p型AlGaN限制层，其中p型AlGaN限制层为掺Mg的p型AlGaN，Al组分为0.01至1，厚度为10至1000nm。
在本发明的一些实施例中，所述p型掺杂/p型重掺接触层为p型掺杂和p型重掺杂的复合结构；
在本发明的一些实施例中，p型掺杂层为掺Mg的p型GaN，厚度为10至100nm，Mg掺杂浓度为1×1018至1×1020cm-3；
在本发明的一些实施例中，p型重掺杂层为重掺杂Mg的p型GaN或p型AlGaN层，厚度小于p型掺杂层，为5至50nm，Mg掺杂浓度高于p型掺杂层，为1×1019至3×1021cm-3，p型AlGaN层的Al组分为0.01至1。
以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
请参阅图1所示，本发明提供一种具有复合波导层的氮化镓基近紫外激光器，包括：
一氮化镓同质衬底10，所述氮化镓同质衬底10为n型掺杂的自支撑氮化镓材料，厚度为200-1000μm；
一n型GaN同质外延层11，其制作在氮化镓同质衬底10上，所述n型GaN同质外延层为掺Si的n型GaN，厚度为1-10μm；
一n型AlGaN限制层12，其制作在n型GaN同质外延层11上，所述n型AlGaN限制层12为掺Si的n型AlGaN，Al组分为0.01-1，厚度为10-1000nm；
一第一n型AlInN波导层13，其制作在n型AlGaN限制层12上，所述第一n型AlInN波导层13为掺Si的n型AlInN，Al组分为0.01-1，厚度为10-300nm。该层由AlInN材料代替AlGaN材料后，具有以下三个优点：一是在外延生长过程中In原子可以起到表面催化剂的作用，在同样的生长温度下，AlInN的晶体质量高于AlGaN，缺陷密度更低，光学吸收系数小；二是AlInN更容易获得较大的折射率差，可以提供更强的光学限制作用；三是通过调节Al/In组分，可以减少AlInN和GaN衬底之间的晶格失配，降低应力和位错密度。
一第二n型AlInN波导层14，其制作在第一n型AlInN波导层13上，所述第二n型AlInN波导层14为掺Si的n型AlInN，Al组分为0.01-1，厚度为10-300nm。与第一n型AlInN波导层13相比，该第二AlInN波导层14应具有更大的折射率和更低的表面粗糙度。大的折射率使得AlInN和第一n型AlInN波导层13和n型AlGaN限制层12之间具有更大的折射率差，增强了有源区附近的光学限制作用。更低的表面粗糙度和缺陷密度有利于提高在该层表面继续生长的InGaN量子阱材料质量，并且减少由界面陡峭度导致的光学散射。
一InGaN/AlGaN量子阱有源区15，其制作在第二n型AlInN波导层14上，所述InGaN/AlGaN量子阱有源区为非故意掺杂的InGaN/AlGaN，量子阱的周期数目为1-5个；阱层为InGaN材料，In组分为0.01-1，厚度为1-10nm；垒层为AlGaN，Al组分为0.01-1，厚度为5-30nm；
一AlInN波导层16，其制作在InGaN/AlGaN量子阱有源区15上，所述AlInN波导层为非故意掺杂的AlInN，厚度为5-100nm，Al组分为0.01-1，In组分为0.01-1。该层AlInN波导层的插入，首先使得p型掺杂区域远离InGaN量子阱有源区，减少了p型掺杂带来的光学吸收损耗；其次抑制了p型层中的镁杂质向量子阱有源区的反向扩散；最后，通过对Al/In组分的调节，可以使得AlInN的晶格参数匹配或接近GaN，减少晶格失配，同时AlInN的带隙远离GaN的3.42eV，减少带间吸收。
一p型AlGaN电子阻挡层17，其制作在AlInN波导层16上，所述p型AlGaN电子阻挡层为掺Mg的p型AlGaN，Al组分为0.1-0.3，厚度为5-40nm。
一p型AlInN波导层18，其制作在p型AlGaN电子阻挡层17上，所述p型AlInN波导层18为掺Mg的p型AlInN，Al组分为0.01-1，厚度为10-300nm。该层p型AlInN波导层18的优点与n型AlInN波导层13相似，与AlGaN波导层相比，晶体质量高，缺陷密度小；光学折射率差大，光学限制作用强；晶格失配小，可降低应力和失配位错。需要指出的是，该p型AlInN波导层18和AlInN波导层16组成p型一侧的复合波导，n型AlInN波导层13和n型AlInN波导层14组成n型一侧的复合波导，这两组复合波导的组分和厚度不相同。在激光器结构设计过程中，可以通过改变组分和厚度提高p型一侧复合波导的折射率差，增强光学限制作用。这种p型和n型一侧非对称的复合波导结构，可以使得光场分布适当地偏向n型一侧，降低p型一侧的光学吸收损耗，最终改善氮化镓基近紫外激光器的性能。
一p型AlGaN限制层19，其制作在p型AlInN波导层18上，该p型AlGaN限制层19的中间为一凸起的脊形，所述p型AlGaN限制层为掺Mg的p型AlGaN，Al组分为0.01-1，厚度为10-1000nm；
一p型掺杂/p型重掺接触层20，其制作在p型AlGaN限制层19凸起的脊形上，所述p型掺杂/p型重掺接触层为p型掺杂和p型重掺杂的复合结构；p型掺杂层为掺Mg的p型GaN，厚度为10-100nm，Mg掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3；p型重掺杂层为重掺杂Mg的p型GaN或p型AlGaN层，厚度小于p型掺杂层，为5-50nm，Mg掺杂浓度高于p型掺杂层，为1×1019-3×1021cm-3，p型AlGaN层的Al组分为0.01-1；
一p型欧姆电极21，其制作在p型掺杂/p型重掺接触层20上；
一n型欧姆电极22，其制作在氮化镓同质衬底10的下表面。
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，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)

1.一种具有复合波导层的氮化镓基近紫外激光器，包括：
一衬底；
一n型外延层，其制作在衬底上；
一n型限制层，其制作在n型外延层上；
一第一n型AlInN波导层，其制作在n型限制层上；
一第二n型AlInN波导层，其制作在第一n型AlInN波导层上；
一有源区，其制作在第二n型AlInN波导层上；
一AlInN波导层，其制作在有源区上；
一p型电子阻挡层，其制作在AlInN波导层上；
一p型AlInN波导层，其制作在p型电子阻挡层上；
一p型限制层，其制作在p型AlGaN波导层上，该p型限制层的中间为一凸起的脊形；
一p型掺杂/p型重掺接触层，其制作在p型限制层凸起的脊形上；
一p型欧姆电极，其制作在p型掺杂/p型重掺接触层上；以及
一n型欧姆电极，其制作在衬底的底部。
2.如权利要求1所述的氮化镓基近紫外激光器，其特征在于，
所述衬底包括氮化镓同质衬底，其中氮化镓同质衬底为n型掺杂的自支撑氮化镓材料，厚度为200至1000μm。
3.如权利要求1所述的氮化镓基近紫外激光器，其特征在于，
所述n型外延层包括n型GaN同质外延层，其中n型GaN同质外延层为掺Si的n型GaN，厚度为1至10μm。
4.如权利要求1所述的氮化镓基近紫外激光器，其特征在于，
所述n型限制层包括n型AlGaN限制层，其中n型AlGaN限制层为掺Si的n型AlGaN，Al组分为0.01至1，厚度为10至1000nm。
5.如权利要求1所述的氮化镓基近紫外激光器，其特征在于，
所述第一n型AlInN波导层为掺Si的n型AlInN，Al组分为0.01至1，In组分为0.01至1，厚度为10至300nm。
6.如权利要求1所述的氮化镓基近紫外激光器，其特征在于，
所述第二n型AlInN波导层为掺Si的n型AlInN，Al组分为0.01至1，In组分为0.01至1，厚度为10至300nm。
7.如权利要求1所述的氮化镓基近紫外激光器，其特征在于，
所述有源区包括InGaN/AlGaN量子阱有源区，其中InGaN/AlGaN量子阱有源区为非故意掺杂的InGaN/AlGaN，量子阱的周期数目为1至5个；阱层为InGaN材料，In组分为0.01至1，厚度为1至10nm；垒层为AlGaN，Al组分为0.01至1，厚度为5至30nm。
8.如权利要求1所述的氮化镓基近紫外激光器，其特征在于，
所述AlInN波导层为非故意掺杂的AlInN，厚度为5至100nm，Al组分为0.01至1，In组分为0.01至1；
所述p型电子阻挡层包括p型AlGaN电子阻挡层，其中p型AlGaN电子阻挡层为掺Mg的p型AlGaN，Al组分为0.1至0.3，厚度为5至40nm。
9.如权利要求1所述的氮化镓基近紫外激光器，其特征在于，
所述p型AlInN波导层为掺Mg的p型AlInN，Al组分为0.01至1，In组分为0.01至1，厚度为10至300nm；
所述p型限制层包括p型AlGaN限制层，其中p型AlGaN限制层为掺Mg的p型AlGaN，Al组分为0.01至1，厚度为10至1000nm。
10.如权利要求1所述的氮化镓基近紫外激光器，其特征在于，
所述p型掺杂/p型重掺接触层为p型掺杂和p型重掺杂的复合结构；
其中，p型掺杂层为掺Mg的p型GaN，厚度为10至100nm，Mg掺杂浓度为1×1018至1×1020cm-3；
其中，p型重掺杂层为重掺杂Mg的p型GaN或p型AlGaN层，厚度小于p型掺杂层，为5至50nm，Mg掺杂浓度高于p型掺杂层，为1×1019至3×1021em-3，p型AlGaN层的Al组分为0.01至1。
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