CN111404029A - 具有AlInN镁反向扩散阻挡层的氮化镓基紫外激光器 - Google Patents

具有AlInN镁反向扩散阻挡层的氮化镓基紫外激光器 Download PDF

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Abstract

一种具有AlInN镁反向扩散阻挡层的氮化镓基紫外激光器包括一氮化镓同质衬底；一n型同质外延层；一n型限制层；一n型波导层；一有源区；一AlInN镁反向扩散阻挡层；一p型电子阻挡层；一p型波导层；一p型限制层，其制作在p型波导层上，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型欧姆电极以及一n型欧姆电极。本发明使p型掺杂区域远离量子阱有源区，降低了镁杂质的扩散长度，增大了光学限制因子，降低了激光器的阈值。

Description

具有AlInN镁反向扩散阻挡层的氮化镓基紫外激光器
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AlInN镁反向扩散阻挡层的氮化镓基紫外激光器。
背景技术
对于氮化镓基半导体激光器，p型掺杂材料是影响激光器特性的关键因素之一。目前p型掺杂的杂质以镁元素为主(Magnesium，Mg)，外延生长之后，采用快速热退火技术抑制生长过程中氢杂质对镁的钝化，激活镁杂质，获得电阻率低的p型材料。
氮化镓基激光器的p型掺杂材料包括GaN、AlGaN、InGaN以及它们的复合结构。在激光器结构中，常见的p型掺杂材料包括p型AlGaN电子阻挡层、p型GaN/AlGaN/InGaN波导层、p型AlGaN限制层和p型GaN/AlGaN/InGaN欧姆接触层。上述p型掺杂材料提供了激光器所需的空穴注入和欧姆接触电极，但同时对激光器也存在着不利影响，主要包括三个方面：
1.p型掺杂增大了激光器的内损耗。p型掺杂材料对波长大于带间跃迁发光波长的光存在着由自由载流子吸收和杂质吸收引起的吸收，这是激光器内损耗的主要来源。例如，在405nm波长附近，掺Mg的p型GaN、掺Si的n型GaN和非故意掺杂的本征GaN的吸收系数分别为100cm-1、30cm-1和10cm-1。p型和n型掺杂AlGaN的吸收系数可以近似取为100cm-1和30cm-1。p型掺杂材料的吸收系数远大于n型掺杂或非故意掺杂材料，由此导致的光学吸收损耗使得激光器谐振腔的内损耗增大，激光器阈值上升。
2.p型AlGaN电子阻挡层/波导层/限制层的高温生长过程使得InGaN量子阱有源区产生热退化。在可见光和近紫外波段，氮化镓基激光器的有源区为InGaN量子阱，p型掺杂限制层为AlGaN材料。AlGaN的最佳生长温度大于1000℃，而InGaN的最佳生长温度低于800℃。因此，在外延生长较厚的p型AlGaN限制层的过程中，长时间的高温生长过程使得InGaN量子阱产生热退化，降低了有源区的量子效率。
3.p型掺杂材料的镁杂质具有反向扩散特性，降低了量子阱有源区的发光复合效率。激光器中p型掺杂的镁杂质在高温的作用下向分别向有源区和外延材料的上表面扩散，朝向为量子阱方向的即为反向扩散。反向扩散的杂质浓度和扩散长度由p型区的镁掺杂浓度、p型材料的生长温度和反向扩散区的材料质量三个因素共同决定。通过反向扩散进入有源区的镁杂质成为非辐射复合中心，降低了InGaN量子阱的发光复合效率。
对于不同波段的氮化镓基激光器，p型掺杂材料导致的上述三个不利影响各有不同。在近紫外波段，InGaN量子阱中的In组分低，阱深变浅。为了增强对阱内载流子的限制作用，需要提高量子阱的势垒高度，因此垒层需要采用GaN或AlGaN材料。同时为了保护低温生长的InGaN量子阱，需要大幅降低AlGaN垒层的生长温度，AlGaN垒层的材料质量降低，缺陷密度增加。在p型掺杂材料的生长温度和掺杂浓度相同的情况下，镁杂质更容易反向扩散到InGaN量子阱有源区内。
针对近紫外激光器的上述问题和不足，本发明提出了具有AlInN镁反向扩散阻挡层的氮化镓基紫外激光器的制作方法，在InGaN量子阱有源区和p型掺杂AlGaN电子阻挡层之间插入一层AlInN材料，用来阻挡镁杂质的反向扩散。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种具有AlInN镁反向扩散阻挡层的氮化镓基紫外激光器，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种具有AlInN镁反向扩散阻挡层的氮化镓基紫外激光器，包括：
一氮化镓同质衬底；
一n型同质外延层，其制作在氮化镓同质衬底上；
一n型限制层，其制作在n型同质外延层上；
一n型波导层，其制作在n型限制层上；
一有源区，其制作在n型波导层上；
一AlInN镁反向扩散阻挡层，其制作在有源区上；
一p型电子阻挡层，其制作在AlInN镁反向扩散阻挡层上；
一p型波导层，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，其制作在氮化镓同质衬底的底部。
基于上述技术方案可知，本发明的具有AlInN镁反向扩散阻挡层的氮化镓基紫外激光器相对于现有技术至少具有以下优势之一：
1.使p型掺杂区域远离量子阱有源区。没有插入该AlInN镁反向扩散阻挡层的激光器，p型掺杂AlGaN电子阻挡层紧挨着InGaN/AlGaN量子阱有源区，p型AlGaN电子阻挡层中的镁杂质更容易扩散到有源区。插入该AlInN镁反向扩散阻挡层之后，由于该层AlInN为非故意掺杂，使得p型AlGaN电子阻挡层和其上的p型掺杂区域远离InGaN量子阱有源区，在相同的生长温度和镁掺杂浓度下，降低了镁杂质扩散到InGaN量子阱有源区的可能性。
2.降低了镁杂质的扩散长度。在InGaN量子阱有源区和p型掺杂AlGaN电子阻挡层之间插入的镁反向扩散阻挡层时，该层材料也可以无非故意掺杂的AlGaN，或者直接增加最后一个AlGaN垒层的厚度。本发明采用AlInN材料，与AlGaN材料相比，AlInN中In元素的并入在外延生长过程中起到表面催化剂的作用，在同样的生长温度下，AlInN的材料质量高于AlGaN，缺陷和位错密度更低，因此可以有效降低镁杂质的扩散长度，阻挡镁杂质通过反向扩散进入InGaN量子阱有源区。
3.增大光学限制因子。与AlGaN材料相比，AlInN具有更小的光学折射率，与InGaN量子阱之间的折射率差更大，可以将光场更好地限制在InGaN量子阱有源区附近，增大了激光器的光学限制因子，降低了激光器的阈值。
4.降低光学吸收损耗。在氮化镓基激光器结构中，p型掺杂材料的光学吸收系数远大于非故意掺杂材料。与p型掺杂AlGaN电子阻挡层相比，非故意掺杂的AlInN具有更小的光学吸收系数，在相同的光场分布情况下具有更低的光学吸收损耗。此外，原本InGaN量子阱有源区附近的光场最强，通过插入该AlInN层，使得光学吸收系数大的p型掺杂材料远离光场最强的区域，从而降低了整个激光器结构的光学吸收损耗，提高了氮化镓基紫外激光器的量子效率，改善了激光器的输出特性。
附图说明
图1是本发明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。
本发明主要目的在于提供一种具有AlInN镁反向扩散阻挡层的氮化镓基紫外激光器，根据氮化镓基激光器在紫外波段的器件结构特点，采用AlInN材料阻挡p型掺杂区域的镁杂质向InGaN量子阱有源区的反向扩散，改善激光器性能。本发明的关键是在InGaN量子阱有源区和p型掺杂AlGaN电子阻挡层之间插入AlInN镁反向扩散阻挡层。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。与AlGaN量子垒层相比，In元素的并入可以起到表面催化剂的作用，在同样的生长温度下，AlInN的材料质量高于AlGaN垒层。因此可以有效降低镁杂质的反向扩散，阻挡镁杂质进入InGaN量子阱有源区。此外，与p型掺杂AlGaN电子阻挡层相比，非故意掺杂的AlInN具有更小的光学折射率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。因此，在InGaN量子阱有源区和p型掺杂AlGaN电子阻挡层之间插入AlInN镁反向扩散阻挡层，可以提高氮化镓基紫外激光器的量子效率，降低光学吸收损耗，从而降低激光器的阈值，改善输出特性。
本发明公开了一种具有AlInN镁反向扩散阻挡层的氮化镓基紫外激光器，包括：
一氮化镓同质衬底；
一n型同质外延层，其制作在氮化镓同质衬底上；
一n型限制层，其制作在n型同质外延层上；
一n型波导层，其制作在n型限制层上；
一有源区，其制作在n型波导层上；
一AlInN镁反向扩散阻挡层，其制作在有源区上；
一p型电子阻挡层，其制作在AlInN镁反向扩散阻挡层上；
一p型波导层，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，其制作在氮化镓同质衬底的底部。
在本发明的一些实施例中，所述氮化镓同质衬底包括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型同质外延层包括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n型波导层包括n型AlGaN波导层，其中，n型AlGaN波导层为掺Si的n型AlGaN，Al组分为0.01至1，厚度为50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镁反向扩散阻挡层为非故意掺杂的AlInN，厚度为5至100nm，A1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型波导层包括p型AlGaN波导层，其中p型AlGaN波导层为掺Mg的p型AlGaN，Al组分为0.01至1，厚度为30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，本实施例提供一种具有AlInN镁反向扩散阻挡层的氮化镓基紫外激光器，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n型AlGaN波导层13，其制作在n型AlGaN限制层12上，所述n型AlGaN波导层为掺Si的n型AlGaN，Al组分为0.01-1，厚度为50-300nm；
一InGaN/AlGaN量子阱有源区14，其制作在n型AlGaN波导层13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镁反向扩散阻挡层15，其制作在InGaN/AlGaN量子阱有源区14上，所述AlInN镁反向扩散阻挡层为非故意掺杂的AlInN，厚度为5-100nm，Al组分为0.01-1，In组分为0.01-1。
一p型A1GaN电子阻挡层16，其制作在AlInN镁反向扩散阻挡层15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AlGaN波导层17，其制作在p型AlGaN电子阻挡层16上，所述p型AlGaN波导层为掺Mg的p型AlGaN，Al组分为0.01-1，厚度为30-300nm；
一p型AlGaN限制层18，其制作在p型AlGaN波导层17上，该p型AlGaN限制层18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19，其制作在p型AlGaN限制层18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20，其制作在p型掺杂/p型重掺接触层19上；
一n型欧姆电极21，其制作在氮化镓同质衬底10的下表面。
图1中所示的氮化镓基紫外激光器结构，在InGaN量子阱有源区和p型掺杂AlGaN电子阻挡层之间插入AlInN，用来阻挡p型掺杂区域中镁杂质的反向扩散。
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AlInN镁反向扩散阻挡层的氮化镓基紫外激光器，包括：
一氮化镓同质衬底；
一n型同质外延层，其制作在氮化镓同质衬底上；
一n型限制层，其制作在n型同质外延层上；
一n型波导层，其制作在n型限制层上；
一有源区，其制作在n型波导层上；
一AlInN镁反向扩散阻挡层，其制作在有源区上；
一p型电子阻挡层，其制作在AlInN镁反向扩散阻挡层上；
一p型波导层，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，其制作在氮化镓同质衬底的底部。
2.如权利要求1所述的氮化镓基紫外激光器，其特征在于，
所述氮化镓同质衬底包括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所述的氮化镓基紫外激光器，其特征在于，
所述n型同质外延层包括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；
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。
4.如权利要求1所述的氮化镓基紫外激光器，其特征在于，
所述n型波导层包括n型AlGaN波导层，其中n型AlGaN波导层为掺Si的n型AlGaN，Al组分为0.01至1，厚度为50至300nm。
5.如权利要求1所述的氮化镓基紫外激光器，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。
6.如权利要求1所述的氮化镓基紫外激光器，其特征在于，
所述AlInN镁反向扩散阻挡层为非故意掺杂的AlInN，厚度为5至100nm，Al组分为0.01至1，In组分为0.01至1。
7.如权利要求1所述的氮化镓基紫外激光器，其特征在于，
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。
8.如权利要求1所述的氮化镓基紫外激光器，其特征在于，
所述p型波导层包括p型AlGaN波导层，其中p型AlGaN波导层为掺Mg的p型AlGaN，Al组分为0.01至1，厚度为30至300nm。
9.如权利要求1所述的氮化镓基紫外激光器，其特征在于，
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掺杂浓度为1×1019至3×1021cm-3，p型AlGaN层的Al组分为0.01至1。
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