CN111490453A - 含有分步掺杂下波导层的GaN基激光器及其制备方法 - Google Patents

含有分步掺杂下波导层的GaN基激光器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种含有分步掺杂下波导层的GaN基激光器及其制备方法，所述含有分步掺杂下波导层的GaN基激光器由下至上依次包括：N型电极、衬底、下限制层、分步掺杂下波导层、有源区、上波导层、电子阻挡层、上限制层、欧姆接触层和P型电极；其中，所述分步掺杂下波导层由下至上依次包括GaN下波导层和多层InGaN下波导层。本发明通过采用分步掺杂下波导层代替高掺杂的下波导层，抑制载流子的泄露，提高GaN基激光器的光电特性。

Description

含有分步掺杂下波导层的GaN基激光器及其制备方法
技术领域
本发明涉及氮化镓半导体激光器技术领域，特别涉及一种含有分步掺杂下波导层的GaN基激光器及其制备方法。
背景技术
GaN基半导体激光器是光电子技术发展过程中的关键器件之一，因其具有响应快、体积小、能量高、寿命长、功耗低、效率高、稳定性好等优点，可应用于激光显示、高密度的光学存储、通信系统、激光照明、杀菌和生化分析等领域，具有广阔的应用市场和巨大的商业价值。近年来，随着半导体材料外延生长技术和芯片制备工艺的不断突破，GaN基激光器的性能得到明显的改善。然而，仍存在一定的技术挑战，如载流子泄露、欧姆接触、低温生长高质量的P型材料、高Al组分的AlGaN材料外延生长难度大，晶体质量差等，限制其进一步发展。在这些挑战中，载流子泄露就是限制GaN基激光器发展的一个主要因素。
GaN基激光器中存在严重的载流子泄露现象，导致其光电转化效率较低。造成载流子泄露的原因可概括为两点：(1)高Al组分的AlGaN材料具有较强的自发极化效应。强的极化场使能带发生倾斜，降低了电子的有效势垒高度而增加了空穴的有效势垒高度，导致电子的泄露增加而空穴的注入效率降低。同时，在强极化场的作用下，电子和空穴的波函数发生空间分离，降低了载流子的辐射复合率；(2)GaN基激光器的量子阱相对较浅，量子阱对载流子的束缚能力弱。当电子从n型层向有源区注入时，由于量子阱较浅，部分电子从有源区溢出到p型层，造成电子的泄露。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种分步掺杂下波导层的GaN基激光器及其制备方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题的至少之一。
作为本发明的一个方面，提供一种含有分步掺杂下波导层的GaN基激光器，由下至上依次包括：
N型电极、衬底、下限制层、分步掺杂下波导层、有源区、上波导层、电子阻挡层、上限制层、欧姆接触层和P型电极；
其中，所述分步掺杂下波导层由下至上依次包括GaN下波导层和多层InGaN下波导层。
作为本发明的另一个方面，还提供一种如上述含有分步掺杂下波导层的GaN基激光器的制备方法，包括如下步骤：
在所述衬底上表面依次外延生长下限制层、分步掺杂下波导层、有源区、上波导层、电子阻挡层、上限制层和欧姆接触层；
利用磁控溅射技术，在所述欧姆接触层上进行金属蒸镀，形成金属层；
利用光刻、刻蚀技术，使上限制层、欧姆接触层和金属层形成脊形结构；
利用磁控溅射技术，加厚金属层，形成P型电极；
在所述衬底下表面形成N型电极，完成制备。
基于上述技术方案，本发明相较于现有技术，至少具有以下有益效果的其中之一或其中一部分：
本发明提出采用分步掺杂下波导层代替高掺杂的下波导层，有利于降低外延生长过程的难度和器件内部的损耗；增加了上波导层与电子阻挡层界面处的电子有效潜在势垒高度，明显抑制了电子的泄漏；该界面处的空穴有效潜在势垒高度降低，增加了空穴的注入，提高了载流子的激射复合，从而使GaN基激光器的性能得到明显改善；
分步掺杂下波导层结构具有两层下波导层，即GaN下波导层和InGaN下波导层；其中GaN下波导层紧邻AlGaN下限制层，二者的晶格常数接近，可降低内部极化电场，改善能带弯曲；
同时，InGaN下波导层紧邻有源区，可引导光场向量子阱靠近，增加光学限制因子，改善光场分布；
分步掺杂下波导层结构中，GaN下波导层的掺杂浓度在2.0×1018cm-3～6.0×1018cm-3，相对较低，InGaN下波导层分两步掺杂，掺杂浓度分别为1.0×1018cm-3～3.0×1018cm-3和1.0×1019cm-3～3.0×1019cm-3，相对较高，这种分布掺杂下波导层方式既可提高输出功率，又可降低内部光学损耗。
附图说明
图1为本发明实施例1和2中含有分步掺杂下波导层的GaN基激光器的结构示意图；
图2为本发明实施例1和2中的分布掺杂下波导层的结构示意图。
以上附图中，附图标记含义如下：
1、N型欧姆电极；2、衬底；3、下限制层；4、N型分步掺杂GaN/InGaN下波导层；4a、GaN下波导层；4b、第一In0.015Ga0.985N下波导层；4c、第二In0.015Ga0.985N下波导层；5、有源区；6、上波导层；7、电子阻挡层；8、上限制层；9、P型GaN欧姆接触层；10、P型欧姆电极。
具体实施方式
本发明的目的在于：抑制载流子的泄露，提高GaN基激光器的光电特性。
首先研究了增加下波导的掺杂浓度对激光器性能的影响。结果表明，下波导掺杂浓度的增加有利于提高激光器的输出功率，降低阈值电流。但考虑到下波导层的掺杂浓度过高，会导致器件的光学损耗增加。所以本发明提出采用分步掺杂下波导层代替高掺杂的下波导层。
本发明具有以下优点：分布掺杂下波导层的掺杂浓度相对较低，有利于降低外延生长过程的难度和器件内部的损耗；采用分布掺杂下波导结构，增加了上波导与电子阻挡层界面处的电子有效潜在势垒高度，明显抑制了电子的泄露。同时，该界面处的空穴有效潜在势垒高度降低，增加了空穴的注入，提高了载流子的激射复合；另外，分步掺杂下波导结构的制备工艺简单，制造成本较低。
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。
作为本发明的一个方面，提供一种含有分步掺杂下波导层的GaN基激光器，由下至上依次包括：N型电极、衬底、下限制层、分步掺杂下波导层、有源区、上波导层、电子阻挡层、上限制层、欧姆接触层和P型电极；其中，分步掺杂下波导层由下至上依次包括GaN下波导层和多层InGaN下波导层。
在本发明的实施例中，分步掺杂下波导层由下至上依次包括GaN下波导层，第一InxGa1-xN下波导层和第二InxGa1-xN下波导层；其中，x为0.01～0.03。
在本发明的实施例中，分步掺杂下波导层的掺杂方式为N型掺杂；
GaN下波导层的掺杂浓度为2.0×1018cm-3～6.0×1018cm-3；
第一InxGa1-xN下波导层的掺杂浓度为1.0×1018cm-3～3.0×1018cm-3；
第二InxGa1-xN下波导层的掺杂浓度为1.0×1019cm-3～3.0×1019cm-3；
其中，x为0.01～0.03。
在本发明的实施例中，分步掺杂下波导层的总厚度为100～250nm；
其中，GaN下波导层的厚度为50～120nm；
第一InxGa1-xN下波导层的厚度为60～100nm；
第二InxGa1-xN下波导层的厚度为10～50nm；
其中，x为0.01～0.03。
在本发明的实施例中，有源区包括交替外延的量子阱层和量子垒层；
量子阱层包括InyGa1-yN材料，y为0.02～0.25，单层量子阱层的厚度为2～4nm，量子阱层层数为2～3；
量子垒层包括GaN材料，单层量子垒层的厚度为10～14nm，量子垒层层数为3～4。
在本发明的实施例中，下限制层包括N型AlzGa1-zN材料，其中，掺杂浓度为1×1018cm-3～5.0×1018cm-3，z为0.05～0.1，厚度为0.5～2.5μm。
在本发明的实施例中，上波导层包括GaN材料，厚度为100～250nm。
在本发明的实施例中，电子阻挡层包括P型AlmGa1-mN材料，掺杂浓度为2.0×1019cm-3～6.0×1019cm-3，其中m为0.15～0.25，厚度为20～30nm。
在本发明的实施例中，上限制层包括P型AlnGa1-nN材料，掺杂浓度为1×1019cm-3～6.0×1019cm-3，其中n为0.05～0.1，厚度为0.5～2.5μm；
欧姆接触层包括P型GaN材料，掺杂浓度为1×1020cm-3～5.0×1020cm-3，厚度为40～150nm。
作为本发明的另一个方面，还提供一种如上述的含有分步掺杂下波导层的GaN基激光器的制备方法，包括如下步骤：
在衬底上表面依次外延生长下限制层、分步掺杂下波导层、有源区、上波导层、电子阻挡层、上限制层和欧姆接触层；
利用磁控溅射技术，在欧姆接触层上进行金属蒸镀，形成金属层；
利用光刻、刻蚀技术，使上限制层、欧姆接触层和金属层形成脊形结构；
利用ICP-CVD(电感耦合等离子体增强化学气相沉积)技术，在脊形结构上沉积一层SiO2绝缘膜；
利用剥离技术，剥离掉金属层上的SiO2绝缘膜；
利用磁控溅射技术，加厚金属层，形成P型电极；
将衬底的下表面减薄、研磨、抛光后，溅射形成N型电极；
将镀好N型电极的外延片进行解理、镀膜、划片、封装，完成制备。
实施例1
如图1所示，本发明实施例1提供一种含有分布掺杂下波导层的GaN基激光器，更为具体的，提供一种含有分布掺杂下波导层的GaN基蓝光激光器，由下至上依次包括：N型欧姆电极1、衬底2、下限制层3、N型分步掺杂GaN/InGaN下波导层4、有源区5、上波导层6、电子阻挡层7、上限制层8、P型GaN欧姆接触层9和P型欧姆电极10。N型欧姆电极1为Ti/Al/Ti/Au材料，厚度为50/100/50/100nm。衬底2为GaN衬底，属于N型掺杂，N型杂质为Si，掺杂浓度为3.0×1018cm-3，厚度为1um。衬底2上生长N型AlGaN下限制层3，其中N型杂质为Si，掺杂浓度为3.0×1018cm-3，Al组分含量为0.08，即Al0.08Ga0.92N，厚度为1um。
下限制层3上生长N型分步掺杂GaN/InGaN下波导层4，N型杂质为Si，总厚度为200nm。
图2为分布掺杂下波导层的结构示意图，如图2所示，N型分步掺杂GaN/InGaN下波导层4由下至上包括GaN下波导层4a，第一In0.015Ga0.985N下波导层4b，第二In0.015Ga0.985N下波导层4c。其中，GaN下波导层4a的掺杂浓度为5.0×1018cm-3，厚度为100nm。第一In0.015Ga0.985N下波导层4b的掺杂浓度为1.0×1018cm-3，厚度为70nm。第二In0.015Ga0.985N下波导层4c的掺杂浓度为1.0×1019cm-3，厚度为30nm。
N型分步掺杂GaN/InGaN下波导层4上生长有源区5，其中，量子阱层材料为InGaN，单层量子阱层厚度为4nm。量子垒层材料为GaN，单层量子垒层厚度为10nm。其中，有源区5中InGaN量子阱层的In组分为0.2，即In0.2Ga0.8N，用于形成蓝光激光器。有源区5上生长非故意掺杂的GaN上波导层6，厚度为100nm。上波导层6上生长P型AlGaN电子阻挡层7，P型杂质为Mg，掺杂浓度为5.0×1019cm-3，Al组分含量为0.15，即Al0.15Ga0.85N，厚度为20nm。电子阻挡层7上生长P型AlGaN上限制层8，P型杂质为Mg，掺杂浓度为5×1019cm-3，Al组分含量为0.06，厚度为0.6um。上限制层8上生长P型GaN欧姆接触层9，P型杂质为Mg，掺杂浓度为1×1020cm-3，厚度为40nm。P型GaN欧姆接触层9上面为P型欧姆电极10，组成材料为Pd/Pt/Au，厚度为50nm/50nm/600nm。
实施例2
如图1和图2所示，本发明实施例2提供一种含有分布掺杂下波导层的GaN基激光器，本发明实施例2与实施例1的不同之处在于，有源区5中InGaN量子阱层的In组分为0.06，即In0.06Ga0.94N，形成一种含有分布掺杂下波导层的GaN基紫外激光器。
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)

1.一种含有分步掺杂下波导层的GaN基激光器，其特征在于，由下至上依次包括：
N型电极、衬底、下限制层、分步掺杂下波导层、有源区、上波导层、电子阻挡层、上限制层、欧姆接触层和P型电极；
其中，所述分步掺杂下波导层由下至上依次包括GaN下波导层和多层InGaN下波导层。
2.根据权利要求1所述含有分步掺杂下波导层的GaN基激光器，其特征在于，所述分步掺杂下波导层由下至上依次包括GaN下波导层，第一InxGa1-xN下波导层和第二InxGa1-xN下波导层；其中，x为0.01～0.03。
3.根据权利要求2所述含有分步掺杂下波导层的GaN基激光器，其特征在于，所述分步掺杂下波导层的掺杂方式为N型掺杂；
所述GaN下波导层的掺杂浓度为2.0×1018cm-3～6.0×1018cm-3；
所述第一InxGa1-xN下波导层的掺杂浓度为1.0×1018cm-3～3.0×1018cm-3；
所述第二InxGa1-xN下波导层的掺杂浓度为1.0×1019cm-3～3.0×1019cm-3；
其中，x为0.01～0.03。
4.根据权利要求2所述含有分步掺杂下波导层的GaN基激光器，其特征在于，所述分步掺杂下波导层的总厚度为100～250nm；
其中，所述GaN下波导层的厚度为50～120nm；
所述第一InxGa1-xN下波导层的厚度为60～100nm；
所述第二InxGa1-xN下波导层的厚度为10～50nm；
其中，x为0.01～0.03。
5.根据权利要求1所述含有分步掺杂下波导层的GaN基激光器，其特征在于，所述有源区包括交替外延的量子阱层和量子垒层；
所述量子阱层包括InyGa1-yN材料，y为0.02～0.25，单层量子阱层厚度为2～4nm，所述量子阱层层数为2～3；
所述量子垒层包括GaN材料，单层量子垒层厚度为10～14nm，所述量子垒层层数为3～4。
6.根据权利要求1所述含有分步掺杂下波导层的GaN基激光器，其特征在于，所述下限制层包括N型AlzGa1-zN材料，其中，掺杂浓度为1×1018cm-3～5.0×1018cm-3，其中z为0.05～0.1，厚度为0.5～2.5μm。
7.根据权利要求1所述含有分步掺杂下波导层的GaN基激光器，其特征在于，所述上波导层包括GaN材料，厚度为100～250nm。
8.根据权利要求1所述含有分步掺杂下波导层的GaN基激光器，其特征在于，所述电子阻挡层包括P型AlmGa1-mN材料，掺杂浓度为2.0×1019cm-3～6.0×1019cm-3，其中m为0.15～0.25，厚度为20～30nm。
9.根据权利要求1所述含有分步掺杂下波导层的GaN基激光器，其特征在于，所述上限制层包括P型AlnGa1-nN材料，掺杂浓度为1×1019cm-3～6.0×1019em-3，其中n为0.05～0.1，厚度为0.5～2.5μm；
所述欧姆接触层包括P型GaN材料，掺杂浓度为1×1020cm-3～5.0×1020cm-3，厚度为40～150nm。
10.一种如权利要求1至9任一项所述含有分步掺杂下波导层的GaN基激光器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
在所述衬底上表面依次外延生长下限制层、分步掺杂下波导层、有源区、上波导层、电子阻挡层、上限制层和欧姆接触层；
利用磁控溅射技术，在所述欧姆接触层上进行金属蒸镀，形成金属层；
利用光刻、刻蚀技术，使上限制层、欧姆接触层和金属层形成脊形结构；
利用磁控溅射技术，加厚金属层，形成P型电极；
在所述衬底下表面形成N型电极，完成制备。
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