CN111697428A - 一种氮化镓基激光二极管外延结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氮化镓基激光二极管外延结构及其制备方法，所述氮化镓基激光二极管外延结构从下到上依次层叠设有氮化镓单晶衬底、n型GaN层、n型限制层、下波导层、有源区、上波导层、p型限制层和p型GaN层，其中，下波导层为n‑‑Aly2Ga1‑y2N+n‑‑GaN+n‑Inx1Ga1‑x1N/GaN超晶格复合波导层，有源区为非对称掺杂的InGaN/GaN双量子阱结构，上波导层为u‑Inx4Ga1‑x4N/GaN超晶格+u‑GaN+p‑Aly4Ga1‑y4N复合结构。本专利申请通过优化设计氮化镓基激光器高量子效率渐变In组分梯形有源区结构，并进一步设计新型光波导层结构，得到全新的氮化镓基激光二极管外延结构。该氮化镓基激光二极管外延结构用作激光器，进行光泵激射时，半峰宽较窄，光束质量高。

Description

一种氮化镓基激光二极管外延结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及激光二极管技术领域，更具体地，涉及一种氮化镓基激光二极管外延结构及其制备方法。
背景技术
III-V族氮化物半导体材料，是继硅，砷化镓之后的第三代半导体材料，包含了氮化镓(GaN)，氮化铝(AlN)和氮化铟(InN)及它们的合金，是直接带隙半导体，具有禁带宽度大(范围为0.7-6.2eV)、击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强以及耐化学腐蚀等优点。这些光电性质上的优势使III-V族氮化物材料在光电子领域(如LED和LD)具有极强的竞争优势，处于不可替代的地位。是制作从紫外到绿光波段半导体激光器的理想材料。
GaN基绿光激光器有着巨大的科研价值、经济价值及市场前景。GaN基绿光激光器是激光显示三基色光源之一,在激光电影、激光电视、激光投影、激光照明、生物医学、材料加工、光通讯、光存储、医疗与美容、科研与国防、仪器和探测、图像纪录、娱乐等领域具有重要应用价值和广阔的市场前景。GaN基绿光激光器目前最引人注目的应用领域是激光显示。GaN基激光器具有集成度高、光谱纯净、亮度高，分辨率高等优点。激光全色显示在显示效果、效率、便携性和易用性上具有发光二级管无法比拟的显著优越性。由于激光的高色纯度，按三基色合成原理在色度图上形成的色度三角形面积最大，色域覆盖了自然色彩的90％，而目前液晶电视、等离子体电视仅能达到40％，因而激光显示的图像具有更大的色域、更高的对比度，可以更真实地再现客观世界丰富、艳丽的色彩，更具表现力。
随着激光显示技术的快速发展，对GaN基激光器的需求变得更加迫切。但是，现有的GaN基激光器的半峰宽较宽，光束质量有待提高。例如，中国专利201180045031.3公开了一种基于第III族氮化物的绿光激光二极管及其波导结构，该基于第III族氮化物的激光二极管包含由n-掺杂的(Al,In)GaN形成的n-侧包覆层、由n-掺杂的(Al)InGaN形成的n-侧波导层、有源区、由p-掺杂的(Al)InGaN形成的p-侧波导层以及由p-掺杂的(Al,In)GaN形成的p-侧包覆层；调节p-侧包覆层和p-侧波导层中的掺杂剂和组成分布，以降低光损耗并增加电光转化效率。但是，其光束质量仍有待提高。
因此，需要开发出光束质量更高的GaN基激光器。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的光束质量不高的缺陷，提供一种氮化镓基激光二极管外延结构，提供的氮化镓基激光二极管外延结构用作激光器，进行光泵激射时，半峰宽较窄，光束质量高。
本发明的另一目的在于提供上述氮化镓基激光二极管外延结构的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种氮化镓基激光二极管外延结构，从下到上依次层叠设有氮化镓单晶衬底、n型GaN层、n型限制层、下波导层有源区、上波导层、p型限制层和p型GaN层；
所述有源区为非对称掺杂的InGaN/GaN双量子阱结构，从下到上依次层叠设有有源区下垒层、Inx2Ga1-x2N阱层、有源区中间垒层、Inx2Ga1-x2N阱层和有源区上垒层；
所述有源区下垒层为重掺n+-GaN+u-GaN复合结构，重掺n+-GaN位于u-GaN下方，其中，n+-GaN厚度为10～15nm，Si掺杂浓度为1018～1019cm-3，采用恒温生长，生长温度为850℃～900℃；u-GaN厚度为0.5nm-1.5nm，采用变温生长，生长温度从850℃～950℃线性降低至750℃～800℃；
所述Inx2Ga1-x2N阱层厚度为3nm～6nm，In组分满足0.01≤x2≤0.30，采用恒温生长，生长温度为750℃～800℃；
所述有源区中间垒层从下到上依次层叠设有中间下变温GaN垒层、中间恒温GaN垒层和中间上变温GaN垒层，所述有源区中间垒层中GaN总厚度为3.5nm～10nm，其中，中间下变温GaN垒层厚度为0.5nm～1.5nm，生长温度从750℃～800℃线性增加至850℃～900℃；中间恒温GaN垒层厚度为2.5～7nm,生长温度为850℃～900℃；中间上变温GaN垒层厚度为0.5nm～1.5nm，生长温度从850℃～900℃线性降低至750℃～800℃；
所述有源区上垒层为非掺杂u-GaN+u-Aly3Ga1-y3N/Inx3Ga1-x3N超晶格复合结构，非掺杂u-GaN位于u-Aly3Ga1-y3N/Inx3Ga1-x3N超晶格下方，其中，u-GaN厚度为0.5nm～1.5nm，采用变温生长，生长温度从750℃～800℃线性增加至850℃～900℃；u-Aly3Ga1-y3N/Inx3Ga1-x3N超晶格结构采用恒温生长，生长温度为850℃～900℃，超晶格周期数为10～15，超晶格中InGaN阱层厚度为0.5nm～1nm，AlGaN垒层厚度为0.5nm～1nm，随着超晶格生长周期数的增加InGaN阱层中的In组分x3阶梯式下降，In组分x3小于有源区的Inx2Ga1-x2N阱层的In组分x2，AlGaN垒层中的Al组分y3阶梯式增加，Al组分满足0.05≤y3≤0.2。
优选地，所述n型限制层为n-Aly1Ga1-y1N/GaN超晶格光限制层，其超晶格周期数为100～150，n-Aly1Ga1-y1N/GaN超晶格中AlGaN厚度为2.5nm～3nm，GaN厚度为2.5nm～3nm，Si掺杂浓度为1018-1019cm-3，Al组分y1满足0.05≤y1≤0.15。
优选地，所述下波导层为轻掺杂n--Aly2Ga1-y2N+轻掺杂n--GaN+高掺杂n-Inx1Ga1- x1N/GaN超晶格复合波导层，轻掺杂n--Aly2Ga1-y2N、轻掺杂n--GaN和高掺杂n-Inx1Ga1-x1N/GaN超晶格从下到上依次层叠设置，其中，轻掺杂n--Aly2Ga1-y2N厚度为5～10nm，Al组分y2满足0.02≤y2≤0.10，Al组分随着生长厚度增加从y2线性减小至0，生长温度为850～900℃，Si掺杂浓度为1×1017cm-3～5×1017cm-3；轻掺杂n--GaN厚度40～60nm，生长温度为850～900℃，Si掺杂浓度为1×1017cm-3～5×1017cm-3；高掺杂n-Inx1Ga1-x1N/GaN超晶格，周期数10～15，Inx1Ga1-x1N阱层厚度2～2.5nm，GaN垒层厚度2～2.5nm，生长温度为800～830℃，作为激光二极管的n型波导层，In组分随着超晶格生长周期的增加从0线性增大至x1，其中In组分满足0.01≤x1≤0.10，且小于有源区阱层中In的组分，Si掺杂浓度为1018～1019cm-3。
优选地，所述上波导层为u-Inx4Ga1-x4N/GaN超晶格+u-GaN+p-Aly4Ga1-y4N复合结构，作为激光二极管的p型波导层，u-Inx4Ga1-x4N/GaN超晶格、u-GaN和p-Aly4Ga1-y4N从下到上依次层叠设置，其中，u-Inx4Ga1-x4N/GaN超晶格周期数为10～15，Inx4Ga1-x4N阱层厚度2～2.5nm，GaN垒层厚度2～2.5nm，生长温度为800～850℃，In组分随着超晶格生长周期的增加从x4线性减小至0，其中In组分满足0.01≤x4≤0.10，In组分小于有源区中阱层In的组分；u-GaN厚度40～60nm，生长温度为850～900℃；p-Aly4Ga1-y4N厚度为5～10nm，Al组分随着生长厚度增加从0线性增大至y4，其中Al组分y4满足0.02≤y4≤0.10，生长温度为850～900℃，Mg掺杂浓度为1017-1018cm-3。
优选地，所述p型限制层为p-Aly5Ga1-y5N/GaN超晶格光限制层，超晶格周期数为100～150,超晶格中AlGaN厚度为2.5～3nm，GaN厚度为2.5～3nm，Al组分满足0.05≤y5≤0.15，Mg掺杂浓度为1017-1018cm-3。
优选地，所述n型GaN层厚度为2～4μm，Si掺杂浓度为1018-1019cm-3。
优选地，所述p型GaN层厚度为100～150nm，Mg掺杂浓度为1017-1018cm-3。
本申请还保护上述氮化镓基激光二极管外延结构的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
S1.在氢气和氨气混合气氛中，温度900～1100℃条件下，对GaN单晶衬底进行表面活化处理；
S2.在氢气氛围中，温度950～1200℃条件下，通入三甲基镓作为III族源，氨气作为V族源，SiH4作为n型掺杂源，在GaN单晶衬底上生长n型GaN层；
S3.在氢气氛围中，温度850～1050℃条件下，通入三甲基镓、三甲基铝和三甲基铟作为III族源，氨气作为V族源，SiH4作为n型掺杂源，在n型GaN层生长n型限制层；
S4.在氮气氛围中，温度820～850℃条件下，通入三甲基镓和三甲基铟作为III族源，氨气作为V族源，SiH4作为n型掺杂源，在n型限制层上生长下波导层；
S5.在氮气氛围中，温度750～850℃条件下，通入三甲基镓作为III族源，氨气作为V族源，在下波导层上生长有源区；
S6.在氮气氛围中，温度820～850℃条件下，通入三甲基镓和三甲基铟作为III族源，氨气作为V族源，二茂镁作为p型掺杂源，在有源区上生长上波导层；
S7.在氢气氛围中，温度850～1050℃条件下，通入三甲基镓、三甲基铝和三甲基铟作为III族源，氨气作为V族源，二茂镁作为p型掺杂源，在上波导层上生长p型限制层；
S8.在氢气氛围中，温度950～980℃条件下，通入三甲基镓作为III族源，氨气作为V族源，二茂镁作为p型掺杂源，在p型限制层上生长p型GaN层，制得所述氮化镓基激光二极管外延结构。
优选地，步骤S1～S8在金属有机化合物气相外延反应室中进行。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本专利申请通过优化设计氮化镓基激光器高量子效率渐变In组分梯形有源区结构，并进一步设计新型光波导层结构，得到全新的氮化镓基激光二极管外延结构。该氮化镓基激光二极管外延结构用作激光器，进行光泵激射时，半峰宽较窄，光束质量高。
附图说明
图1为本发明的氮化镓基激光二极管外延结构的结构示意图。
图2为本发明实施例1和对比例1的氮化镓基激光二极管外延结构的光泵激射结果。
图3为本发明实施例2和对比例1的氮化镓基激光二极管外延结构的光泵激射结果。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
此外，若有“第一”、“第二”等术语仅用于描述目的，主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同)，并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。
实施例中的原料均可通过市售得到；
本申请的实施例制备过程使用Aixtron公司，紧耦合垂直反应室MOCVD生长系统。
除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
实施例1
本实施例提供一种氮化镓基激光二极管外延结构，如图1所示，从下到上依次层叠设有氮化镓单晶衬底101、n型GaN层102、n型限制层103、下波导层104、有源区105、上波导层106、p型限制层107和p型GaN层108。
该氮化镓基激光二极管外延结构的制备方法及具体参数如下：
S1.首先在金属有机化合物气相外延反应室中，在氢气(H2)气氛下，升温至500℃，在反应室中通入NH3，然后升温至1050℃，在氢气(H2)和氨气(NH3)混合气氛下，温度1050℃下，对在GaN衬底表面进行活化处理，5分钟。
S2.在氢气(H2)气氛下，在GaN衬底上，温度1050℃下，通入三甲基镓作为III族源，NH3作为V族源，SiH4作为n型掺杂源，在GaN单晶衬底101上生长n型GaN层102。
n型GaN层厚度为2μm，Si掺杂浓度为1018cm-3。
S3.在氢气(H2)气氛下，在1050℃下，通入三甲基镓、三甲基铝和三甲基铟作为III族源，NH3作为V族源，SiH4作为n型掺杂源，在n型GaN层102生长n型限制层103。
n型限制层103为n-Aly1Ga1-y1N/GaN超晶格光限制层，其超晶格周期数为100，n-Aly1Ga1-y1N/GaN超晶格中AlGaN厚度为2.5nm，GaN厚度为2.5nm，Si掺杂浓度为5×1018cm-3，Al组分y1为0.1。
S4.在氮气氛围中，温度850℃条件下，通入三甲基镓、三甲基铟和三甲基铝作为III族源，氨气作为V族源，SiH4作为n型掺杂源，在n型限制层103上生长下波导层104。
下波导层104为轻掺杂n--Aly2Ga1-y2N+轻掺杂n--GaN+高掺杂n-Inx1Ga1-x1N/GaN超晶格复合波导层，轻掺杂n--Aly2Ga1-y2N、轻掺杂n--GaN和高掺杂n-Inx1Ga1-x1N/GaN超晶格从下到上依次层叠设置，其中，轻掺杂n--Aly2Ga1-y2N厚度为5nm，Al组分y2＝0.05，Al组分随着生长厚度增加从0.05线性减小至0，生长温度为900℃，Si掺杂浓度为1×1017cm-3；轻掺杂n--GaN厚度40nm，生长温度为850℃，Si掺杂浓度为1×1017cm-3；高掺杂n-Inx1Ga1-x1N/GaN超晶格，周期数10，Inx1Ga1-x1N阱层厚度2nm，GaN垒层厚度2nm，生长温度为800℃，作为激光二极管的n型波导层，In组分随着超晶格生长周期的增加从0线性增大至x1，其中In组分x1为0.05，小于有源区阱层中In的组分，Si掺杂浓度为2×1018cm-3。
S5.在氮气氛围中，温度800℃条件下，通入三甲基镓作为III族源，氨气作为V族源，在下波导层104上生长有源区105。
有源区105为非对称掺杂的InGaN/GaN双量子阱结构，从下到上依次层叠设有有源区下垒层、Inx2Ga1-x2N阱层、有源区中间垒层、Inx2Ga1-x2N阱层和有源区上垒层；
有源区下垒层为重掺n+-GaN+u-GaN复合结构，重掺n+-GaN位于u-GaN下方，其中，n+-GaN厚度为10nm，Si掺杂浓度为1018cm-3，采用恒温生长，生长温度为850℃；u-GaN厚度为0.5nm，采用变温生长，生长温度从850℃线性降低至750℃；
Inx2Ga1-x2N阱层厚度为3nm，In组分x2为0.15，采用恒温生长，生长温度为750℃；
有源区中间垒层从下到上依次层叠设有中间下变温GaN垒层、中间恒温GaN垒层和中间上变温GaN垒层，有源区中间垒层中GaN总厚度为5nm，其中，中间下变温GaN垒层厚度为0.5nm，生长温度从750℃线性增加至850℃；中间恒温GaN垒层厚度为4nm,生长温度为850℃；中间上变温GaN垒层厚度为0.5nm，生长温度从850℃线性降低至750℃；
有源区上垒层为非掺杂u-GaN+u-Aly3Ga1-y3N/Inx3Ga1-x3N超晶格复合结构，非掺杂u-GaN位于u-Aly3Ga1-y3N/Inx3Ga1-x3N超晶格下方，其中，u-GaN厚度为0.5nm，采用变温生长，生长温度从750℃线性增加至850℃；u-Aly3Ga1-y3N/Inx3Ga1-x3N超晶格结构采用恒温生长，生长温度为850℃，超晶格周期数为10，超晶格中InGaN阱层厚度为0.5nm，AlGaN垒层厚度为0.5nm，随着超晶格生长周期数的增加InGaN阱层中的In组分x3阶梯式下降，In组分x3小于有源区的Inx2Ga1-x2N阱层的In组分x2，本实施例中x3为0.05，AlGaN垒层中的Al组分y3阶梯式增加，Al组分y3为0.1。
S6.在氮气氛围中，温度850℃条件下，通入三甲基镓、三甲基铟和三甲基铝作为III族源，氨气作为V族源，二茂镁作为p型掺杂源，在有源区105上生长上波导层106。
上波导层106为u-Inx4Ga1-x4N/GaN超晶格+u-GaN+p-Aly4Ga1-y4N复合结构，作为激光二极管的p型波导层，u-Inx4Ga1-x4N/GaN超晶格、u-GaN和p-Aly4Ga1-y4N从下到上依次层叠设置，其中，u-Inx4Ga1-x4N/GaN超晶格周期数为10，Inx4Ga1-x4N阱层厚度2nm，GaN垒层厚度2nm，生长温度为850℃，In组分随着超晶格生长周期的增加从x4线性减小至0，其中In组分x4为0.05，In组分小于有源区阱层中In的组分；u-GaN厚度40nm，生长温度为850℃；p-Aly4Ga1-y4N厚度为5nm，Al组分随着生长厚度增加从0线性增大至y4，其中Al组分y为0.05，生长温度为900℃，Mg掺杂浓度为5×1017cm-3。
S7.在氢气氛围中，温度980℃条件下，通入三甲基镓、三甲基铝和三甲基铟作为III族源，氨气作为V族源，二茂镁作为p型掺杂源，在上波导层106上生长p型限制层107。
p型限制层107为p-Aly5Ga1-y5N/GaN超晶格光限制层，超晶格周期数为100,超晶格中AlGaN厚度为2.5nm，GaN厚度为2.5nm，Al组分y5为0.1，Mg掺杂浓度为1017cm-3。
S8.在氢气氛围中，温度950℃条件下，通入三甲基镓作为III族源，氨气作为V族源，二茂镁作为p型掺杂源，在p型限制层108上生长p型GaN层109。
p型GaN层厚度为100nm，Mg掺杂浓度为5×1017cm-3。
外延生长结束后，将反应室的温度降至750℃，采用纯氮气气氛进行退火处理20min，然后降至室温，结束生长。制得氮化镓基激光二极管外延结构。
实施例2
本实施例提供一种氮化镓基激光二极管外延结构，如图1所示，从下到上依次层叠设有氮化镓单晶衬底101、n型GaN层102、n型限制层103、下波导层104、有源区105、上波导层106、p型限制层107和p型GaN层108。
该氮化镓基激光二极管外延结构的制备方法及具体参数如下：
S1.首先在金属有机化合物气相外延反应室中，在氢气(H2)气氛下，升温至500℃，在反应室中通入NH3，然后升温至1050℃，在氢气(H2)和氨气(NH3)混合气氛下，温度1050℃下，对在GaN衬底表面进行活化处理，5分钟。
S2.在氢气(H2)气氛下，在GaN衬底上，温度1050℃下，通入三甲基镓作为III族源，NH3作为V族源，SiH4作为n型掺杂源，在GaN单晶衬底101上生长n型GaN层102。
n型GaN层厚度为4μm，Si掺杂浓度为1019cm-3。
S3.在氢气(H2)气氛下，在900℃下，通入三甲基镓、三甲基铝和三甲基铟作为III族源，NH3作为V族源，SiH4作为n型掺杂源，在n型GaN层102生长n型限制层103。
n型限制层103为n-Aly1Ga1-y1N/GaN超晶格光限制层，其超晶格周期数为100，n-Aly1Ga1-y1N/GaN超晶格中AlGaN厚度为3nm，GaN厚度为3nm，Si掺杂浓度为5×1018cm-3，Al组分y1为0.1。
S4.在氮气氛围中，温度820℃条件下，通入三甲基镓、三甲基铟和三甲基铝作为III族源，氨气作为V族源，SiH4作为n型掺杂源，在n型限制层103上生长下波导层104。
下波导层104为轻掺杂n--Aly2Ga1-y2N+轻掺杂n--GaN+高掺杂n-Inx1Ga1-x1N/GaN超晶格复合波导层，轻掺杂n--Aly2Ga1-y2N、轻掺杂n--GaN和高掺杂n-Inx1Ga1-x1N/GaN超晶格从下到上依次层叠设置，其中，轻掺杂n--Aly2Ga1-y2N厚度为10nm，Al组分y2＝0.05，Al组分随着生长厚度增加从0.05线性减小至0，生长温度为900℃，Si掺杂浓度为5×1017cm-3；轻掺杂n--GaN厚度60nm，生长温度为900℃，Si掺杂浓度为5×1017cm-3；高掺杂n-Inx1Ga1-x1N/GaN超晶格，周期数15，Inx1Ga1-x1N阱层厚度2.5nm，GaN垒层厚度2.5nm，生长温度为830℃，作为激光二极管的n型波导层，In组分随着超晶格生长周期的增加从0线性增大至x1，其中In组分x1为0.05，小于有源区阱层中In的组分，Si掺杂浓度为2×1018cm-3。
S5.在氮气氛围中，温度800℃条件下，通入三甲基镓作为III族源，氨气作为V族源，在下波导层104上生长有源区105。
有源区105为非对称掺杂的InGaN/GaN双量子阱结构，从下到上依次层叠设有有源区下垒层、Inx2Ga1-x2N阱层、有源区中间垒层、Inx2Ga1-x2N阱层和有源区上垒层；
有源区下垒层为重掺n+-GaN+u-GaN复合结构，重掺n+-GaN位于u-GaN下方，其中，n+-GaN厚度为15nm，Si掺杂浓度为1019cm-3，采用恒温生长，生长温度为900℃；u-GaN厚度为1.5nm，采用变温生长，生长温度从950℃线性降低至800℃；
Inx2Ga1-x2N阱层厚度为6nm，In组分x2为0.15，采用恒温生长，生长温度为800℃；
有源区中间垒层从下到上依次层叠设有中间下变温GaN垒层、中间恒温GaN垒层和中间上变温GaN垒层，有源区中间垒层中GaN总厚度为5nm，其中，中间下变温GaN垒层厚度为1.5nm，生长温度从800℃线性增加至900℃；中间恒温GaN垒层厚度为4nm,生长温度为900℃；中间上变温GaN垒层厚度为1.5nm，生长温度从900℃线性降低至800℃；
有源区上垒层为非掺杂u-GaN+u-Aly3Ga1-y3N/Inx3Ga1-x3N超晶格复合结构，非掺杂u-GaN位于u-Aly3Ga1-y3N/Inx3Ga1-x3N超晶格下方，其中，u-GaN厚度为1.5nm，采用变温生长，生长温度从800℃线性增加至900℃；u-Aly3Ga1-y3N/Inx3Ga1-x3N超晶格结构采用恒温生长，生长温度为900℃，超晶格周期数为15，超晶格中InGaN阱层厚度为1.0nm，AlGaN垒层厚度为1.0nm，随着超晶格生长周期数的增加InGaN阱层中的In组分x3阶梯式下降，In组分x3小于有源区的Inx2Ga1-x2N阱层的In组分x2，本实施例中x3为0.05，AlGaN垒层中的Al组分y3阶梯式增加，Al组分y3为0.1。
S6.在氮气氛围中，温度820℃条件下，通入三甲基镓、三甲基铟和三甲基铝作为III族源，氨气作为V族源，二茂镁作为p型掺杂源，在有源区105上生长上波导层106。
上波导层106为u-Inx4Ga1-x4N/GaN超晶格+u-GaN+p-Aly4Ga1-y4N复合结构，作为激光二极管的p型波导层，u-Inx4Ga1-x4N/GaN超晶格、u-GaN和p-Aly4Ga1-y4N从下到上依次层叠设置，其中，u-Inx4Ga1-x4N/GaN超晶格周期数为15，Inx4Ga1-x4N阱层厚度2.5nm，GaN垒层厚度2.5nm，生长温度为800℃，In组分随着超晶格生长周期的增加从x4线性减小至0，其中In组分x4为0.05，In组分小于有源区阱层中In的组分；u-GaN厚度60nm，生长温度为900℃；p-Aly4Ga1-y4N厚度为10nm，Al组分随着生长厚度增加从0线性增大至y4，其中Al组分y为0.05，生长温度为850℃，Mg掺杂浓度为5×1017cm-3。
S7.在氢气氛围中，温度980℃条件下，通入三甲基镓、三甲基铝和三甲基铟作为III族源，氨气作为V族源，二茂镁作为p型掺杂源，在上波导层106上生长p型限制层107。
p型限制层107为p-Aly5Ga1-y5N/GaN超晶格光限制层，超晶格周期数为150,超晶格中AlGaN厚度为3nm，GaN厚度为3nm，Al组分y5为0.1，Mg掺杂浓度为1018cm-3。
S8.在氢气氛围中，温度980℃条件下，通入三甲基镓作为III族源，氨气作为V族源，二茂镁作为p型掺杂源，在p型限制层108上生长p型GaN层109。
p型GaN层厚度为150nm，Mg掺杂浓度为5×1017cm-3。
外延生长结束后，将反应室的温度降至750℃，采用纯氮气气氛进行退火处理20min，然后降至室温，结束生长。制得氮化镓基激光二极管外延结构。
对比例1
本对比例提供一种氮化镓基激光二极管外延结构，本对比例与实施例1相比，主要区别在于，其下波导层、有源区、上波导层的具体结构不同。
具体地，本对比例的氮化镓基激光二极管外延结构的制备方法及具体参数如下：
S1.首先在金属有机化合物气相外延反应室中，在氢气(H2)气氛下，升温至500℃，在反应室中通入NH3，然后升温至1050℃，在氢气(H2)和氨气(NH3)混合气氛下，温度1050℃下，对在GaN衬底表面进行活化处理，5分钟。
S2.然后在氢气(H2)气氛下，在GaN衬底上，温度1050℃下，通入三甲基镓作为III族源，NH3作为V族源，SiH4作为n型掺杂源，在GaN单晶衬底101上生长n型GaN层102。
S3.在氢气(H2)气氛下，在1050℃下,通入三甲基镓、三甲基铝和三甲基铟作为III族源，NH3作为V族源，SiH4作为n型掺杂源，在n型GaN层102上生长n型限制层103，n型限制层103为n-Al0.10Ga0.90N/GaN超晶格，作为激光器限制层，其超晶格周期数为100，n-Al0.10Ga0.90N/GaN超晶格中AlGaN厚度为2.5nm，GaN厚度为2.5nm，Si掺杂浓度为5×1018cm-3。
S4.在氮气(N2)气氛下，在850℃下，通入三甲基镓作为III族源，NH3作为V族源，SiH4作为n型掺杂源，在n型限制层103上生长下波导层104，下波导层104为非掺杂GaN波导层，厚度为100nm，生长温度为850℃。
S5.在氮气(N2)气氛下，通入三甲基铟作为III族源，NH3作为V族源，在下波导层104上生长有源区105，有源区105采用InGaN/GaN双量子阱结构，其中有源区InxGa1-xN阱层采用恒温生长，生长温度为750℃，生长厚度为3nm，In组分x＝0.15，中间垒层中GaN总厚度为10nm，GaN垒层采用恒温生长，生长温度为850℃；
S6.在氮气气氛下，在850℃下，通入三甲基镓和三甲基铟作为III族源，NH3作为V族源，二茂镁(Cp2Mg)作为p型掺杂源，在有源区105上生长上波导层106，上波导层106为u-GaN，作为激光器的上波导层，其中生长温度为850℃，u-GaN厚度100nm。
S7.在氢气(H2)气氛下，在980℃下，通入三甲基镓、三甲基铝和三甲基铟作为III族源，NH3作为V族源，二茂镁(Cp2Mg)作为p型掺杂源，在上波导层106上生长p型限制层107，p型限制层107为p-Al0.10Ga0.90N/GaN超晶格，作为激光器的p型限制层，超晶格周期数为100，其中AlGaN厚度为2.5nm，GaN厚度为2.5nm，Mg掺杂浓度为1017cm-3。
S8.在氢气(H2)气氛下，在950℃，通入三甲基镓作为III族源，NH3作为V族源，二茂镁(Cp2Mg)作为p型掺杂源，在p型限制层108上生长p型GaN层109，作为p-GaN接触层，厚度100nm，Mg掺杂浓度为5×1017cm-3。
外延生长结束后，将反应室的温度降至750℃，采用纯氮气气氛进行退火处理20min，然后降至室温，结束生长。制得氮化镓基激光二极管外延结构。
性能测试
激光二极管进行光泵激射：低温PL发光光谱，泵浦激光器波长355nm，测试条件：湿度45％；测试温度，根据测试要求5K～300K可调控。具体采用短波长355nm紫光激光器辐照在长波长激光器外延材料表面，通过调控辐照能量，将原子从低能态抽运至高能态，实现粒子数反转，以维持激光运转所必须的能量。
图2为采用本发明中实施例1以及对比例1技术方案制作的氮化镓基激光二极管光泵激射结果，图3为采用本发明中实施例2以及对比例1技术方案制作的氮化镓基激光二极管光泵激射结果。通过对比分析发现采用实施例中的技术方案，可以有效降低激光器的半峰宽，改善激光器光束质量。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氮化镓基激光二极管外延结构，其特征在于，从下到上依次层叠设有氮化镓单晶衬底(101)、n型GaN层(102)、n型限制层(103)、下波导层(104)、有源区(105)、上波导层(106)、p型限制层(107)和p型GaN层(108)；
所述有源区(105)为非对称掺杂的InGaN/GaN双量子阱结构，从下到上依次层叠设有有源区下垒层、Inx2Ga1-x2N阱层、有源区中间垒层、Inx2Ga1-x2N阱层和有源区上垒层；
所述有源区下垒层为重掺n+-GaN+u-GaN复合结构，重掺n+-GaN位于u-GaN下方，其中，n+-GaN厚度为10～15nm，Si掺杂浓度为1018～1019cm-3，采用恒温生长，生长温度为850℃～900℃；u-GaN厚度为0.5nm-1.5nm，采用变温生长，生长温度从850℃～950℃线性降低至750℃～800℃；
所述Inx2Ga1-x2N阱层厚度为3nm～6nm，In组分满足0.01≤x2≤0.30，采用恒温生长，生长温度为750℃～800℃；
所述有源区中间垒层从下到上依次层叠设有中间下变温GaN垒层、中间恒温GaN垒层和中间上变温GaN垒层，所述有源区中间垒层中GaN总厚度为3.5nm～10nm，其中，中间下变温GaN垒层厚度为0.5nm～1.5nm，生长温度从750℃～800℃线性增加至850℃～900℃；中间恒温GaN垒层厚度为2.5～7nm,生长温度为850℃～900℃；中间上变温GaN垒层厚度为0.5nm～1.5nm，生长温度从850℃～900℃线性降低至750℃～800℃；
所述有源区上垒层为非掺杂u-GaN+u-Aly3Ga1-y3N/Inx3Ga1-x3N超晶格复合结构，非掺杂u-GaN位于u-Aly3Ga1-y3N/Inx3Ga1-x3N超晶格下方，其中，u-GaN厚度为0.5nm～1.5nm，采用变温生长，生长温度从750℃～800℃线性增加至850℃～900℃；u-Aly3Ga1-y3N/Inx3Ga1-x3N超晶格结构采用恒温生长，生长温度为850℃～900℃，超晶格周期数为10～15，超晶格中InGaN阱层厚度为0.5nm～1nm，AlGaN垒层厚度为0.5nm～1nm，随着超晶格生长周期数的增加InGaN阱层中的In组分x3阶梯式下降，In组分x3小于有源区的Inx2Ga1-x2N阱层的In组分x2，AlGaN垒层中的Al组分y3阶梯式增加，Al组分满足0.05≤y3≤0.2。
2.根据权利要求1所述氮化镓基激光二极管外延结构，其特征在于，所述n型限制层(103)为n-Aly1Ga1-y1N/GaN超晶格光限制层，其超晶格周期数为100～150，n-Aly1Ga1-y1N/GaN超晶格中AlGaN厚度为2.5nm～3nm，GaN厚度为2.5nm～3nm，Si掺杂浓度为1018-1019cm-3，Al组分y1满足0.05≤y1≤0.15。
3.根据权利要求2所述氮化镓基激光二极管外延结构，其特征在于，所述下波导层(104)为轻掺杂n--Aly2Ga1-y2N+轻掺杂n--GaN+高掺杂n-Inx1Ga1-x1N/GaN超晶格复合波导层，轻掺杂n--Aly2Ga1-y2N、轻掺杂n--GaN和高掺杂n-Inx1Ga1-x1N/GaN超晶格从下到上依次层叠设置，其中，轻掺杂n--Aly2Ga1-y2N厚度为5～10nm，Al组分y2满足0.02≤y2≤0.10，Al组分随着生长厚度增加从y2线性减小至0，生长温度为850～900℃，Si掺杂浓度为1×1017cm-3～5×1017cm-3；轻掺杂n--GaN厚度40～60nm，生长温度为850～900℃，Si掺杂浓度为1×1017cm-3～5×1017cm-3；高掺杂n-Inx1Ga1-x1N/GaN超晶格，周期数10～15，Inx1Ga1-x1N阱层厚度2～2.5nm，GaN垒层厚度2～2.5nm，生长温度为800～830℃，作为激光二极管的n型波导层，In组分随着超晶格生长周期的增加从0线性增大至x1，其中In组分满足0.01≤x1≤0.10，且小于有源区阱层中In的组分，Si掺杂浓度为1018～1019cm-3。
4.根据权利要求3所述氮化镓基激光二极管外延结构，其特征在于，所述上波导层(106)为u-Inx4Ga1-x4N/GaN超晶格+u-GaN+p-Aly4Ga1-y4N复合结构，作为激光二极管的p型波导层，u-Inx4Ga1-x4N/GaN超晶格、u-GaN和p-Aly4Ga1-y4N从下到上依次层叠设置，其中，u-Inx4Ga1-x4N/GaN超晶格周期数为10～15，Inx4Ga1-x4N阱层厚度2～2.5nm，GaN垒层厚度2～2.5nm，生长温度为800～850℃，In组分随着超晶格生长周期的增加从x4线性减小至0，其中In组分满足0.01≤x4≤0.10，In组分小于有源区阱层中In的组分；u-GaN厚度40～60nm，生长温度为850～900℃；p-Aly4Ga1-y4N厚度为5～10nm，Al组分随着生长厚度增加从0线性增大至y4，其中Al组分y4满足0.02≤y4≤0.10，生长温度为850～900℃，Mg掺杂浓度为1017-1018cm-3。
5.根据权利要求4所述氮化镓基激光二极管外延结构，其特征在于，所述p型限制层(107)为p-Aly5Ga1-y5N/GaN超晶格光限制层，超晶格周期数为100～150,超晶格中AlGaN厚度为2.5～3nm，GaN厚度为2.5～3nm，Al组分满足0.05≤y5≤0.15，Mg掺杂浓度为1017-1018cm-3。
6.根据权利要求5所述氮化镓基激光二极管外延结构，其特征在于，所述n型GaN层(102)厚度为2～4μm，Si掺杂浓度为1018-1019cm-3。
7.根据权利要求6所述氮化镓基激光二极管外延结构，其特征在于，所述p型GaN层(108)厚度为100～150nm，Mg掺杂浓度为1017-1018cm-3。
8.权利要求7所述氮化镓基激光二极管外延结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.在氢气和氨气混合气氛中，温度900～1100℃条件下，对GaN单晶衬底(101)进行表面活化处理；
S2.在氢气氛围中，温度950～1200℃条件下，通入三甲基镓作为III族源，氨气作为V族源，SiH4作为n型掺杂源，在GaN单晶衬底(101)上生长n型GaN层(102)；
S3.在氢气氛围中，温度850～1050℃条件下，通入三甲基镓、三甲基铝和三甲基铟作为III族源，氨气作为V族源，SiH4作为n型掺杂源，在n型GaN层(102)生长n型限制层(103)；
S4.在氮气氛围中，温度820～850℃条件下，通入三甲基镓和三甲基铟作为III族源，氨气作为V族源，SiH4作为n型掺杂源，在n型限制层(103)上生长下波导层(104)；
S5.在氮气氛围中，温度750～850℃条件下，通入三甲基镓作为III族源，氨气作为V族源，在下波导层(104)上生长有源区(105)；
S6.在氮气氛围中，温度820～850℃条件下，通入三甲基镓和三甲基铟作为III族源，氨气作为V族源，二茂镁作为p型掺杂源，在有源区(105)上生长上波导层(106)；
S7.在氢气氛围中，温度850～1050℃条件下，通入三甲基镓、三甲基铝和三甲基铟作为III族源，氨气作为V族源，二茂镁作为p型掺杂源，在上波导层(106)上生长p型限制层(107)；
S8.在氢气氛围中，温度950～980℃条件下，通入三甲基镓作为III族源，氨气作为V族源，二茂镁作为p型掺杂源，在p型限制层(108)上生长p型GaN层(109)，制得所述氮化镓基激光二极管外延结构。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤S1～S8在金属有机化合物气相外延反应室中进行。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述金属有机化合物气相外延反应室具体为，Aixtron公司的紧耦合垂直反应室MOCVD生长系统。
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