CN111786259A - 一种提高载流子注入效率的氮化镓基激光器外延结构及其制备方法 - Google Patents

一种提高载流子注入效率的氮化镓基激光器外延结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种提高载流子注入效率的氮化镓基激光器外延片结构及其制备方法，属于半导体器件技术领域。外延片结构从下到上包括衬底、高温n型GaN层、高温n型AlGaN限制层、非故意掺杂下波导层、InGaN/GaN多量子阱发光层结构、C掺杂上波导层、p型AlGaN电子阻挡层、p型AlGaN限制层和p型GaN层。本发明通过在上波导层中进行少量的C杂质掺杂，补偿上波导层中的施主缺陷，降低本底载流子浓度，减少载流子在波导层的复合，增加空穴注入效率。

Description

一种提高载流子注入效率的氮化镓基激光器外延结构及其制 备方法
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种提高载流子注入效率的氮化镓基激光器外延结构及其制备方法。
背景技术
GaN基材料也称为III族氮化物材料(包括InN、GaN、AlN、InGaN、AlGaN等，其禁带宽度范围为0.7-6.2eV)，其光谱覆盖了近红外到深紫外波段，被认为是继Si、GaAs之后的第三代半导体，在光电子学领域有重要的应用价值。尤其是GaN基蓝绿光激光器在激光照明、激光投影等领域有重要的应用。随着发光波长增加，AlGaN限制层与GaN波导层之间的折射率差变小，光场限制因子变小，使长波长激光器的阈值电流显著增加。为了增加光场限制，一般长波长激光器采用InGaN材料做波导结构。InGaN生长温度低，表面形貌差、本底载流子浓度高，但波导层的表面形貌及载流子浓度等对激光器性能都有重要影响，粗糙的表面会引起光的散射，波导层中的各类杂质以及缺陷会对光产生吸收，增加载流子的复合；尤其是上波导层，本底载流子浓度增加时，会显著增加上波导层的复合速率，降低空穴的注入效率，造成激光器器件性能的退化。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种提高载流子注入效率的氮化镓基激光器外延结构及其制备方法，解决长波长激光器中波导层本底载流子浓度高、空穴注入效率低的问题。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种提高载流子注入效率的氮化镓基激光器外延结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤(1)，衬底退火，并去除衬底表面杂质；
步骤(2)，在衬底上生长高温n型GaN层；
步骤(3)，高温n型GaN层上外延高温n型AlGaN限制层；
步骤(4)，高温n型AlGaN限制层上外延生长非故意掺杂下波导层；
步骤(5)，非故意掺杂下波导层外延生长InGaN/GaN多量子阱发光层结构；
步骤(6)，InGaN/GaN多量子阱发光层结构上外延p型AlGaN电子阻挡层；
步骤(7)，p型AlGaN电子阻挡层外延生长C掺杂上波导层；
步骤(8)，C掺杂上波导层外延生长p型GaN层，形成器件结构的表面欧姆接触层。
上述技术方案中，所述C掺杂上波导层为GaN基材料或InGaN材料，其生长温度为700℃-1050℃，厚度为0.05-0.3μm。
进一步的技术方案，生长所述C掺杂上波导层的C源为三甲基镓或三乙基镓或三甲基铟。
进一步的技术方案，所述C掺杂上波导层中的C杂质浓度通过调整生长条件调控，C掺杂浓度范围是1×1016-1×1018cm-3。
上述技术方案中，所述高温n型AlGaN限制层的生长温度为1000-1200℃，厚度为0.5-3μm，Al组分为0.05-0.2。
上述技术方案中，所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构包括1-5个InGaN/GaN周期结构，发光波长范围为400nm～550nm。
上述技术方案中，所述p型AlGaN电子阻挡层的生长温度为1000-1200℃，厚度为10-20nm，Al组分为0.1-0.2。
上述技术方案中，所述p型AlGaN限制层的生长温度为1000-1200℃，厚度为0.1-1μm，Al组分为0.05-0.2，空穴浓度为1×1017cm-3-1×1018cm-3。
进一步的技术方案，所述P型AlGaN限制层能用P型AlGaN/GaN超晶格结构或者组分渐变的AlGaN结构替换。
一种提高载流子注入效率的氮化镓基激光器外延结构，由所述制备方法制备的氮化镓基激光器外延结构。
本发明的有益效果为：本发明通过在上波导层中进行少量的碳杂质掺杂，补偿上波导层中的施主缺陷，降低本底载流子浓度，减少载流子在波导层的复合，增加空穴注入效率，从而降低激光器阈值，提高激光器输出功率，为制备高性能的长波长激光器奠定基础。
附图说明
图1为本发明所述提高载流子注入效率的氮化镓基激光器外延结构示意图；
图2为本发明所述提高载流子注入效率的氮化镓基激光器外延结构的制备方法流程图；
图中：10-衬底，11-高温n型GaN层，12-高温n型AlGaN限制层，13-非故意掺杂下波导层，14-InGaN/GaN多量子阱发光层结构，15-p型AlGaN电子阻挡层，16-碳(C)掺杂上波导层，17-p型AlGaN限制层，18-p型GaN层。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，提高载流子注入效率的氮化镓基激光器外延结构，从下向上依次包含衬底10、高温n型GaN层11、高温n型AlGaN限制层12、非故意掺杂下波导层13、InGaN/GaN多量子阱发光层结构14、p型AlGaN电子阻挡层15、碳(C)掺杂上波导层16、p型AlGaN限制层17和p型GaN层18。
如图2所示，提高载流子注入效率的氮化镓基激光器的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤(1)，对衬底10加热升温，将衬底10在氢气气氛里进行退火，去除衬底10表面的杂质。
步骤(2)，在衬底10上生长高温n型GaN层11。
步骤(3)，在高温n型GaN层11上外延高温n型AlGaN限制层12，高温n型AlGaN限制层12的生长温度为1000-1200℃，厚度为0.5-3μm，Al组分为0.05-0.2。
步骤(4)，在高温n型AlGaN限制层12上外延生长非故意掺杂下波导层13，利用高温n型AlGaN限制层12与非故意掺杂下波导层13之间的折射率差，将光限制在波导层中。
步骤(5)，在非故意掺杂下波导层13上外延生长InGaN/GaN多量子阱发光层结构14，InGaN/GaN多量子阱发光层结构14包括1-5个InGaN/GaN周期结构，发光波长范围为400nm～550nm。
步骤(6)，在InGaN/GaN多量子阱发光层结构14上外延生长p型AlGaN电子阻挡层15，p型AlGaN电子阻挡层15的生长温度为1000-1200℃，厚度为10-20nm，Al组分为0.1-0.2，p型AlGaN电子阻挡层15可以阻挡电子向p型层中运动，减少泄漏电流。
步骤(7)，在p型AlGaN电子阻挡层15上外延生长碳(C)掺杂上波导层16，C掺杂上波导层16为GaN基材料或InGaN材料，其生长温度为700℃-1050℃，厚度为0.05-0.3μm。
由于GaN基材料生长过程中会引入一定量的杂质，形成一些空位缺陷，如VGa，造成非故意掺杂的GaN基材料为n型；一般高温生长的GaN基材料，本底载流子浓度可以到1015-1016cm-3；对于InGaN材料来说，由于生长温度低，本底载流子浓度一般大于1017cm-3，当In组分＞0.05时，InGaN材料的本底载流子浓度甚至会超过1018cm-3；而作为GaN基蓝绿光激光器的波导层，In组分一般需要0.02-0.06之间，过高的本底载流子浓度一方面会增加波导层的复合速率，另一方面也会改变耗尽区的位置，造成量子阱发光区偏离耗尽区；最终造成阱内空穴浓度降低，不利于激光器性能的提升。
一般MOCVD(金属有机物化学气相沉积)设备生长(In)GaN时，采用三甲基镓、三乙基镓、三甲基铟等作为有机源，这些有机源在分解的过程中会产生C杂质，有部分C杂质并入InGaN材料中。C杂质在n型材料中充当受主，可以补偿施主杂质，降低本底载流子浓度；因此通过可以通过调节生长条件，调控样品中的C杂质浓度，制备本底载流子浓度低的上波导层。另一方面，由于InGaN材料的本底载流子浓度随In组分变化；因此，C掺杂上波导层16中C杂质浓度随(In)GaN材料的In组分变化而变化，当(In)GaN材料的In组分低时，生长温度较高，C杂质浓度比较低，当(In)GaN材料的In组分高时，生长温度较低，C杂质浓度需要比较高；C掺杂上波导层16中的C杂质浓度通过调整生长条件(如生长压力、五族源和三族源的比例、生长速率等)调控，C杂质浓度范围是1×1016-1×1018cm-3，保证C掺杂上波导层16中载流子浓度低于1×1017cm-3。
步骤(8)，在p型AlGaN电子阻挡层15上外延生长p型AlGaN限制层17，利用p型AlGaN限制层17与C掺杂上波导层16之间的折射率差，将光限制在波导层中；p型AlGaN限制层17的生长温度为1000-1200℃，厚度为0.1-1μm，Al组分为0.05-0.2，空穴浓度为1×1017cm-3-1×1018cm-3；为了降低器件串联电阻，提高器件性能，P型AlGaN限制层17也可以改为P型AlGaN/GaN超晶格结构或者组分渐变的AlGaN结构。
步骤(9)，在p型AlGaN限制层17上外延生长p型GaN层18，形成器件结构的表面欧姆接触层。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种提高载流子注入效率的氮化镓基激光器外延结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)，衬底退火，并去除衬底表面杂质；
步骤(2)，在衬底上生长高温n型GaN层；
步骤(3)，高温n型GaN层上外延高温n型AlGaN限制层；
步骤(4)，高温n型AlGaN限制层上外延生长非故意掺杂下波导层；
步骤(5)，非故意掺杂下波导层外延生长InGaN/GaN多量子阱发光层结构；
步骤(6)，InGaN/GaN多量子阱发光层结构上外延p型AlGaN电子阻挡层；
步骤(7)，p型AlGaN电子阻挡层外延生长C掺杂上波导层；
步骤(8)，C掺杂上波导层外延生长p型GaN层，形成器件结构的表面欧姆接触层。
2.根据权利要求1所述的提高载流子注入效率的氮化镓基激光器外延结构的制备方法，其特征在于，所述C掺杂上波导层为GaN基材料或InGaN材料，其生长温度为700℃-1050℃，厚度为0.05-0.3μm。
3.根据权利要求2所述的提高载流子注入效率的氮化镓基激光器外延结构的制备方法，其特征在于，生长所述C掺杂上波导层的C源为三甲基镓或三乙基镓或三甲基铟。
4.根据权利要求2所述的提高载流子注入效率的氮化镓基激光器外延结构的制备方法，其特征在于，所述C掺杂上波导层中的C杂质浓度通过调整生长条件调控，C杂质浓度范围是1×1016-1×1018cm-3。
5.根据权利要求1所述的提高载流子注入效率的氮化镓基激光器外延结构的制备方法，其特征在于，所述高温n型AlGaN限制层的生长温度为1000-1200℃，厚度为0.5-3μm，Al组分为0.05-0.2。
6.根据权利要求1所述的提高载流子注入效率的氮化镓基激光器外延结构的制备方法，其特征在于，所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构包括1-5个InGaN/GaN周期结构，发光波长范围为400nm～550nm。
7.根据权利要求1所述的提高载流子注入效率的氮化镓基激光器外延结构的制备方法，其特征在于，所述p型AlGaN电子阻挡层的生长温度为1000-1200℃，厚度为10-20nm，Al组分为0.1-0.2。
8.根据权利要求1所述的提高载流子注入效率的氮化镓基激光器外延结构的制备方法，其特征在于，所述p型AlGaN限制层的生长温度为1000-1200℃，厚度为0.1-1μm，Al组分为0.05-0.2，空穴浓度为1×1017cm-3-1×1018cm-3。
9.根据权利要求8所述的提高载流子注入效率的氮化镓基激光器外延结构的制备方法，其特征在于，所述P型AlGaN限制层能用P型AlGaN/GaN超晶格结构或者组分渐变的AlGaN结构替换。
10.一种提高载流子注入效率的氮化镓基激光器外延结构，其特征在于，由权利要求1所述制备方法制备的氮化镓基激光器外延结构。
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