CN111900624A - 具有非对称In组分InGaN波导层的氮化镓基激光器 - Google Patents
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Abstract
一种具有非对称In组分InGaN波导层的氮化镓基激光器，包括：GaN同质衬底；n型GaN同质外延层，制作在所述GaN同质衬底上；n型AlGaN限制层，制作在所述n型GaN同质外延层上；InGaN下波导层，制作在所述n型AlGaN限制层上；量子阱有源区，制作在所述InGaN下波导层上；GaN上波导层，制作在所述量子阱有源区上；p型AlGaN电子阻拦层，制作在所述GaN上波导层上；p型AlGaN限制层，制作在所述AlGaN电子阻挡层上；p型重掺杂GaN外延层，制作在所述p型AlGaN限制层上；p型欧姆电极，制作在所述p型重掺杂GaN层上；n型欧姆电极，制作在所述GaN同质衬底的下表面。本发明通过采用非对称的波导层结构能够有效地限制光场，改善光场分布，从而减小光学损耗，提高激光器的性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件技术领域，尤其涉及一种具有非对称In组分InGaN波导层的氮化镓基激光器。
背景技术
氮化镓基材料，包括GaN、AlN、InN及其合金，是继硅、砷化镓之后的第三代半导体，在军用及民用领域具有广泛的应用前景和研究价值。而作为第三代半导体器件，GaN基蓝紫光激光器具有体积小、效率高、寿命长以及响应速度快等优势，其在照明，固态存储方面有着显著的优势。
近年来，人们在GaN基蓝紫光激光器方面取得了长足的进步，但想要实现低阈值、高功率的蓝紫光激光器仍然存在很多挑战。对激光器而言，光场的分布和吸收损耗是影响激光器性能的关键因素。一方面，采用薄的量子阱有源区结构无法有效地限制光场，使光场泄漏加剧，进而大大增加了阈值电流。另一方面，Mg掺杂的p型GaN层的光学损耗因子远远大于Si掺杂的n型GaN层以及未掺杂的区域，因此，向p型区域扩展的光场会加剧总光学损耗。在传统的激光器结构中，GaN波导层结构被用来限制光场。尽管这种结构对限制光场起到一定的作用，但单纯的GaN波导层结构并不能有效地限制光场。由于高Al组分的AlGaN电子阻拦层的存在，GaN上波导层与AlGaN电子阻拦层的之间的折射率差将远大于GaN下波导层与限制层之间的折射率差。这将导致光场的分布不均衡，更多地泄漏到p型区域中，从而使光学损耗增加，光学限制因子减小。进而导致阈值电流的增加以及输出光功率的减小。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种具有非对称In组分InGaN波导层的氮化镓基激光器，以期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，作为本发明的一方面，提供了一种具有非对称In组分InGaN波导层的氮化镓基激光器，包括：
GaN同质衬底；
n型GaN同质外延层，制作在所述GaN同质衬底上；
n型AlGaN限制层，制作在所述n型GaN同质外延层上；
InGaN下波导层，制作在所述n型AlGaN限制层上；
量子阱有源区，制作在所述InGaN下波导层上；
GaN上波导层，制作在所述量子阱有源区上；
p型AlGaN电子阻拦层，制作在所述GaN上波导层上；
p型AlGaN限制层，制作在所述AlGaN电子阻挡层上；
p型重掺杂GaN外延层，制作在所述p型AlGaN限制层上；
p型欧姆电极，制作在所述p型重掺杂GaN层上；
n型欧姆电极，制作在所述GaN同质衬底的下表面。
其中，所述氮化镓同质衬底的厚度为200-1000μm。
其中，所述n型GaN同质外延层的厚度为0.2-1μm。
其中，所述n型AlGaN限制层为掺Si的n型AlGaN材料，其Al组分为0.01-0.1，厚度为0.2-1μm。
其中，所述InGaN下波导层为非故意掺杂的InGaN材料，其In组分为0.01-0.2，厚度为50-300nm。
其中，所述量子阱有源区为非故意掺杂或者轻掺Si的InGaN和GaN材料，量子阱的数目为1-5个；阱层为InGaN材料，In组分为0.01-0.5，厚度为1-10nm，垒层为GaN材料，厚度为5-30nm。
其中，所述GaN上波导层为非故意掺杂的GaN材料，厚度为30-300nm。
其中，所述p型AlGaN电子阻拦层为掺杂Mg元素的AlGaN材料，Al组分为0.1-0.3，厚度为5-40nm。
其中，所述p型AlGaN限制层为掺杂Mg元素的AlGaN材料，Al组分为0.01-0.1，厚度为0.2-1μm。
其中，所述p型AlGaN限制层的宽度小于p型AlGaN电子阻挡层，从而形成一个脊型。
基于上述技术方案可知，本发明的具有非对称In组分InGaN波导层的氮化镓基激光器相对于现有技术至少具有如下有益效果之一或其中的一部分：
本发明根据激光器波长的不同，选择不同组分的InGaN材料作为激光器的下波导层，同时采用GaN作为上波导层。采用这种非对称的波导层结构能够有效地限制光场，改善光场分布，从而减小光学损耗，提高激光器的性能。
附图说明
图1是本发明实施例中的非对称波导层结构激光器示意图；
图2是通过理论计算得到的具有不同In组分InGaN下波导层紫光激光器的光场强度分布；
图3是通过理论计算得到的激光器输出光功率以及阈值电流随下波导In组分变化而变化的曲线图。
上图中，附图标记含义如下：
01、GaN同质衬底；02、n型GaN同质外延层；
03、n型AlGaN限制层；04、InGaN下波导层；
05、量子阱有源区；06、GaN上波导层；07、p型AlGaN电子阻拦层；
08、p型AlGaN限制层；09、p型重掺杂GaN外延层；
10、p型欧姆电极；11、n型欧姆电极。
具体实施方式
本发明提出一种具有非对称In组分的InGaN波导层结构的GaN激光器。本发明的关键在于，根据激光器波长的不同，选择不同组分的InGaN材料作为激光器的下波导层，同时采用GaN作为上波导层。采用这种非对称的波导层结构能够有效地限制光场，改善光场分布，从而减小光学损耗，提高激光器的性能。
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。
如图1所示为本发明采用的非对称波导结构的激光器示意图，包括：
GaN同质衬底01，所述GaN同质衬底01为自支撑的GaN材料，厚度为200-1000μm；
n型GaN同质外延层02，其制作在GaN衬底01上，所述n型GaN同质外延层为掺杂Si元素的GaN材料，其厚度为1μm；
n型AlGaN限制层03，其制作在n型GaN同质外延层02上，所述n型AlGaN限制层03为掺Si的n型AlGaN材料，其Al组分为0.08，厚度为1μm；
非故意掺杂的InGaN下波导层04，其制作在n型AlGaN限制层03上，其In组分为0.01-0.1，其厚度为120nm；
InGaN/GaN量子阱有源区05，其制作在InGaN下波导层04上，所述量子阱有源区为非故意掺杂或者轻掺Si的InGaN/GaN材料，量子阱的数目为3个；阱层为InGaN材料，In组分为0.15，厚度为2.5nm，垒层为GaN，厚度为14nm；
非故意掺杂的GaN上波导层06，其制作在InGaN/GaN量子阱有源区05上，其厚度为100nm
p型AlGaN电子阻拦层07，其制作在GaN上波导层06上，其Al组分为0.2，厚度为20nm；
p型AlGaN限制层08，其制作在AlGaN电子阻挡层07上，该层宽度小于之前制作的AlGaN电子阻挡层，而形成一个脊型，其Al组分为0.08，厚度为600nm；
p型重掺杂GaN外延层09，其制作在p型AlGaN限制层08上，所述GaN重掺层09为掺Mg的GaN材料，Mg的掺杂浓度为1×1020其厚度为40nm；
p型欧姆电极10，其制作在p型重掺杂GaN层09上；
n型欧姆电极11，其制作在n型GaN衬底01的下表面。
在传统的激光器结构中，采用对称GaN波导层结构来限制光场的泄漏。对称GaN波导层的问题在于，光场的分布过于靠近p型区域，而p型区域高杂质浓度导致的高吸收损耗会严重的削弱输出光功率以及增大阈值电流。在本发明中，采用了非对称In组分的波导层结构，在下波导层中使用非故意掺杂的InGaN材料(In的组分由紫光激光器的波长决定)，同时在上波导层中使用了GaN材料作为波导层。这样由于较高折射率的InGaN层的存在，光场会更偏向于n型区域，能够有效的降低光学损耗。同时由于InGaN的折射率比GaN的折射率更高，下波导层与限制层之间的折射率差也将更大，更有效的限制光场分布，提高光学限制因子。通过非对称In组分波导层结构，光场的损耗和泄漏得到有效的遏制，提高了最大输出光功率并减小了阈值电流。接下来将对激射波长为405nm的紫光激光器的光学特性以及输出特性进行详细举例说明。
图2是通过理论计算得到的具有不同In组分InGaN下波导层紫光激光器的光场强度分布。在计算中根据In含量的不同设计了十组激光器，其下波导层In含量从0增至0.1，每组激光器In含量间隔为0.01。如图2所示，随着下波导层中In含量的逐步增加，激光器的光场向下波导方向移动，光场中心逐渐从上波导区域偏移进入量子阱区域并进一步向下波导方向移动。由于下波导In含量增加，对同一波长而言，下波导的折射率会随之增加，光场因而更容易进入下波导。另一方面，图中所示光场半高宽度随着下波导In含量的增加而减小，这表明对光场的限制作用得到加强。这主要是由于下波导的折射率增加导致其与限制层之间的折射率差增强，从而限制作用得到增强。
图3是通过理论计算得到的激光器输出光功率以及阈值电流随下波导In组分变化而变化的曲线图。如图3所示，随着下波导In组分的增加，光功率先增加后减小，当采用In0.06Ga0.94N作为下波导时，光功率取得最大值，相比较采用GaN作为下波导的激光器而言，新的非对称波导结构激光器光功率提高了24.4％。同时，激光器的阈值电流同样呈现先减小后增大的趋势，且在In组分为0.05处取得阈值的最小值。综合考虑使用In0.06Ga0.94N作为下波导能够有效的提高光功率降低阈值电流，并取得最优的结果。
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)
1.一种具有非对称In组分InGaN波导层的氮化镓基激光器，其特征在于，包括：
GaN同质衬底；
n型GaN同质外延层，制作在所述GaN同质衬底上；
n型AlGaN限制层，制作在所述n型GaN同质外延层上；
InGaN下波导层，制作在所述n型AlGaN限制层上；
量子阱有源区，制作在所述InGaN下波导层上；
GaN上波导层，制作在所述量子阱有源区上；
p型AlGaN电子阻拦层，制作在所述GaN上波导层上；
p型AlGaN限制层，制作在所述AlGaN电子阻挡层上；
p型重掺杂GaN外延层，制作在所述p型AlGaN限制层上；
p型欧姆电极，制作在所述p型重掺杂GaN层上；
n型欧姆电极，制作在所述GaN同质衬底的下表面。
2.如权利要求1所述的具有非对称In组分InGaN波导层的氮化镓基激光器，其特征在于，所述氮化镓同质衬底的厚度为200-1000μm。
3.如权利要求1所述的具有非对称In组分InGaN波导层的氮化镓基激光器，其特征在于，所述n型GaN同质外延层的厚度为0.2-1μm。
4.如权利要求1所述的具有非对称In组分InGaN波导层的氮化镓基激光器，其特征在于，所述n型AlGaN限制层为掺Si的n型AlGaN材料，其Al组分为0.01-0.1，厚度为0.2-1μm。
5.如权利要求1所述的具有非对称In组分InGaN波导层的氮化镓基激光器，其特征在于，所述InGaN下波导层为非故意掺杂的InGaN材料，其In组分为0.01-0.2，厚度为50-300nm。
6.如权利要求1所述的具有非对称In组分InGaN波导层的氮化镓基激光器，其特征在于，所述量子阱有源区为非故意掺杂或者轻掺Si的InGaN和GaN材料，量子阱的数目为1-5个；阱层为InGaN材料，In组分为0.01-0.5，厚度为1-10nm，垒层为GaN材料，厚度为5-30nm。
7.如权利要求1所述的具有非对称In组分InGaN波导层的氮化镓基激光器，其特征在于，所述GaN上波导层为非故意掺杂的GaN材料，厚度为30-300nm。
8.如权利要求1所述的具有非对称In组分InGaN波导层的氮化镓基激光器，其特征在于，所述p型AlGaN电子阻拦层为掺杂Mg元素的AlGaN材料，Al组分为0.1-0.3，厚度为5-40nm。
9.如权利要求1所述的具有非对称In组分InGaN波导层的氮化镓基激光器，其特征在于，所述p型AlGaN限制层为掺杂Mg元素的AlGaN材料，Al组分为0.01-0.1，厚度为0.2-1μm。
10.如权利要求1所述的具有非对称In组分InGaN波导层的氮化镓基激光器，其特征在于，所述p型AlGaN限制层的宽度小于p型AlGaN电子阻挡层，从而形成一个脊型。
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