CN112134143B - 氮化镓基激光器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氮化镓基激光器及其制备方法，其中，该激光器包括：在氮化镓衬底上依次生长的n型限制层、复合下波导层、量子阱有源区层、上波导层、p型电子阻挡层、p型限制层和p型欧姆接触层；以及P电极，制作于所述p型欧姆接触层上；N电极，制作与氮化镓衬底相接触；其中，复合下波导层包括多层铟镓氮层，该各层铟镓氮层之间的铟组分含量不同。本发明提供的该氮化镓基激光器及其制备方法，可以降低光学损耗，提高输出光功率、降低阈值电流。

Description

氮化镓基激光器及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件技术领域，尤其涉及一种氮化镓基激光器及其制备方法。

背景技术

氮化镓基激光器的波长涵盖红外至紫外，使其在光通信、照明、显示、生化检测、存储、固化等民用及军用领域有重要应用。氮化镓基激光器中，下波导对激光光场分布、光学损耗具有重要影响，是决定激光器输出光功率与阈值电流的关键因素。但在现有的激光器中，关于激光器制备过程中具有主导作用的下波导，具有外延制作困难、光学损耗强，且制备完成的激光器具有较高的阈值电流而输出光功率不高等特点。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种氮化镓基激光器及其制备方法，以至少部分解决上述问题。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种氮化镓基激光器，其包括：

复合下波导层，该复合下波导层包括多层铟镓氮层，其各层铟镓氮层之间的铟组分含量不同。

更具体地，包括：

在氮化镓衬底上依次生长的n型限制层、上述复合下波导层、量子阱有源区层、上波导层、p型电子阻挡层、p型限制层和p型欧姆接触层；以及

P电极，制作于p型欧姆接触层上；

N电极，与氮化镓衬底相接触。

进一步的，其中：

复合下波导层中，各层铟镓氮层的铟组分含量介于0至0.1之间，各层铟镓氮材料的厚度介于5nm至100nm之间，该复合下波导层的总厚度为50nm-150nm；

n型限制层的材料为n型铝镓氮材料，厚度为0.6μm-3μm，铝组分为0.01-0.15；

量子阱有源区层的量子阱个数为1-5个，量子阱的材料为氮化镓材料或铟镓氮材料，量子阱厚度为1nm-10nm，量子垒材料为氮化镓材料或铟镓氮材料，量子垒的厚度为1nm-20nm；

上波导层材料为氮化镓或铟镓氮材料，铟组分为0-0.05，厚度为50nm-500nm。

p型电子阻挡层的材料为铝镓氮材料，厚度为1nm-50nm，铝组分为0.1-0.3；

p型限制层的材料为p型铝镓氮材料，厚度为0.4μm-1μm，铝组分为0.01-0.15；

p型欧姆接触层的材料为p型氮化镓材料，厚度为10nm-50nm。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种该氮化镓基激光器的制备方法，其包括以下步骤：

在氮化镓衬底的一面上依次生长n型限制层、复合下波导层、量子阱有源区层、上波导层、p型电子阻挡层、p型限制层和p型欧姆接触层；

将p型欧姆接触层、p型限制层、p型电子阻挡层和上波导层干法刻蚀成激光器脊型；

在脊型上生长一层绝缘膜，并在该绝缘膜上采用光刻的方法制作p电极；

将氮化镓衬底减薄、清洗，并在其另一面制作n电极。

最后对上述制备结构进行解理、镀膜、封装，制成一种具有复合下波导层的氮化镓基激光器，完成制备。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明提供的该氮化镓基激光器及其制备方法至少具有以下有益效果：

通过多层铟镓氮的复合下波导的结构设计，在保证下波导中铟的平均组分前提下，降低材料外延难度，同时降低光学损耗，从而提高激光器输出光功率、降低阈值电流。

附图说明

图1为本发明实施例GaN基紫光激光器的结构示意图；

图2为具有不同下波导层结构的激光器的输出光功率比较图。

图中：

氮化镓衬底10 n型限制层11 复合下波导12

量子阱有源区13 上波导层14 p型电子阻挡层15

p型限制层16 p型欧姆接触层17 p电极18

n电极19

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。

在本发明的示例性实施例中，基于公开的氮化镓(GaN)基激光器，提供了一种氮化镓基紫光激光器及其制备方法。图1为本发明实施例GaN基紫光激光器的结构示意图。如图1所示，本发明GaN基紫光激光器的制备方法包括以下步骤：

S1：在氮化镓衬底10的一面上利用金属有机物气相化学淀积依次生长n型限制层11、复合下波导层12、量子阱有源区层13、上波导层14、p型电子阻挡层15、p型限制层16和p型欧姆接触层17；

S2：将p型欧姆接触层17、p型限制层16、p型电子阻挡层15和上波导层14干法刻蚀成激光器脊型，具体的，其脊型结构并不限于图1(p型欧姆接触层17、p型限制层16、p型电子阻挡层15作为脊柱，上波导层作为脊底)所示，只要满足脊型结构即可；

S3：在脊型上生长一层绝缘膜，并在该绝缘膜上采用光刻的方法制作p型电极18；

S4：将氮化镓衬底10减薄、清洗，并在其另一面制作n型电极19；

S5：对上述步骤S1-S4的制备结构进行解理、镀膜、封装，制成一种具有复合下波导层的氮化镓基激光器，至此完成制备。

本发明另一示例性实施例，公开了一种基于上述制备方法制备完成的GaN基激光器，其结构展现同样请参照图1，具体的，该实施例为一种GaN基紫光激光器，主要的结构包括：

复合下波导层，该复合下波导层包括多层铟镓氮层，其各层铟镓氮层之间的铟组分含量不同，具体而言，各层铟镓氮层中的铟组分含量可以为从衬底至上逐渐增多，也可以为从衬底至上逐渐减少，还可以不满足递增或递减关系，只需保证各层不同即可，其厚度在某些实施例中也可不同。

更具体的，该GaN基紫光激光器包括：

氮化镓衬底10，其材料的厚度为0.3μm-4μm；

在该氮化镓衬底10上依次生长的n型限制层11、上述复合下波导层12、量子阱有源区层13、上波导层14、p型电子阻挡层15、p型限制层16和p型欧姆接触层17；以及

P电极18，制作于p型欧姆接触层17上；

N电极19，与氮化镓衬底10相接触。

在一些实施例中，其中：

n型限制层的材料为n型铝镓氮材料，厚度为0.6μm-3μm，铝组分为0.01-0.15，作为一种具体实施方式，本实施例中，n型限制层11的材料为n型铝镓氮材料，厚度为0.6μm，铝组分为0.07；

复合下波导层中，各层铟镓氮层的铟组分含量介于0至0.1之间，各层铟镓氮材料的厚度介于5nm至100nm之间，该复合下波导层的总厚度为50nm-150nm，在此实施例中，复合下波导12的材料为多层n型铟镓氮材料(本实施例中为6层)，各层铟镓氮材料中铟组分分别为0、0.02、0.04、0.06、0.08、0.1，各层厚度均为20nm；

量子阱有源区层的量子阱个数为1-5个，量子阱的材料为氮化镓材料或铟镓氮材料，量子阱厚度为1nm-10nm，量子垒材料为氮化镓材料或铟镓氮材料，量子垒的厚度为1nm-20nm，作为一种具体实施方式，本实施例中，量子阱有源区13的量子阱个数为2个，量子阱的材料为氮化镓材料、铟镓氮材料，量子阱厚度为2.5nm，量子垒材料为氮化镓材料，量子垒的厚度为17nm；

作为一种具体实施方式，上波导层14的材料为未掺杂的铟镓氮，铝组分为0.02，厚度100nm；

p型电子阻挡层的材料为铝镓氮材料，厚度为1nm-50nm，铝组分为0.1-0.3，作为一种具体实施方式，本实施例中，p型电子阻挡层15的材料为重掺杂的铝镓氮材料，铝组分为0.2，厚度为20nm；

p型限制层的材料为p型铝镓氮材料，厚度为0.4μm-1μm，铝组分为0.01-0.15，作为一种具体实施方式，本实施例中，p型限制层16的材料为p型铝镓氮材料，厚度为0.45μm，铝组分为0.08；

p型欧姆接触层的材料为p型氮化镓材料，厚度为10nm-50nm，作为一种具体实施方式，本实施例中，p型欧姆接触层17的材料为重掺杂的p型氮化镓材料，厚度为40nm。

图2为具有不同下波导层的激光器的输出光功率比较图。如图2所示，激光器1(LD1)的下波导层为120nm-In_0.1Ga_0.9N，激光器2(LD2，即本发明上述实施例所提及的GaN基紫光激光器)的下波导为复合下波导，由6层铟镓氮组成，其铟组分分别为0、0.02、0.04、0.06，0.08、0.1，各层厚度均为20nm。由图2可以得到，在相同注入电流下(120mA)，采用复合下波导结构的激光器(LD2)具有更高的输出光功率和更低的阈值电流。

更直观的数据展现如表1所示，为具有不同下波导的激光器LD1、LD2特征参数的比较，其中，LD1为传统的、仅含有单一下波导层的激光器、LD2为具有复合下波导的激光器。可以看到，相比激光器LD1，激光器LD2的光学损耗降低6.7％，输出光功率提高17.5％，阈值电流降低17.9％。

表1

由此，本发明的关键在于：第一，复合下波导结构中具有多层铟镓氮层，各层铟镓氮厚度与铟组分可调；第二，复合下波导结构具有高铟组分铟镓氮，可提高光场限制能力，从而降低光学损耗。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明GaN基激光器及其制备方法有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

通过改变有源区量子阱或垒的组分，得到其他激射波长的激光器结构。

还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

综上所述，本发明提供一种GaN基激光器及其制备方法。本发明的核心为采用多层铟组分不同、厚度不同的复合下波导层结构，可同时降低外延难度和减少光学损耗，从而提高激光器光输出功率、降低阈值电流。

应注意，贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在以下描述中，一些具体实施例仅用于描述目的，而不应该理解为对本发明有任何限制，而只是本发明实施例的示例。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。应注意，图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。

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 (6)

1.一种氮化镓基激光器，其特征在于，所述氮化镓基激光器为氮化镓基紫光激光器，包括：

复合下波导层，所述复合下波导层包括6层铟镓氮层，各层铟镓氮层之间的铟组分含量不同，各层铟镓氮材料中铟组分分别为0、0.02、0.04、0.06，0.08、0.1；

在氮化镓衬底上依次生长的n型限制层，所述复合下波导层、量子阱有源区层、上波导层、p型电子阻挡层、p型限制层和p型欧姆接触层；

P电极，制作于所述p型欧姆接触层上；以及，

N电极，与所述氮化镓衬底相接触；

所述复合下波导层中，各层铟镓氮材料的厚度介于5nm至100nm之间，所述复合下波导层的总厚度为50nm-150nm；

所述n型限制层的材料为n型铝镓氮材料，厚度为0.6μm-3μm，铝组分为0.01-0.15；

所述量子阱有源区层的量子阱个数为1-5个，量子阱的材料为氮化镓材料或铟镓氮材料，量子阱厚度为1nm-10nm，量子垒材料为氮化镓材料或铟镓氮材料，量子垒的厚度为1nm-20nm。

2.根据权利要求1所述的氮化镓基激光器，其特征在于，所述上波导层材料为氮化镓或铟镓氮材料，铟组分为0-0.05，厚度为50nm-500nm。

3.根据权利要求1所述的氮化镓基激光器，其特征在于，所述p型电子阻挡层的材料为铝镓氮材料，厚度为1nm-50nm，铝组分为0.1-0.3。

4.根据权利要求1所述的氮化镓基激光器，其特征在于，所述p型限制层的材料为p型铝镓氮材料，厚度为0.4μm-1μm，铝组分为0.01-0.15。

5.根据权利要求1所述的氮化镓基激光器，其特征在于，所述p型欧姆接触层的材料为p型氮化镓材料，厚度为10nm-50nm。

6.一种如权利要求1-5中任一项所述的氮化镓基激光器的制备方法，其特征在于，包括：

在氮化镓衬底的一面上依次生长n型限制层、复合下波导层、量子阱有源区层、上波导层、p型电子阻挡层、p型限制层和p型欧姆接触层；

将p型欧姆接触层、p型限制层、p型电子阻挡层和上波导层刻蚀成脊型；

在脊型上生长一层绝缘膜，在该绝缘膜上采用光刻的方法制作p电极；

将氮化镓衬底减薄、清洗，在其另一面制作n电极。

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