CN114142344B - 一种提高蓝、绿光半导体激光器电学特性的方法及器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高蓝、绿光半导体激光器电学特性的方法及器件。本发明在蓝、绿光半导体激光器的上限制层的上、下表面各设置一层Al组分渐变的p‑AlGaN极化诱导层，通过双层极化诱导p型掺杂的的方式增加空穴注入，减少电子泄漏，提高有源区载流子复合效率，改善蓝、绿光激光器电学特性。本发明采用的处理方法具有工艺稳定、成本低廉、成品率高、设备简单易操作、适合产业化生产等优点。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种采用双层极化诱导p型掺杂提高蓝、绿光激光器电学特性的方法及相应器件。
背景技术
氮化镓GaN及其合金因禁带宽度大、电子迁移率高等优点，适用于制造光电子器件、微波功率器件，在航天航空、国防科技等领域具有良好的应用前景。但由于未掺杂氮化物材料背景电子浓度高，作为p型掺杂剂的Mg激活效率低，Mg扩散等因素，导致氮化物材料p型掺杂困难，成为制约相关器件进一步发展的主要技术瓶颈之一。因电子浓度高、扩散长度长而引入电子阻挡层阻碍电子溢出，但同时也产生降低空穴注入效率的势垒。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种双层极化诱导p型掺杂的方式，提高空穴浓度，降低材料电阻率，改善蓝、绿光半导体激光器的电学特性。
本发明的技术方案如下：
一种提高蓝、绿光半导体激光器电学特性的方法，在蓝、绿光半导体激光器的上限制层的上、下表面各设置一层Al组分渐变的p-AlGaN极化诱导层，在增加空穴注入的同时减少电子泄漏，其中位于下层的p-AlGaN极化诱导层的Al组分由30％～40％线性渐变至10％～20％(例如由40％线性渐变至20％或由30％线性渐变至10％)，位于上层的p-AlGaN极化诱导层的Al组分由30％线性渐变至0％。
基于上述提高蓝、绿光半导体激光器电学特性的方法，本发明提供了一种蓝、绿光半导体激光器，包括GaN衬底或SiC衬底，在衬底上从下到上依次层叠再生长外延层、下限制层、下波导层、插入层、量子阱层、上保护层、上波导层、极化诱导p-AlGaN电子阻挡层、上限制层、极化诱导p-AlGaN外延层和欧姆接触层，其中，所述极化诱导p-AlGaN电子阻挡层中Al组分由30％～40％线性渐变至10％～20％(例如由40％线性渐变至20％或由30％线性渐变至10％)，所述极化诱导p-AlGaN外延层中Al组分由30％线性渐变至0％。
上述蓝、绿光半导体激光器采用双层Al组分渐变的p-AlGaN极化诱导层，作为空穴注入层的同时阻挡电子溢出有源区，提高了蓝、绿光激光器的电学特性。
上述蓝、绿光半导体激光器在制备时，通常先对GaN衬底或SiC衬底进行化学清洗，即依次采用甲苯溶液、丙酮溶液、乙醇溶液和去离子水超声清洗衬底，除去衬底表面的有机物及颗粒沾污，并用氮气枪吹干。然后通过MOCVD方法外延生长再生长外延层、下限制层、下波导层、插入层、量子阱层、上保护层、上波导层、极化诱导p-AlGaN电子阻挡层、上限制层、极化诱导p-AlGaN外延层和欧姆接触层，如果以p-NiO外延层作为欧姆接触层，则采用磁控溅射方式生长p-NiO外延层。
上述蓝、绿光半导体激光器中，依据外延质量及器件性能决定，所述再生长外延层可以是未掺杂GaN或n-GaN再生长外延层，在800～1050℃外延生长，厚度为600纳米～2微米，其中以SiH4作为掺杂剂生长n-GaN外延层。
上述蓝、绿光半导体激光器中，依据外延质量及器件性能决定，所述下限制层为n-AlGaN下限制层或n-AlGaN/n-GaN超晶格下限制层，在1050～1100℃外延生长Al组分为5～10％，厚度为1～2微米，霍尔电子浓度为1E18 cm-3～5E18 cm-3的n-AlGaN下限制层；或者，在1050～1100℃外延生长Al组分为16～20％，厚度为2.5纳米/2.5纳米，霍尔电子浓度为1E18cm-3～5E18 cm-3的n-AlGaN/n-GaN超晶格下限制层。
上述蓝、绿光半导体激光器中，所述下波导层为未掺杂InGaN或n-InGaN下波导层，或者为n-InGaN/n-GaN下双波导层，在785～820℃外延生长In组分1～3％的未掺杂InGaN或n-InGaN下波导层，或In组分1～3％的n-InGaN/n-GaN下双波导层结构，降低光损耗，以上生长厚度依据蓝绿激光器激射条件决定，即激光波长除以2再除以膜层折射率的整数倍，通常蓝绿激光器下波导层厚度为110～500纳米。
上述蓝、绿光半导体激光器中，为改善后续外延生长量子阱结构的表面平整度，设置低温未掺杂GaN或未掺杂InGaN插入层。在下波导层上外延生长厚度2～3纳米的低温未掺杂GaN或In组分为1～2％的未掺杂InGaN层，In组分与量子阱势垒InGaN一致，外延生长温度与量子阱生长温度一致。
上述蓝、绿光半导体激光器中中，所述量子阱层为InGaN/GaN或InGaN/InGaN多量子阱，外延生长1～3对3纳米/15纳米InGaN/GaN或InGaN/InGaN量子阱结构，其中InGaN势垒中In组分为1～2％，外延生长温度依据蓝绿光发光波长决定。
上述蓝、绿光半导体激光器中，所述上保护层为未掺杂GaN或未掺杂InGaN上保护层，外延生长温度、厚度及组分与量子阱势垒结构一致。
上述蓝、绿光半导体激光器中，所述上波导层为未掺杂InGaN上波导层或未掺杂InGaN/未掺杂GaN上双波导层，在720～740℃外延生长In组分1～3％的未掺杂InGaN上波导层，或In组分1～3％的未掺杂InGaN/GaN上双波导层结构，降低光损耗，以上生长厚度依据蓝绿激光器激射条件决定，即激光波长除以2再除以膜层折射率的整数倍，通常蓝绿激光器上波导层厚度为110～500纳米。
上述蓝、绿光半导体激光器中，为了保护量子阱结构，在900～920℃外延生长Al组分由30％～40％线性渐变至10％～20％，厚度20～40纳米的极化诱导p-AlGaN电子阻挡层。
上述蓝、绿光半导体激光器中，依据外延质量及器件性能决定，所述上限制层为p-AlGaN上限制层或p-AlGaN/p-GaN超晶格上限制层。在900～920℃外延生长Al组分5～10％，厚度0.5～1微米的p-AlGaN上限制层，或者Al组分16～20％，厚度2.5纳米/2.5纳米的p-AlGaN/p-GaN超晶格上限制层，以上外延层霍尔空穴浓度为5E17 cm-3～2E18 cm-3。
上述蓝、绿光半导体激光器中，为增加空穴注入并改善器件电学特性，针对Ga极性激光器，在上限制层上于900～920℃外延生长Al组分由30％线性渐变至0％，厚度60～80纳米的极化诱导p-AlGaN外延层，霍尔空穴浓度为1E18 cm-3～2E18 cm-3。
上述蓝、绿光半导体激光器中，所述欧姆接触层为p++-GaN重掺层或p-InGaN层或p-NiO外延层，在极化诱导p-AlGaN外延层上外延生长5～10纳米p++-GaN重掺层或In组分10～20％的p-InGaN欧姆接触层，之后在N2氛围中退火，取出外延片。或者，先在N2氛围中退火，取出外延片，再通过磁控溅射的方式溅射厚度10～20纳米的p-NiO高p型材料。
本发明通过在蓝、绿光激光器外延片生长时采用双层Al组分渐变的p-AlGaN极化诱导层结构的方式，增加空穴注入，减少电子泄漏，提高有源区载流子复合效率，改善蓝、绿光激光器电学特性。本发明采用的处理方法具有工艺稳定、成本低廉、成品率高、设备简单易操作、适合产业化生产等优点。
附图说明
图1为本发明采用双层极化诱导p型掺杂的蓝、绿光激光器的结构示意图，其中：101-衬底，102-再生长外延层，103-下限制层，104-下波导层(或下双波导层)，105-插入层，106-量子阱层，107-上保护层，108-上波导层(或上双波导层)，109-极化诱导p-AlGaN电子阻挡层，110-上限制层，111-极化诱导p-AlGaN外延层，112-欧姆接触层。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例进一步阐述本发明，但不以任何方式限制本发明的保护范围。
本实施例提供一种采用双层极化诱导p型掺杂的蓝、绿光激光器，包括从下到上依次层叠设置在GaN衬底或SiC衬底上的未掺杂GaN或n-GaN再生长外延层、n-AlGaN或n-AlGaN/n-GaN超晶格下限制层、未掺杂InGaN或n-InGaN下波导层或n-InGaN/n-GaN下双波导层、低温未掺杂GaN或未掺杂InGaN插入层、InGaN/GaN或InGaN/InGaN量子阱层、未掺杂GaN或未掺杂InGaN上保护层、未掺杂InGaN上波导层或未掺杂InGaN/未掺杂GaN上双波导层、极化诱导p-AlGaN电子阻挡层、p-AlGaN或p-AlGaN/p-GaN超晶格上限制层、极化诱导p-AlGaN外延层、p++-GaN或p-InGaN欧姆接触层或p-NiO外延层。
该蓝、绿光激光器通过如下步骤制备得到：
1)对GaN衬底或SiC衬底进行化学清洗，即依次采用甲苯溶液、丙酮溶液、乙醇溶液和去离子水超声清洗衬底，除去衬底表面的有机物及颗粒沾污，并用氮气枪吹干。
2)通过MOCVD方法，在GaN或SiC衬底上从下到上依次生长未掺杂GaN或n-GaN再生长外延层、n-AlGaN或n-AlGaN/n-GaN超晶格下限制层、未掺杂InGaN或n-InGaN下波导层或n-InGaN/n-GaN下双波导层、低温未掺杂GaN或未掺杂InGaN插入层、InGaN/GaN或InGaN/InGaN量子阱层、未掺杂GaN或未掺杂InGaN上保护层、未掺杂InGaN或未掺杂InGaN/未掺杂GaN上波导层、极化诱导p-AlGaN电子阻挡层、p-AlGaN或p-AlGaN/p-GaN超晶格上限制层、极化诱导p-AlGaN外延层、p++-GaN或p-InGaN或p-NiO(磁控溅射方式)欧姆接触层。
所述未掺杂GaN再生长外延层在800～1050℃外延，厚度为600纳米～2微米。所述n-GaN再生长外延层以SiH4作为掺杂剂，在800～1050℃外延，厚度为600纳米～2微米。
所述n-AlGaN下限制层在1050～1100℃外延，Al组分为5～10％，厚度为1～2微米，霍尔电子浓度为1E18 cm-3～5E18 cm-3。所述n-AlGaN/n-GaN超晶格下限制层在1050～1100℃外延，Al组分为16～20％，厚度为2.5纳米/2.5纳米，霍尔电子浓度为1E18 cm-3～5E18cm-3。
所述未掺杂InGaN下波导层在785～820℃外延，In组分为1～3％，厚度依据蓝绿激光器激射条件决定，即厚度为激射波长除以2再除以膜层平均折射率所得数值的整数倍。所述n-InGaN下波导层在785～820℃外延，In组分为1～3％，厚度依据蓝绿激光器激射条件决定。所述n-InGaN/n-GaN下双波导层在785～820℃外延，In组分为1～3％，厚度依据蓝绿激光器激射条件决定。
所述低温未掺杂GaN插入层，外延生长温度依据蓝绿光发光波长决定，厚度为2～3纳米。所述未掺杂InGaN插入层，外延生长温度依据蓝绿光发光波长决定，In组分为1～2％，厚度为2～3纳米。
所述InGaN/GaN量子阱层结构为1～3对厚度3纳米/15纳米的周期结构，外延生长温度依据蓝绿光发光波长决定，In组分为1～2％。所述InGaN/InGaN量子阱层结构为1～3对厚度3纳米/15纳米的周期结构，外延生长温度依据蓝绿光发光波长决定，其中InGaN势垒中In组分为1～2％。
所述未掺杂GaN或未掺杂InGaN上保护层外延生长温度、厚度及组分与前述量子阱层势垒结构一致。
所述未掺杂InGaN上波导层在720～740℃外延，In组分为1～3％，厚度依据蓝绿激光器激射条件决定。所述未掺杂InGaN/未掺杂GaN上双波导层在720～740℃外延，In组分为1～3％，厚度依据蓝绿激光器激射条件决定。
所述极化诱导p-AlGaN电子阻挡层以Cp2Mg作为掺杂剂，在900～920℃外延，Al组分由40％线性渐变至20％或由30％线性渐变至10％，厚度为20～40纳米。
所述p-AlGaN上限制层在900～920℃外延，Al组分为5～10％，厚度为0.5～1微米，霍尔空穴浓度为5E17 cm-3～2E18 cm-3。所述p-AlGaN/p-GaN超晶格上限制层在900～920℃外延，Al组分为16～20％，厚度为2.5纳米/2.5纳米，霍尔空穴浓度为5E17 cm-3～2E18 cm-3。
所述极化诱导p-AlGaN外延层在900～920℃外延，Al组分由30％线性渐变至0％，厚度为60～80纳米，霍尔空穴浓度为1E18 cm-3～2E18 cm-3。
所述p++-GaN重掺层厚度为5～10纳米。所述p-InGaN欧姆接触层In组分为10～20％，厚度为5～10纳米。所述p-NiO外延层通过磁控溅射方式溅射，厚度为10～20纳米。
3)对蓝、绿光激光器外延片进行后续工艺处理。
Claims (10)
1.一种提高蓝、绿光半导体激光器电学特性的方法，在蓝、绿光半导体激光器的上限制层的上、下表面各设置一层Al组分渐变的p-AlGaN极化诱导层，在增加空穴注入的同时减少电子泄漏，其中位于下层的p-AlGaN极化诱导层的Al组分从下到上由30%~40％线性渐变至10%~20％，位于上层的p-AlGaN极化诱导层的Al组分从下到上由30％线性渐变至0％。
2.一种蓝、绿光半导体激光器，包括GaN衬底或SiC衬底，在衬底上从下到上依次层叠再生长外延层、下限制层、下波导层、插入层、量子阱层、上保护层、上波导层、极化诱导p-AlGaN电子阻挡层、上限制层、极化诱导p-AlGaN外延层和欧姆接触层，其中，所述极化诱导p-AlGaN电子阻挡层中Al组分从下到上由30%~40％线性渐变至10%~20％，所述极化诱导p-AlGaN外延层中Al组分从下到上由30％线性渐变至0％。
3.如权利要求2所述的蓝、绿光半导体激光器，其特征在于，所述再生长外延层为未掺杂GaN或n-GaN再生长外延层，厚度为600纳米～2微米。
4.如权利要求2所述的蓝、绿光半导体激光器，其特征在于，所述下限制层为n-AlGaN下限制层或n-AlGaN/n-GaN超晶格下限制层，其中：所述n-AlGaN下限制层的Al组分为5～10％，厚度为1～2微米，霍尔电子浓度为1E18 cm-3～5E18 cm-3；所述n-AlGaN/n-GaN超晶格下限制层的Al组分为16～20％，厚度为2.5纳米/2.5纳米，霍尔电子浓度为1E18 cm-3～5E18cm-3。
5.如权利要求2所述的蓝、绿光半导体激光器，其特征在于，所述下波导层为未掺杂InGaN或n-InGaN下波导层，或者为n-InGaN/n-GaN下双波导层，其中In组分为1～3％；所述上波导层为未掺杂InGaN上波导层或未掺杂InGaN/未掺杂GaN上双波导层，其中In组分为1～3％。
6.如权利要求2所述的蓝、绿光半导体激光器，其特征在于，所述插入层为厚度2～3纳米的低温未掺杂GaN或未掺杂InGaN插入层，其中未掺杂InGaN插入层中In组分为1～2％。
7.如权利要求2所述的蓝、绿光半导体激光器，其特征在于，所述量子阱层为InGaN/GaN或InGaN/InGaN多量子阱；所述上保护层为未掺杂GaN或未掺杂InGaN上保护层，其厚度及组分与量子阱层的势垒结构一致。
8.如权利要求2所述的蓝、绿光半导体激光器，其特征在于，所述极化诱导p-AlGaN电子阻挡层是在900~920℃外延生长的Al组分从下到上由30%~40％线性渐变至10%~20％的p-AlGaN层，厚度为20~40纳米。
9.如权利要求2所述的蓝、绿光半导体激光器，其特征在于，所述上限制层为p-AlGaN上限制层或p-AlGaN/p-GaN超晶格上限制层，其中：所述p-AlGaN上限制层的Al组分为5～10％，厚度为0.5～1微米，霍尔空穴浓度为5E17 cm-3～2E18 cm-3；所述p-AlGaN/p-GaN超晶格上限制层的Al组分为16～20％，厚度为2.5纳米/2.5纳米，霍尔空穴浓度为5E17 cm-3～2E18 cm-3。
10.如权利要求2所述的蓝、绿光半导体激光器，其特征在于，所述极化诱导p-AlGaN外延层是在900～920℃外延生长的Al组分从下到上由30％线性渐变至0％的p-AlGaN层，厚度为60~80纳米，霍尔空穴浓度为1E18 cm-3～2E18 cm-3。
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