CN114825043A - 一种氮化镓基激光器 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种氮化镓基激光器，包括：衬底；缓冲层，制作在衬底的上表面；下限制层，制作在缓冲层的上表面；In_xGa_1‑xN下波导层，制作在下限制层的上表面；有源区，制作在In_xGa_{1‑ x}N下波导层的上表面；In_xGa_1‑xN上波导层，制作在有源区的上表面；电子阻挡层，制作在In_xGa_{1‑ x}N上波导层的上表面；上限制层，制作在电子阻挡层的上表面；欧姆接触层，制作在上限制层的上表面；P型电极，制作在P型欧姆接触层的上表面；N型电极，制作在衬底的下表面；其中，In_xGa_1‑xN上波导层的厚度小于In_xGa_1‑xN下波导层的厚度。本公开提供的氮化镓基激光器具有非对称波导层结构，能够使光场中心远离P型区，有利于减小光学损耗，提高光束质量。

Description

一种氮化镓基激光器

技术领域

本公开涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种氮化镓基激光器。

背景技术

氮化镓基激光器是一种重要的半导体光电器件，在激光显示，激光通信，激光手术等领域都有相当广泛的应用。其中激光显示被誉为终极的显示技术，而在激光显示中芯片级的半导体红绿蓝三基色激光器具有不可或缺的作用。相对而言，红光与蓝光的半导体激光器目前发展相对成熟，绿光半导体激光器仍然处在发展的初级阶段。氮化镓基绿光半导体激光器是非常具有前景的绿光激光器解决方案，但是目前仍然面临激射波长较短，激光光束质量差，激光器斜率效率低等问题。具体到激光器的结构层面，存在包括有源区质量差，衬底模式泄露，载流子复合效率低，p型制备困难等挑战。在这些困难中，衬底模式泄露以及载流子复合效率低就是限制绿光激光器进一步发展的两个主要因素。

由于激光器波长增大来到绿光波段，目前氮化镓激光器为了提高光学限制因子，实现对光场的有效限制，通常需要增加波导层与限制层厚度，而由于GaN与InGaN之间的大晶格失配，更大的厚度会使得激光器有源区材料质量下降，并且会降低有源区电子与空穴的复合效率，这就会导致激光器光束质量变差以及斜率效率变低。

发明内容

鉴于上述问题，本公开提供了一种氮化镓基激光器。

根据本公开的第一个方面，提供了一种氮化镓基激光器，包括：

衬底；

缓冲层，制作在上述衬底的上表面；

下限制层，制作在上述缓冲层的上表面；

In_xGa_1-xN下波导层，制作在上述下限制层的上表面；

有源区，制作在上述In_xGa_1-xN下波导层的上表面；

In_xGa_1-xN上波导层，制作在上述有源区的上表面；

电子阻挡层，制作在上述In_xGa_1-xN上波导层的上表面；

上限制层，制作在上述电子阻挡层的上表面；

欧姆接触层，制作在上述上限制层的上表面；

P型电极，制作在上述P型欧姆接触层的上表面；

N型电极，制作在上述衬底的下表面；

其中，上述In_xGa_1-xN上波导层的厚度小于上述In_xGa_1-xN下波导层的厚度。

可选地，上述缓冲层的材料为N型掺杂的GaN材料，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3～1×10¹⁹cm^-3，厚度为10～300μm。

可选地，上述下限制层的材料为Al_xGa_1-xN材料，N型掺杂，Al组分为0.01～0.15，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3～1×10¹⁹cm^-3，厚度为0.5～2μm。

可选地，上述In_xGa_1-xN下波导层的材料为N型掺杂的In_xGa_1-xN材料，In组分为0.05～0.15，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3～5×10¹⁷cm^-3，厚度为0.1～1μm。

可选地，上述有源区为In_xGa_1-xN多量子阱结构，包括2层阱层和3层垒层，上述阱层和上述垒层交替分布；

上述阱层的材料为In_xGa_1-xN材料，N型掺杂，In组分为0.2～0.35，掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3～1×10¹⁷cm^-3，厚度为2～5nm；

上述垒层的材料为In_xGa_1-xN材料，N型掺杂，In组分为0～0.05，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3～5×10¹⁷cm^-3，厚度为3～20nm；

靠近上述In_xGa_1-xN上波导层的2层垒层的厚度相同，靠近上述In_xGa_1-xN下波导层的垒层的厚度小于靠近上述In_xGa_1-xN上波导层的2层垒层的厚度。

可选地，上述In_xGa_1-xN上波导层的材料为N型掺杂的In_xGa_1-xN材料，In组分为0.02～0.10，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3～5×10¹⁷cm^-3，厚度为0.1～1μm。

可选地，上述In_xGa_1-xN上波导层中的In组小于上述In_xGa_1-xN下波导层中的In组分。

可选地，上述电子阻挡层的材料为Al_xGa_1-xN材料，P型掺杂，Al组分为0.1～0.25，掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3～2×10²⁰cm^-3，厚度为5～30nm。

可选地，上述上限制层的材料为Al_xGa_1-xN材料，P型掺杂，Al组分为0.01～0.15，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3～5×10¹⁹cm^-3，厚度为0.5～2μm；

上述上限制层的宽度小于上述电子阻挡层的宽度。

可选地，欧姆接触层的材料为GaN材料，P型掺杂，掺杂浓度为1×10²⁰cm^-3～5×10²⁰cm^-3，厚度为20～100nm。

本公开提供了一种氮化镓基激光器，包括：衬底；缓冲层，制作在衬底的上表面；下限制层，制作在缓冲层的上表面；In_xGa_1-xN下波导层，制作在下限制层的上表面；有源区，制作在In_xGa_1-xN下波导层的上表面；In_xGa_1-xN上波导层，制作在有源区的上表面；电子阻挡层，制作在In_xGa_1-xN上波导层的上表面；上限制层，制作在电子阻挡层的上表面；欧姆接触层，制作在上限制层的上表面；P型电极，制作在P型欧姆接触层的上表面；N型电极，制作在衬底的下表面；其中，In_xGa_1-xN上波导层的厚度小于In_xGa_1-xN下波导层的厚度。本公开提供的氮化镓基激光器具有非对称波导层结构，能够使光场中心远离P型区，有利于减小光学损耗，提高光束质量。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开中的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1示意性示出了本公开一实施例提供的一种氮化镓基激光器的结构示意图；以及

图2示意性示出了本公开一实施例提供的一种氮化镓基激光器的有源区的结构示意图。

附图标记说明：

1 衬底；2 缓冲层；3 下限制层；4 In_xGa_1-xN下波导层；5 有源区；6 In_xGa_1-xN上波导层；7 电子阻挡层；8 上限制层；9 欧姆接触层；10 P型电极；11 N型电极；51 垒层；52 阱层。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。本领域技术人员还应理解，实质上任意表示两个或更多可选项目的转折连词和/或短语，无论是在说明书、权利要求书还是附图中，都应被理解为给出了包括这些项目之一、这些项目任一方、或两个项目的可能性。例如，短语“A或B”应当被理解为包括“A”或“B”、或“A和B”的可能性。

本公开提供了一种氮化镓基激光器，包括：衬底；缓冲层，制作在衬底的上表面；下限制层，制作在缓冲层的上表面；In_xGa_1-xN下波导层，制作在下限制层的上表面；有源区，制作在In_xGa_1-xN下波导层的上表面；In_xGa_1-xN上波导层，制作在有源区的上表面；电子阻挡层，制作在In_xGa_1-xN上波导层的上表面；上限制层，制作在电子阻挡层的上表面；欧姆接触层，制作在上限制层的上表面；P型电极，制作在P型欧姆接触层的上表面；N型电极，制作在衬底的下表面；其中，In_xGa_1-xN上波导层的厚度小于In_xGa_1-xN下波导层的厚度。本公开提供的氮化镓基激光器具有非对称波导层结构，能够使激光器的光场中心远离P型电极区域，有利于减小激光器的光学损耗，提高光束质量。

图1示意性示出了本公开一实施例提供的一种氮化镓基激光器的结构示意图。图2示意性示出了本公开一实施例提供的一种氮化镓基激光器的有源区的结构示意图。

应当理解，图1和图2中示出的氮化镓基激光器仅是示例性的，以便于本领域技术人员理解本公开的方案，并非意在限定本公开的保护范围。在其他一些实施例中，上述氮化镓基激光器中各层材料、尺寸、形状等等可以根据实际情况选择，在此不做限定。

请一并参考图1和图2，在本公开一实施例中，上述氮化镓基激光器包括：衬底1；缓冲层2，制作在衬底1的上表面；下限制层3，制作在缓冲层2的上表面；In_xGa_1-xN下波导层4，制作在下限制层3的上表面；有源区5，制作在In_xGa_1-xN下波导层4的上表面；In_xGa_1-xN上波导层6，制作在有源区5的上表面；电子阻挡层7，制作在In_xGa_1-xN上波导层6的上表面；上限制层8，制作在电子阻挡层7的上表面；欧姆接触层9，制作在上限制层8的上表面；P型电极10，制作在P型欧姆接触层9的上表面；N型电极11，制作在衬底1的下表面；其中，In_xGa_1-xN上波导层6的厚度小于In_xGa_1-xN下波导层4的厚度。

在本实施例中，衬底1的上表面上依次制作有缓冲层2、下限制层3、In_xGa_1-xN下波导层4、有源区5、In_xGa_1-xN上波导层6、电子阻挡层7、上限制层8、欧姆接触层9和P型电极10，衬底1的下表面制作有N型电极11。本实施例中，衬底1的材料为N型掺杂的GaN材料，掺杂浓度为3×10¹⁸cm^-3，下限制层3的材料为Al_xGa_1-xN材料，N型掺杂，Al组分为0.01～0.15，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3～1×10¹⁹cm^-3，厚度为0.5～2μm，电子阻挡层7的材料为Al_xGa_1-xN材料，P型掺杂，Al组分为0.1～0.25，掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3～2×10²⁰cm^-3，厚度为5～30nm，上限制层8的材料为Al_xGa_1-xN材料，P型掺杂，Al组分为0.01～0.15，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3～5×10¹⁹cm^-3，厚度为0.5～2μm，欧姆接触层9的材料为GaN材料，P型掺杂，掺杂浓度为1×10²⁰cm^-3～5×10²⁰cm^-3，厚度为20～100nm。其中，In_xGa_1-xN上波导层6的厚度小于In_xGa_1-xN下波导层4的厚度。本实施例中的氮化镓基激光器具有非对称波导层结构，能够使激光器的光场中心远离P型电极区域，有利于减小激光器的光学损耗，提高光束质量。

在本公开一实施例中，缓冲层2的材料为N型掺杂的GaN材料，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3～1×10¹⁹cm^-3，厚度为10～300μm。

在本实施例中，缓冲层2的材料可以选择为N型掺杂的GaN材料，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3～1×10¹⁹cm^-3，厚度为10～300μm，衬底1的材料也同样可以选择N型掺杂的GaN材料，掺杂浓度为3×10¹⁸cm^-3，还可以控制衬底1和缓冲层2的总厚度为150μm。

在本公开一实施例中，In_xGa_1-xN下波导层4的材料为N型掺杂的In_xGa_1-xN材料，In组分为0.05～0.15，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3～5×10¹⁷cm^-3，厚度为0.1～1μm。In_xGa_1-xN上波导层6的材料为N型掺杂的In_xGa_1-xN材料，In组分为0.02～0.10，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3～5×10¹⁷cm^-3，厚度为0.1～1μm。

在本实施例中，In_xGa_1-xN下波导层4和In_xGa_1-xN上波导层6的材料相同，均为N型掺杂的In_xGa_1-xN材料，1且掺杂浓度均为1×10¹⁷cm^-3～5×10¹⁷cm^-3，其中，In_xGa_1-xN下波导层4的In组分为0.05～0.15，In_xGa_1-xN上波导层6的In组分为0.02～0.10。

在本公开一实施例中，In_xGa_1-xN上波导层6中的In组小于下波导层4中的In组分。

在本实施例中，In_xGa_1-xN上波导层6中的In组小于下波导层4中的In组分，使该氮化镓基激光器具有非对称波导层结构，能够使激光器的光场中心远离P型电极区域，有利于减小激光器的光学损耗，提高光束质量。

请参考图2，在本公开一实施例中，有源区5为In_xGa_1-xN多量子阱结构，包括2层阱层52和3层垒层51，阱层52和垒层51交替分布；阱层52的材料为In_xGa_1-xN材料，N型掺杂，In组分为0.2～0.35，掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3～1×10¹⁷cm^-3，厚度为2～5nm；垒层51的材料为In_xGa_1-xN材料，N型掺杂，In组分为0～0.05，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3～5×10¹⁷cm^-3，厚度为3～20nm；靠近In_xGa_1-xN上波导层6的2层垒层51的厚度相同，靠近In_xGa_1-xN下波导层4的垒层51的厚度小于靠近In_xGa_1-xN上波导层6的2层垒层51的厚度。

在本实施例中，有源区5包括的阱层52和垒层51交替分布，阱层52和垒层51的材料均为In_xGa_1-xN材料，N型掺杂，阱层52的In组分为0.2～0.35，掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3～1×10¹⁷cm^-3，厚度为2～5nm；垒层51的In组分为0～0.05，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3～5×10¹⁷cm^-3，厚度为3～20nm。其中，靠近In_xGa_1-xN上波导层6的2层垒层51的厚度相同(如图2所示)，例如为10～20nm，靠近In_xGa_1-xN下波导层4的垒层51的厚度小于靠近In_xGa_1-xN上波导层6的2层垒层51的厚度(如图2所示)，例如，靠近In_xGa_1-xN下波导层4的垒层51的厚度可以为3～8nm。本实施例中的有源区多量子阱结构为非对称设计，能够减少下量子垒(即上述的靠近In_xGa_{1- x}N下波导层4的垒层)引起的电子电流泄露，提高载流子复合效率，从而提高该氮化镓基激光器的斜率效率。且有源区多量子阱结构为非对称结构设计，没有引入额外的结构层，有利于该氮化镓基激光器材料质量的提高，同时制备工艺简单，没有增加额外的制造成本。

需要说明的是，上述对于氮化镓基激光器中各层尺寸、材料等等的说明仅是示例性的，以便于本领域技术人员理解本公开的方案，并非意在限定本公开的保护范围。在其他一些实施例中，上述氮化镓基激光器中各层尺寸、材料等等可以根据实际情况选择，在此不做限定。

在本公开实施例中，氮化镓基激光器具有非对称波导层结构，能够使激光器的光场中心远离P型电极区域，有利于减小激光器的光学损耗，提高光束质量。

另外，本公开实施例中的有源区为多量子阱结构，为非对称设计，能够减少下量子垒引起的电子电流泄露，提高载流子复合效率，从而提高该氮化镓基激光器的斜率效率。且有源区为多量子阱结构非对称结构设计没有引入额外的结构层，有利于该氮化镓基激光器材料质量的提高，同时制备工艺简单，没有增加额外的制造成本。

本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。

以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

Claims (10)

1.一种氮化镓基激光器，其特征在于，包括：

衬底(1)；

缓冲层(2)，制作在所述衬底(1)的上表面；

下限制层(3)，制作在所述缓冲层(2)的上表面；

In_xGa_1-xN下波导层(4)，制作在所述下限制层(3)的上表面；

有源区(5)，制作在所述In_xGa_1-xN下波导层(4)的上表面；

In_xGa_1-xN上波导层(6)，制作在所述有源区(5)的上表面；

电子阻挡层(7)，制作在所述In_xGa_1-xN上波导层(6)的上表面；

上限制层(8)，制作在所述电子阻挡层(7)的上表面；

欧姆接触层(9)，制作在所述上限制层(8)的上表面；

P型电极(10)，制作在所述P型欧姆接触层(9)的上表面；

N型电极(11)，制作在所述衬底(1)的下表面；

其中，所述In_xGa_1-xN上波导层(6)的厚度小于所述In_xGa_1-xN下波导层(4)的厚度。

2.根据权利要求1所述的氮化镓基激光器，其特征在于，所述缓冲层(2)的材料为N型掺杂的GaN材料，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3～1×10¹⁹cm^-3，厚度为10～300μm。

3.根据权利要求1所述的氮化镓基激光器，其特征在于，所述下限制层(3)的材料为Al_xGa_1-xN材料，N型掺杂，Al组分为0.01～0.15，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3～1×10¹⁹cm^-3，厚度为0.5～2μm。

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In_xGa_1-xN下波导层(4)的材料为N型掺杂的In_xGa_1-xN材料，In组分为0.05～0.15，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3～5×10¹⁷cm^-3，厚度为0.1～1μm。

5.根据权利要求1所述的氮化镓基激光器，其特征在于，所述有源区(5)为In_xGa_1-xN多量子阱结构，包括2层阱层(52)和3层垒层(51)，所述阱层(52)和所述垒层(51)交替分布；

所述阱层(52)的材料为In_xGa_1-xN材料，N型掺杂，In组分为0.2～0.35，掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3～1×10¹⁷cm^-3，厚度为2～5nm；

所述垒层(51)的材料为In_xGa_1-xN材料，N型掺杂，In组分为0～0.05，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3～5×10¹⁷cm^-3，厚度为3～20nm；

靠近所述In_xGa_1-xN上波导层(6)的2层垒层(51)的厚度相同，靠近所述In_xGa_1-xN下波导层(4)的垒层(51)的厚度小于靠近所述In_xGa_1-xN上波导层(6)的2层垒层(51)的厚度。

6.根据权利要求1所述的氮化镓基激光器，其特征在于，所述In_xGa_1-xN上波导层(6)的材料为N型掺杂的In_xGa_1-xN材料，In组分为0.02～0.10，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3～5×10¹⁷cm^-3，厚度为0.1～1μm。

7.根据权利要求1所述的氮化镓基激光器，其特征在于，所述In_xGa_1-xN上波导层(6)中的In组小于所述In_xGa_1-xN下波导层(4)中的In组分。

8.根据权利要求1所述的氮化镓基激光器，其特征在于，所述电子阻挡层(7)的材料为Al_xGa_1-xN材料，P型掺杂，Al组分为0.1～0.25，掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3～2×10²⁰cm^-3，厚度为5～30nm。

9.根据权利要求1所述的氮化镓基激光器，其特征在于，所述上限制层(8)的材料为Al_xGa_1-xN材料，P型掺杂，Al组分为0.01～0.15，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3～5×10¹⁹cm^-3，厚度为0.5～2μm；

所述上限制层(8)的宽度小于所述电子阻挡层(7)的宽度。

10.根据权利要求1所述的氮化镓基激光器，其特征在于，所述欧姆接触层(9)的材料为GaN材料，P型掺杂，掺杂浓度为1×10²⁰cm^-3～5×10²⁰cm^-3，厚度为20～100nm。

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