CN114825047A - 基于渐变铝镓氮电子阻挡异质结的高功率激光二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于渐变铝镓氮电子阻挡异质结的高功率激光二极管，该激光二极管是在衬底上从下到上依次层叠设置的n型下限制层、下波导层、有源区、上波导层、p型渐变AlxGa1‑xN层和p型GaN接触层，其中p型渐变AlxGa1‑xN层由下到上Al组分含量x从0.1～0.2的某一数值线性渐变至0。本发明的激光二极管中，渐变AlGaN层同时承载着光场限制层以及电子阻挡层的作用，相比于电子阻挡层加限制层的传统激光器结构，本发明的渐变层结构通过掺杂调制实现了更高的电子势垒，且具有更大的势垒厚度，利于提高激光二极管的功率，在大功率工作条件下既具有更好的电子阻挡作用，漏电流明显减小，又同时具有更好的空穴注入效果，从而提升了器件效率。

Description

基于渐变铝镓氮电子阻挡异质结的高功率激光二极管
技术领域
本发明涉及半导体激光二极管，尤其涉及一种氮化镓基半导体激光二极管。
背景技术
氮化镓(GaN)基半导体激光二极管(LD)具有效率高、阈值低、体积小、易于集成等优点，在照明、显示、信息存储以及生物化学等领域有着广泛的应用。
当前GaN基激光器正朝向高功率方向发展，然而在提升功率过程中激光器面临效率骤降(Efficiency Droop)的难题。一般认为造成激光器效率下降的重要原因之一是漏电流的增大，其物理起源是空穴注入效果变差以及高能量电子泄漏至p型区域。
针对电子向p区泄露的问题，目前广泛采用的解决方案是在p型铝镓氮(AlGaN)限制层前增加几到十几纳米的高Al组分电子阻挡层EBL(electron-blocking layer)，从而形成一个针对电子的GaN/AlGaN异质结势垒。然而这一设计会带来一系列原理以及技术上的困难：
1.由于EBL层Al组分明显高于p型限制层，在两层之间会形成异质结，阻挡电子的同时也对空穴电流有阻挡作用，降低了空穴注入效率；
2.由于EBL层非常薄，部分电子会通过量子隧穿效应越过势垒层，从而导致漏电。尽管增加EBL层Al组分或厚度可以增强对电子的阻挡作用，但也会增加空穴注入的难度，并导致过高的串联电阻；
3.EBL层一般要采用15％甚至更高Al组分的AlGaN，对于通常的蓝光LD，如此高Al组分，同时精确保证数纳米的厚度给生长带来了困难；
4.EBL层需要较高水平的p型掺杂以便于空穴注入，而在如此高的Al组分以及极小的厚度下实现有效的掺杂与激活是非常困难的。
发明内容
为了解决上述困难，本发明提供了一种基于渐变组分AlGaN层的电子阻挡异质结高功率激光二极管，通过单层的渐变AlGaN层代替了电子阻挡层和限制层的双层结构。
本发明提供的激光二极管包括衬底和在衬底上从下到上依次层叠设置的n型下限制层、下波导层、有源区、上波导层、p型渐变AlxGa1-xN层、p型GaN接触层，其中p型渐变AlxGa1-xN层靠近n区侧Al组分较高，靠近接触层侧Al组分渐变至0，即p型渐变AlxGa1-xN层由下到上Al组分含量x从0.1～0.2的某一数值线性渐变至0。
本发明的激光二极管外延结构中，在上波导层上用单层p型渐变AlxGa1-xN层代替传统结构中的“EBL+上限制层”。在本发明的实施例中，所述p型渐变AlxGa1-xN层的Al组分含量x由下到上从0.15线性渐变至0，该渐变层中Mg掺杂浓度优选为1E17/cm3～1E20/cm3。
所述p型渐变AlxGa1-xN层的厚度优选为300～600nm。
本发明的激光二极管外延结构中，所述衬底优选为n型GaN自支撑同质衬底；所述n型下限制层优选为n型AlGaN下限制层；所述下波导层可以是非故意掺杂或n型的GaN下波导层，也可以是非故意掺杂或n型的InGaN下波导层；所述有源区优选为InGaN多量子阱；所述上波导层可以是非故意掺杂的GaN上波导层，或者是非故意掺杂的InGaN上波导层；所述p型GaN接触层优选为高Mg掺杂的p型GaN接触层，Mg掺杂浓度一般在1E20/cm3以上。
在本发明的激光二极管中，渐变AlGaN层同时承载着光场限制层以及电子阻挡层的作用，但具有更加优异的性质，包括：
1.渐变层的下端具有较高的Al组分，进而具有比波导层(InGaN或GaN)更低的折射率，从而将光场限制在波导层中形成光学谐振腔；
2.渐变层的下端与上波导层接触处形成了GaN/AlGaN异质结。由于AlGaN比GaN具有更大的带隙，在异质结处对由下到上的电子电流具有阻挡作用，从而抑制了漏电流；
3.由于渐变层取代了EBL，不会在EBL与限制层间形成异质结阻挡空穴注入；
4.通过改变渐变层的掺杂浓度，可以调节上波导层与渐变层能带的相对位置，从而增大电子势垒，阻挡漏电流，同时减小空穴势垒，增强空穴注入。通常异质结带阶是相对确定的量，但类比pn结内建电场对能带的移动作用，本发明利用掺杂调控波导层与渐变层的相对势能：目前的GaN基激光器通常采用非故意掺杂的上波导层设计，由于存在氮空位等原因通常呈现弱n型(～1016cm-3浓度)；当渐变层采用较高浓度p型掺杂时，其空穴会向上波导层扩散，且载流子的迁移破坏了电中性条件，使得渐变层电势降低，上波导层电势升高，从而改变了两层能带的相对位置；
5.渐变层上端Al组分渐变为0，与GaN接触层组分相同，没有形成异质结，不会对空穴电流造成阻挡，有利于空穴注入；
6.渐变层上部分Al组分低，有利于Mg的激活，保证了较高的空穴浓度；
7.渐变层具有极化掺杂效应。Al组分线性渐变层可以产生可观(～1018cm-3)的空穴，且浓度不会随温度降低而明显降低，有利于实现低温工作的GaN基LD。
总之，相比EBL+限制层的传统激光器结构，由于电子隧穿与势垒高度以及势垒厚度呈负相关，本发明的渐变层结构通过掺杂调制实现了更高的电子势垒，且具有更大的势垒厚度，因此在大功率下具有更好的电子阻挡作用，漏电流明显减小；同时由于减少了限制层与EBL层、接触层界面形成的两个异质结空穴势垒，渐变层结构具有更好的空穴注入效果，进一步减少了漏电流，提升了效率。
相比高Al组分的单层限制层结构，本发明的渐变层结构由于平均Al组分更低，更利于空穴注入，且由于极化掺杂效应，渐变层Mg的激活更稳定，空穴浓度更高，电阻更小，且利于在低温环境下工作；此外，在蓝光GaN基激光器外延生长中，高Al组分厚层由于晶格失配与热失配的缘故容易发生开裂，而渐变层则相对更容易生长成为完整晶体。
附图说明
图1是采用电子阻挡层+限制层的传统结构与本发明采用p型渐变AlxGa1-xN层的渐变结构的氮化镓基半导体激光二极管(LD)的结构示意图。
图2是图1所示传统结构(左)和渐变结构(右)的激光二极管的输运原理示意图。
图3是实施例中三种结构的激光二极管的功率-电流特性曲线(a)、内量子效率(b)和漏电流(c)仿真结果。
图4是实施例中三种结构的激光二极管的电光转换效率仿真结果。
图5是实施例中EBL结构(a)与渐变AlGaN层结构(b)的能带模拟结果。
图6是实施例中渐变AlGaN层结构在Mg掺杂浓度为1E17/cm3(a)、1E18/cm3(b)和1E19/cm3(c)下的能带模拟结果。
图7是实施例中渐变AlGaN层结构在不同Mg掺杂浓度下的激光器输出特性。
图8实施例中制备的渐变AlGaN层的透射电镜照片。
图9是实施例中制备的传统结构与渐变AlGaN层结构LED的归一化外量子效率-电流曲线。
具体实施方式
下面通过实施例进一步详细阐述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。
如图1所示，本实施例涉及的激光二极管外延结构中，在n掺杂的GaN自支撑衬底上依次外延生长n型AlGaN下限制层、n型GaN下波导层、InGaN多量子阱和非故意掺杂的GaN上波导层。在此之后，对于传统结构，在上波导层上先后生长p型AlGaN电子阻挡层和p型AlGaN上限制层；而对于本发明的渐变结构器件，在上波导层上生长500nm的单层线性渐变p型AlxGa1-xN层代替传统的“EBL+上限制层”，其中p型渐变AlxGa1-xN层的Al组分含量x由下到上从0.15线性渐变至0，Mg掺杂浓度为1E19/cm3。然后，外延生长高Mg掺杂的p型GaN接触层，并且在其上镀阳极，在衬底侧镀阴极。最后通过后续工艺(包括光刻、刻蚀出条形形状与脊形台面、解理产生端面、两端面镀反射膜，划裂出若干条形激光器单元等)完成激光二极管的制备。
(一)本实施例中使用商业软件Crosslight对上波导层和接触层之间为如下结构的三个激光二极管进行对照仿真实验：
结构1：EBL(20nm，Al0.2Ga0.8N，Mg掺杂浓度1E19cm-3)+上限制层(300nm，Al0.1Ga0.9N，Mg掺杂浓度1E19cm-3)；
结构2：渐变AlGaN层(300nm，Al0.2→0Ga0.8→1N，Mg掺杂浓度1E19cm-3)；
结构3：高Al组分限制层(300nm，Al0.2Ga0.8N，Mg掺杂浓度1E19cm-3)。
仿真结果如图3所示，在三种结构中，采用渐变AlGaN层的结构2表现出最好的功率-电流曲线特性以及最好的内量子效率特性，且在三种结构中，在大电流(6A)注入下，采用渐变AlGaN层的结构2的漏电流最小。
尽管单层高Al组分限制层(结构3)也能起到较好的电子阻挡效果，并且具有较好的内量子效率，但由于其Al组分过高导致空穴激活能过大，具有很大的串联电阻，因此电光转换效率较低。仿真结果证实在三种结构中，渐变层结构相比其余两种结构在电光转换效率上有明显优势(见图4)。
对EBL结构与渐变AlGaN层结构进行了能带结构模拟，结果显示传统EBL结构在EBL与上限制层之间的异质结界面形成了空穴势垒，不利于空穴注入，而渐变AlGaN层则不存在该势垒。
值得注意的是，两种结构的有源区光学限制因子分别为2.13％(EBL结构)与2.14％(渐变层结构)，即渐变AlGaN层的光学限制效果相比EBL结构略有提升。
(二)对渐变AlGaN层结构进行了掺杂改性测试，在保持厚度500nm，Al0.15→0Ga0.85→1N组分的基础上，分别采用Mg掺杂浓度1E17cm-3，1E18cm-3与1E19cm-3。结果如图6所示，随着掺杂浓度的提升，上波导层与渐变AlGaN层接触处能带相对位置不断变化，其中导带电子势垒不断抬升，价带处由极化效应及载流子迁移导致的三角形空穴势垒不断降低，最终消失，从而有利于空穴的注入。
随着掺杂浓度的增加，激光器的效率明显提升，效率骤降得到显著改善(见图7)。
(三)基于本发明的设计思想，生长了与图1结构相同的外延片：在预应力处理过的GaN同质衬底上，依次生长600nm、3E18/cm3浓度硅掺杂的Al0.07Ga0.93N下限制层，300nm、2E18/cm3浓度硅掺杂的GaN下波导层，In0.15Ga0.85N/GaN双量子阱，300nm非故意掺杂的GaN上波导层。在此之后，对传统结构依次生长了10nm、1E19/cm3浓度镁掺杂的Al0.15Ga0.85N电子阻挡层和500nm、5E18/cm3浓度镁掺杂的Al0.07Ga0.93N上限制层；对渐变结构生长了500nm、5E18/cm3浓度镁掺杂的AlxGa1-xN渐变层，其中x从下到上由0.15线性渐变至0。最后，对两种结构都生长了1E20/cm3浓度镁掺杂的GaN接触层，并实施蒸镀电极、刻蚀等工艺。在0-500mA连续电流注入下，使用积分球分别对传统结构和渐变结构器件进行发光功率测试，绘制了归一化的外量子效率随注入电流的曲线，即图9所示的结果。通过对比两种结构归一化外量子效率随电流的变化情况，可以直观地看出两种结构对漏电抑制能力的差别。
从图9可以看到，随着注入电流的增加，渐变AlGaN层结构的归一化外量子效率高于传统结构，在500mA时渐变AlGaN层是传统结构的2倍以上。由于在0注入时，漏电流占比可以忽略，而在较小电流下，量子效率随注入电流增大而下降主要是漏电流导致的，因此在某个电流下的归一化外量子效率可以反映漏电的程度。由此可以看到，渐变AlGaN层对漏电有很好的抑制作用，特别是在注入电流较大时。图9中可见，在一定电流大小后，随着注入的增大，渐变AlGaN结构的量子效率反而有所增加，这可能是p型限制层高Al组分部分的Mg掺杂不足导致的(可以参考图7)，在电流增大时非平衡载流子的注入对这种效应所起的补偿作用。

Claims (10)

1.一种激光二极管，包括衬底和在衬底上从下到上依次层叠设置的n型下限制层、下波导层、有源区、上波导层、p型渐变AlxGa1-xN层、p型GaN接触层，其中p型渐变AlxGa1-xN层由下到上Al组分含量x从0.1～0.2的某一数值线性渐变至0。
2.如权利要求1所述的激光二极管，其特征在于，所述p型渐变AlxGa1-xN层的Al组分含量x由下到上从0.15线性渐变至0。
3.如权利要求1所述的激光二极管，其特征在于，所述p型渐变AlxGa1-xN层中Mg掺杂浓度为1E17/cm3～1E20/cm3。
4.如权利要求1所述的激光二极管，其特征在于，所述p型渐变AlxGa1-xN层的厚度为300～600nm。
5.如权利要求1所述的激光二极管，其特征在于，所述衬底为n型GaN自支撑同质衬底。
6.如权利要求1所述的激光二极管，其特征在于，所述n型下限制层为n型AlGaN下限制层。
7.如权利要求1所述的激光二极管，其特征在于，所述下波导层是非故意掺杂或n型的GaN下波导层，或者是非故意掺杂或n型的InGaN下波导层。
8.如权利要求1所述的激光二极管，其特征在于，所述有源区为InGaN多量子阱。
9.如权利要求1所述的激光二极管，其特征在于，所述上波导层是非故意掺杂的GaN上波导层，或者是非故意掺杂的InGaN上波导层。
10.如权利要求1所述的激光二极管，其特征在于，所述p型GaN接触层为高Mg掺杂的p型GaN接触层。
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