CN115603173A - 基于空气隙调制折射率光限制层的氮化镓基激光二极管 - Google Patents

基于空气隙调制折射率光限制层的氮化镓基激光二极管 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于空气隙调制折射率光限制层的氮化镓基激光二极管，使用空气隙/GaN折射率调制层代替传统的“上限制层+接触层”，在衬底上依次层叠n型下光限制层、下波导层、有源区、电子阻挡层、上波导层和空气隙/GaN折射率调制层，所述空气隙/GaN折射率调制层是在p型GaN中周期性或非周期性排布空气隙。空气隙/GaN折射率调制层同时承载了竖直方向光场限制以及空穴注入的功能，相比于传统结构，具有更好的光场限制能力和电学性能。

Description

基于空气隙调制折射率光限制层的氮化镓基激光二极管
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)具有覆盖色域广、效率高、阈值低、体积小和易于集成等优点，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，其发光波长范围可以覆盖红光到紫外光。
一般来讲，边发射的激光器需要在氮化镓(GaN)或铟镓氮(InGaN)波导层的上下两侧分别增加一层p型和n型掺杂的铝镓氮(AlGaN)光限制层，用以在垂直方向限制光场。然而使用p型AlGaN作为光限制层会带来若干困难：
1.掺杂离子镁(Mg)难以并入，导致Mg掺杂浓度较低，也就会导致空穴浓度较低。在相同Mg掺杂量的情况下，Mg离子的受主激活能随铝(Al)组分的提高而增加，这将导致空穴更难激活，使得实际空穴浓度进一步降低。空穴浓度的降低，将会导致串联电阻过大，降低了激光器的电光转换效率，且造成严重的热效应，从而降低器件性能及缩短器件寿命。
2.未被激活的Mg会导致严重的光吸收效应，增加激光器的激射阈值，降低激光器的效率；被吸收的光会转化成热能，导致器件温度升高，降低器件的性能及寿命。
3.生长AlGaN需要的温度比生长InGaN的温度高出较多，在较高的温度下，InGaN会被分解或者发生成分偏析，因此高温生长AlGaN会破坏InGaN量子阱结构，导致器件发光性能下降或发光波长偏离预期。
4.p型AlGaN由于空穴浓度较低，不易实现与金属电极的欧姆接触。即使单独引入p型GaN作为接触层，依然会在接触层与AlGaN限制层之间形成异质结，对空穴的注入起到阻挡作用，降低激光器的载流子输运性能。
发明内容
本发明提出了一种基于空气隙调制折射率光限制层的氮化镓基激光二极管结构，通过使用带空气隙的p型GaN替代p型AlGaN作为光限制层，使器件获得了更好的光场限制能力和电学性能，从而改善由于AlGaN的使用而带来的上述问题。
本发明提供的氮化镓基激光二极管包括衬底和在衬底上从下到上依次层叠的n型下光限制层、下波导层、有源区、电子阻挡层、上波导层和p型上光限制层，其特征在于，所述p型上光限制层是由p型GaN和空气隙组成的折射率调制层。
如图1所示，本发明氮化镓基激光二极管的结构与传统激光二极管的结构差别就在于上光限制层不同。
在本发明的氮化镓基激光二极管中，由p型GaN和空气隙组成的折射率调制层(称为空气隙/GaN折射率调制层)是在p型GaN中周期性或非周期性排布空气隙，所述空气隙可以是镶嵌在p型GaN中的空气沟道或者空气柱，如图2所示，空气隙4宽度(空气沟道宽度或者空气柱的底面尺寸)在几到几百纳米之间(如5～600纳米)，其深度为折射率调制层2的p型GaN 3的厚度，一般在几百纳米范围(如100～800纳米)，具体深度需要根据激光器的发光波长来设计决定。空气隙的加工可以通过光刻或纳米压印等方式实现。另外，空气隙和p型GaN的几何形状互换也是可以达到相同效果的。
空气隙/GaN折射率调制层的光学限制能力来源于空气和p型GaN的折射率平均效应。由于在工作波长范围内，空气的折射率为1，远远低于GaN的折射率(在450nm下约2.5)，且空气隙和GaN几何单元的尺寸远小于脊形或工作横模的尺寸，因此空气隙/GaN折射率调制层可以近似看作等效折射率低于波导层的光学限制层，其等效折射率由GaN与空气隙的空间占位比(占空比)决定。在空气隙占比较低的情况下，且由于没有引入AlGaN，可以获得比传统结构更好的电学性能。
空气隙/GaN折射率调制层同时承载了竖直方向光场限制以及空穴注入的功能，但相比传统结构，具有更好的光场限制能力和电学性能。
本发明的氮化镓基激光二极管外延结构中，所述衬底优选为n型掺杂的GaN自支撑同质衬底；所述n型下光限制层优选为n型AlGaN下光限制层；所述下波导层可以是非故意掺杂或n型掺杂的GaN下波导层，也可以是非故意掺杂或n型掺杂的InGaN下波导层；所述有源区优选为InGaN多量子阱；所述电子阻挡层可以是p型AlGaN电子阻挡层(EBL)；所述上波导层可以是p型掺杂或非故意掺杂的GaN上波导层，也可以是p型掺杂或非故意掺杂的InGaN上波导层。
本发明的氮化镓基激光二极管相比传统结构的优势在于：
1.在外延生长上限制层时不需要引入p型掺杂的AlGaN，而相比于AlGaN，GaN中Mg更容易并入，减小p型生长的困难；
2.在外延生长中，减少了生长p型AlGaN所需要的高温，避免InGaN量子阱被破坏；
3.避免了AlGaN上限制层与GaN波导层之间应力失配可能导致的位错增加，提高晶体质量；
4.由于GaN中Mg的激活能小于AlGaN，因此相同掺杂水平下激活的空穴更多，使得器件导电性更好；
5.减小了未激活的Mg对光的吸收效应，提升激光器性能；
6.减少了接触层与限制层之间的异质结势垒，有利于空穴注入；
7.相比于使用调节Al组分实现折射率的调制，空气隙/GaN折射率调制层只需要调整空气隙的占空比就可以实现很大范围的折射率调制，与刻蚀等成熟的半导体工艺相兼容，较为容易实现，且避免了传统结构为获得较低折射率必须使用高Al组分导致的应力失配、生长困难和电学性质变差等困难；
8.由于空气隙/GaN折射率调制层可以实现更低的折射率，因此光场限制能力可以更强，可以将该层减薄而保持相近的限制水平。一般AlGaN限制层厚度在500nm以上，而空气隙/GaN折射率调制层则可以小于300nm，可以进一步减小串联电阻等。
附图说明
图1.采用传统限制层结构的激光二极管与本发明采用空气隙/GaN折射率调制层结构的激光二极管的结构示意图。
图2.空气隙/GaN折射率调制层几何结构示意图，其中：1-激光二极管的下层结构，2-空气隙/GaN折射率调制层，3-p型GaN，4-空气隙。
图3.实例2中对图1所示传统结构与空气隙/GaN折射率调制层结构的光场仿真结果。
图4.实例3中窄脊形金填隙结构的光场仿真结果。
图5.实例4中450nm周期结构(a)、525nm周期结构(b)与传统结构的输出特性与伏安特性对比图。
图6.实例5实施纳米压印等工艺的激光器SEM照片。
图7.实例6折射率调制结构与对照组的反射率测量结果。
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，依次在n掺杂的GaN自支撑同质衬底上外延生长n型AlGaN下限制层、n型或非故意掺杂的GaN下波导层、InGaN多量子阱、p型AlGaN电子阻挡层(EBL)、p型或非故意掺杂的GaN上波导层，在此之后，传统结构会在上波导层上先后生长p型AlGaN上限制层与p型GaN接触层，本发明使用单层空气隙/GaN折射率调制层代替传统的“上限制层+接触层”，该层是由外延平面内、垂直于条形轴向方向上周期或非周期均匀排布的空气隙/p型GaN柱(或孔洞等其它几何结构)构成，如图2所示。空气隙和p型GaN柱几何单元的尺寸在几十到几百纳米之间，可以通过光刻或纳米压印等方式实现，深度100-800nm，优选300nm。而在外延平面内、平行于条形轴向方向或外延平面法向上，p型GaN柱与空气隙的排布可以是组分均一而非交替的。在空气隙/GaN折射率调制层上镀阳极，在衬底侧镀阴极。最后通过后续必要的工艺(在现有常规激光器工艺方案中，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，以及可能用于实施调制折射率层的刻蚀、纳米压印等后工艺步骤)完成激光二极管的制备。
实例1、我们计算了代替传统AlGaN上限制层而取得相同光学限制效果的空气隙/GaN折射率调制层所需要的占空比，例如折射率相同于6％铝组分的限制层，只需要引入1.7％体积占比的空气隙。
在1×1019/cm3镁的掺杂水平下，6％铝组分AlGaN的电阻率ρAlGaN约为0.0172Ωm，而相同镁掺杂浓度下的GaN的电阻率ρGaN则为0.0129Ωm。根据如下公式可以计算电阻：
Figure BDA0003154026600000041
其中L是AlGaN或GaN层厚度，S是AlGaN或GaN层平面面积。假设AlGaN面积表示为SAlGaN，相同器件尺寸下，用空气隙/GaN折射率调制层替代AlGaN，设γ为空气隙的体积占空比，则中GaN的面积为(1-γ)·SAlGaN。本实例中设置空气隙占空比γ为1.7％，则在相同厚度L下空气隙/GaN折射率调制层的电阻表示为：
Figure BDA0003154026600000042
对于没有空气隙的AlGaN光限制层来说，其电阻表示为：
Figure BDA0003154026600000043
代入ρAlGaN＝0.0172Ωm，ρGaN＝0.0129Ωm，γ＝1.7％的数值，可以计算：
Figure BDA0003154026600000044
因此，空气隙/GaN折射率调制层的电阻约比传统AlGaN光限制层小24％，对于减小激光器的电阻损耗有很好的效果。
实例2、我们使用有限元方法分别对图1所示传统结构和空气隙/GaN折射率调制层结构进行了450nm波长的波导模式分析，见图3，其中传统结构中p型AlGaN上限制层的Al组分为6％，空气隙/GaN折射率调制层结构的周期为450nm，空气隙占空比为10％，两种结构脊形宽度均为4.5μm。
传统结构的有源区光限制因子为1.70％，空气隙/GaN折射率调制层结构为1.74％，从图3可见空气隙/GaN折射率调制层结构有更好的光学限制效果，光场更集中于量子阱有源区，较少分布在空气隙/GaN中，减小了光学吸收损耗。
实例3、我们还对另一种窄脊形(2.5μm)结构进行了450nm光学波导模式分析，并且将空气隙填充电极材料金(Au)，以模拟电极金属进入空气隙填隙的情形，如图4所示。并且，由于该GaN/Au层的限制能力较好，我们尝试将该层厚度减小为300nm。其中空气隙/GaN周期为525nm，空气隙占空比10％，空气隙填充Au。
由图4可见，即使填入金属，也不会对光场产生较大影响，这是因为金属实折射率(金在450nm波长实折射率为1.38)远小于GaN，在其中的光场分布可以忽略不计。这对于电极工艺非常友好，提升了可行性。
实例4、我们使用有限元方法对实例2中的450nm周期结构和实例3中的525nm周期结构以及相应的AlGaN传统结构对照组进行了光学电学多物理场仿真，并且将功率-电流(LI)特性与伏安(IV)特性进行对比。
结果如图5所示，可见在两种周期结构中，空气隙/GaN折射率调制层结构与传统结构在相同电流注入水平下发光功率相差很小，但工作电压可以减小约1伏特，这对于器件性能是很大的提升。性能的提升可以用插墙效率来衡量。插墙效率定义为输出光功率与输入电功率的比值。如图5的仿真结果所示，在800mA电流下，实例2中使用空气隙/GaN折射率调制层的实验组(空气隙/GaN周期为450nm，空气隙占比10％，激光器脊形宽度4.5μm)，插墙效率为11.8％，而使用传统AlGaN光限制层的对照组插墙效率为10.4％，插墙效率提升了1.4％，提升幅度为13.5％。同样在800mA电流下，实例3中窄脊激光器使用空气隙/GaN折射率调制层的实验组(空气隙/GaN周期为525nm，空气隙占比10％，激光器脊形宽度2.5μm)，插墙效率为11.5％，而使用传统AlGaN光限制层的对照组插墙效率为10.7％，插墙效率提升了0.8％，提升幅度为7.5％。
实例5、为了验证工艺上的可行性，我们对激光器外延薄膜实施了纳米压印，脊形刻蚀等工艺，并且进行扫面电子显微镜(SEM)观测，得到了图6所示的结果。其中脊形宽6μm，脊深600nm，纳米压印周期535nm，GaN纳米柱直径375nm。其中脊形清晰可见，脊形上覆盖了金属的周期性GaN纳米柱清晰可见，结构完整，与理论与设计预期相符，证实了工艺上的可行性。
实例6、我们对实例5中制备的结构以及没有实施折射率调制的对照组分别进行了反射率测量，结果如图7所示，可见在进行调制后，反射率发生了显著变化，证实了折射率调制层有效地改变了折射率。

Claims (10)

1.一种氮化镓基激光二极管，包括衬底和在衬底上从下到上依次层叠的n型下光限制层、下波导层、有源区、电子阻挡层、上波导层和p型上光限制层，其特征在于，所述p型上光限制层是由p型GaN和空气隙组成的折射率调制层。
2.如权利要求1所述的氮化镓基激光二极管，其特征在于，所述折射率调制层是在p型GaN中周期性或非周期性排布空气隙。
3.如权利要求2所述的氮化镓基激光二极管，其特征在于，所述空气隙是镶嵌在p型GaN中的空气沟道或者空气柱。
4.如权利要求3所述的氮化镓基激光二极管，其特征在于，所述折射率调制层中空气隙的宽度在5～600纳米，深度为p型GaN的厚度，为100～800纳米。
5.如权利要求1所述的氮化镓基激光二极管，其特征在于，所述衬底为n型掺杂的GaN自支撑同质衬底。
6.如权利要求1所述的氮化镓基激光二极管，其特征在于，所述n型下光限制层为n型AlGaN下光限制层。
7.如权利要求1所述的氮化镓基激光二极管，其特征在于，所述下波导层是非故意掺杂或n型掺杂的GaN或InGaN下波导层。
8.如权利要求1所述的氮化镓基激光二极管，其特征在于，所述有源区为InGaN多量子阱。
9.如权利要求1所述的氮化镓基激光二极管，其特征在于，所述电子阻挡层是p型AlGaN电子阻挡层。
10.如权利要求1所述的氮化镓基激光二极管，其特征在于，所述上波导层是p型掺杂或非故意掺杂的GaN或InGaN上波导层。
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