CN115733052A - 一种紫外激光器外延片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紫外激光器外延片及其制备方法，该制备方法包括：在n型GaN层上制备第一AlGaN限制层，其中，第一AlGaN限制层的Al的组分浓度沿第一方向增加，第一方向为n型GaN层朝向第一AlGaN限制层的方向；在第一AlGaN限制层上制备第一波导层；在第一波导层上制备量子阱发光层，其中，量子阱发光层的发光波长范围包括330nm至390nm；在量子阱发光层上制备第二波导层；以及在第二波导层上制备第二AlGaN限制层，其中，第二AlGaN限制层的Al的组分浓度沿第一方向减小。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，尤其一种紫外激光器外延片及其制备方法。
背景技术
GaN基材料也称为III族氮化物材料(包括InN、GaN、AlN、InGaN、AlGaN等，其禁带宽度范围为0.7～6.2eV)，其光谱覆盖了近红外到深紫外波段，被认为是继Si、GaAs之后的第三代半导体，在光电子学领域有重要的应用价值。与蓝绿光激光器相比，紫外激光器难度更大。到目前为止，仅有日本日亚公司可以生长375nm紫外激光器产品，但单管芯售价高达几万元。国际上可以实现紫外激射的科研单位也仅有日本、美国和中国的少数几家单位。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种紫外激光器外延片及其制备方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
作为本发明的一个方面，公开了一种紫外激光器外延片的制备方法，包括：
在n型GaN层上制备第一AlGaN限制层，其中，第一AlGaN限制层的Al的组分浓度沿第一方向增加，第一方向为上述n型GaN层朝向第一AlGaN限制层的方向；
在第一AlGaN限制层上制备第一波导层；
在第一波导层3上制备量子阱发光层，其中，量子阱发光层的发光波长范围包括330nm至390nm；
在量子阱发光层上制备第二波导层；以及
在第二波导层上制备第二AlGaN限制层，其中，第二AlGaN限制层的Al的组分浓度沿第一方向减小。
作为本发明的另一方面，还公开了一种紫外激光器外延片，包括：
n型GaN层1；
第一AlGaN限制层2，设置在所述n型GaN层1上，其中，所述第一AlGaN限制层2的Al的组分浓度沿第一方向增加，所述第一方向为所述n型GaN层1朝向所述第一AlGaN限制层2的方向；
第一波导层3，设置在所述第一AlGaN限制层2上；
量子阱发光层4，设置在所述第一波导层3上，其中，所述量子阱发光层4的发光波长范围包括330nm至390nm；
第二波导层5，设置在所述量子阱发光层4上；以及
第二AlGaN限制层6，设置在所述第二波导层5上，其中，所述第二AlGaN限制层6的Al的组分浓度沿所述第一方向减小；
其中，所述第一AlGaN限制层2与所述第二AlGaN限制层6用于阻止载流子泄漏。
基于以上技术方案，本发明的一种紫外激光器外延片及其制备方法至少具有如下有益效果之一：
本发明提供的紫外激光器外延片及其制备方法，通过将均一组分或者超晶格结构的AlGaN上下限制层改为Al组分渐变的限制层(即第一AlGaN限制层与第二AlGaN限制层)，一方面使得AlGaN限制层与波导层(即第一AlGaN限制层与第一波导层之间，第二AlGaN限制层与第二波导层之间)的组分差增加，从而增加激光器的光场限制，另一方面采用Al组分渐变的极化掺杂可以减少Mg掺杂剂的并入，有效的降低激光器的吸收损耗，同时去掉高Al组分AlGaN电子阻挡层，降低紫外激光器的工作电压，提高载流子的限制作用，防止载流子的泄漏，最终提高紫外激光器的性能。
附图说明
图1是本发明实施例中提供的紫外激光器外延片制备方法流程图；
图2是本发明实施例中提供的紫外激光器外延片结构示意图。
附图标记说明
1：n型GaN层；
2：第一AlGaN限制层；
3：第一波导层；
4：量子阱发光层；
5：第二波导层；
6：第二AlGaN限制层；
7：衬底；
8：GaN成核层；
9：非掺杂GaN层；
10：p型GaN层。
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。
目前，制约紫外激光器激射的主要难点在于：
(1)由于紫外激光器的量子阱In组分很低，或者完全没有In造成紫外激光器的量子阱发光效率低。
(2)由于紫外激光器采用大量高Al组分AlGaN，造成外延片应力大，易出现裂纹。
(3)高Al组分n型AlGaN层和p型AlGaN层掺杂困难，造成紫外激光器的器件电阻大，载流子注入效率低。
(4)AlGaN/(Al,In)GaN量子阱阱深度浅，造成载流子泄漏量大，尤其是大电流(例如电流可以为3A)注入情况下，电子和空穴存在严重的泄漏问题。
本发明公开了一种紫外激光器外延片的制备方法，包括：
一种紫外激光器外延片的制备方法，包括：
在n型GaN层1上制备第一AlGaN限制层2，其中，上述第一AlGaN限制层2的Al的组分浓度沿第一方向增加，上述第一方向为上述n型GaN层1朝向上述第一AlGaN限制层2的方向；
在上述第一AlGaN限制层2上制备第一波导层3；
在上述第一波导层3上制备量子阱发光层4，其中，上述量子阱发光层4的发光波长范围包括330nm至390nm；
在上述量子阱发光层4上制备第二波导层5；以及
在上述第二波导层5上制备第二AlGaN限制层6，其中，上述第二AlGaN限制层6的Al的组分浓度沿上述第一方向减小。
在本发明的一些实施例中，上述第一AlGaN限制层2与上述第二AlGaN限制层6的Al的组分浓度为5％至30％。
在本发明的一些实施例中，上述第一AlGaN限制层2的制备温度为1000℃至1200℃；
上述第一AlGaN限制层2的厚度为0.5μm至1μm。
在本发明的一些实施例中，上述第二AlGaN限制层6的制备温度为1000℃至1200℃；
上述第二AlGaN限制层6的厚度为0.5μm至1μm。
在本发明的一些实施例中，
上述第一AlGaN限制层2中硅的掺杂浓度为0；
上述第二AlGaN限制层6中镁的掺杂浓度为0。
在本发明的一些实施例中，上述制备方法还包括：
在衬底7上制备GaN成核层8；
在上述GaN成核层8上制备非掺杂GaN层9；
在上述非掺杂GaN层9上制备上述n型GaN层1；以及
在上述第二AlGaN限制层6上制备p型GaN层10。
在本发明的一些实施例中，上述GaN成核层8的制备温度为500℃至620℃；
上述GaN成核层8的厚度为20nm至30nm。
在本发明的一些实施例中，上述衬底7包括蓝宝石衬底、氮化镓衬底、碳化硅衬底或硅衬底中的任意一个。
本发明还公开了一种紫外激光器外延片，包括：
n型GaN层1；
第一AlGaN限制层2，设置在上述n型GaN层1上，其中，上述第一AlGaN限制层2的Al的组分浓度沿第一方向增加，上述第一方向为上述n型GaN层1朝向上述第一AlGaN限制层2的方向；
第一波导层3，设置在上述第一AlGaN限制层2上；
量子阱发光层4，设置在上述第一波导层3上，其中，上述量子阱发光层4的发光波长范围包括330nm至390nm；
第二波导层5，设置在上述量子阱发光层4上；以及
第二AlGaN限制层6，设置在上述第二波导层5上，其中，上述第二AlGaN限制层6的Al的组分浓度沿上述第一方向减小；
其中，上述第一AlGaN限制层2与上述第二AlGaN限制层6用于阻止载流子泄漏。
在本发明的一些实施例中，上述紫外激光器外延片还包括：
衬底7；
GaN成核层8，设置在上述衬底7上；
非掺杂GaN层9，设置在上述GaN成核层8上，其中，上述n型GaN层1设置在上述非掺杂GaN层9上；以及
p型GaN层10，设置在上述第二AlGaN限制层6上。
图1是本发明实施例中提供的紫外激光器外延片制备方法流程图。
在本发明的实施例中，公开了一种紫外激光器外延片制备方法，如图1所示，包括：
S1：对衬底7上制备GaN成核层8。
在本实施例中，将衬底7在氢气气氛里进行退火，清洁上述衬底表面，上述衬底可以包括蓝宝石、氮化镓、碳化硅或硅衬底。
在本实施例中，将温度下降到500～620℃，例如，500℃、530℃、580℃、620℃，生长厚度为20～30nm的GaN成核层8，为后续生长材料提供成核中心。GaN成核层8的厚度例如可以为20nm、25nm、30nm。
S2：在GaN成核层8上制备非掺杂GaN层9。
在本实施例中，在GaN成核层8上外延生长的非掺杂GaN层9，以为后续材料优质生长的提供模板。
S3：在非掺杂GaN层9上制备n型GaN层1。
S4：在n型GaN层1上制备第一AlGaN限制层2。
在本实施例中，在的n型GaN层1上制备的第一AlGaN限制层2，第一AlGaN限制层2的Al的组分浓度沿n型GaN层1朝向第一AlGaN限制层2的方向增加，利用极化效应，实现第一AlGaN限制层2内高电子浓度。
在本实施例中，第一AlGaN限制层2中的Al的组分浓度可以包括5％～30％，例如，5％、10％、15％、25％、30％。该第一AlGaN限制层2的制备温度可以包括1000℃～1200℃，例如1000℃、1100℃、1200℃；该第一AlGaN限制层2的厚度可以包括0.5μm～1μm，例如0.5μm、0.75μm、1μm；该第一AlGaN限制层2中硅的掺杂浓度可以包括0。
S5：在第一AlGaN限制层2上制备第一波导层3。
在本实施例中，在第一AlGaN限制层2上制备第一波导层3，利用第一AlGaN限制层2与非掺杂下波导层之间的折射率差使光被限制在波导层中。由于第一AlGaN限制层2中Al的组分逐渐增加，在平均Al组分相同时，靠近第一波导层3的第一AlGaN限制层2组分比采用均一组分或超晶格结构AlGa的Al组分高，这使得第一AlGaN限制层2与第一波导层3之间的组分差增加，从而增加激光器的光场限制。
S6：在第一波导层3上制备量子阱发光层4，其中，上述量子阱发光层4结构可以包括量子阱子层和量子垒子层组成的单量子阱结构，其中量子阱子层为AlGaN或者GaN或者InGaN或者AlInGaN材料，量子垒子层为AlGaN或者GaN，上述量子阱发光层5的发光波长范围包括300nm～390nm，例如，300nm、330nm、340nm、350nm、390nm。但不仅限于此，量子阱发光层5还可以包括多量子阱结构。
S7：在量子阱发光层4上制备第二波导层5。
S8：在第二波导层5上制备第二AlGaN限制层6，利用第二AlGaN限制层6与第二波导层5之间的折射率差使光被限制在波导层中，其中，第二AlGaN限制层6的Al的组分浓度沿n型GaN层1朝向第一AlGaN限制层2的方向减少，利用极化效应，实现第二AlGaN限制层6内高空穴浓度，解决了现有的高Al组分p型AlGaN层掺杂困难的技术问题，同时减少Mg掺杂浓度，降低紫外激光器吸收损耗。此外，由于第二AlGaN限制层6中Al的组分沿远离第二波导层5的方向逐渐减小，靠近第二波导层5的第二AlGaN限制层6的Al组分较高，可以有效的阻止载流子的泄漏。
在本实施例中，第二AlGaN限制层6中的Al的组分浓度可以包括5％～30％，例如，5％、10％、15％、25％、30％；该第二AlGaN限制层6的制备温度可以包括1000℃～1200℃，例如1000℃、1100℃、1200℃；该第二AlGaN限制层6的厚度可以包括0.5μm～1μm，例如0.5μm、0.75μm、1μm；该第二AlGaN限制层6中镁的掺杂浓度可以为0。
S9：在第二AlGaN限制层6上制备p型GaN层10，形成紫外激光器外延片的欧姆接触层。
图2是本发明实施例中提供的紫外激光器外延片结构示意图。
在本发明的一个实施例中，还公开了一种紫外激光器外延片，
如图2所示，紫外激光器外延片包括：
GaN成核层8，设置在衬底7上；
非掺杂GaN层9，设置在GaN成核层8上；
n型GaN层1，设置在非掺杂GaN层9上；
第一AlGaN限制层2，设置在n型GaN层1上，其中，第一AlGaN限制层2的Al的组分浓度沿第一方向增加，第一方向为n型GaN层1朝向第一AlGaN限制层2的方向；
第一波导层3，设置在第一AlGaN限制层2上；
量子阱发光层4，设置在第一波导层3上，其中，量子阱发光层4的发光波长范围包括330nm至390nm；
第二波导层5，设置在量子阱发光层4上；
第二AlGaN限制层6，设置在第二波导层5上，其中，第二AlGaN限制层6的Al的组分浓度沿第一方向减小；
p型GaN层10，设置在第二AlGaN限制层6上。
在本实施例中，该紫外激光器外延片及其制备方法中，没有采用相关技术中的高Al组分的p型AlGaN电子阻挡层(EBL)，而利用靠近波导层的高Al组分AlGaN与波导层形成势垒，即通过在第一AlGaN限制层2上设置第一波导层3，第一AlGaN限制层2的Al的组分在靠近第一波导层3的方向逐渐增加；且在第二波导层5上设置第二AlGaN限制层6，第二AlGaN限制层6的Al的组分在靠近第二波导层5的方向逐渐增加，，实现对载流子的阻挡。去掉了高Al组分AlGaN电子阻挡层，可以降低紫外激光器的工作电压，提高载流子的注入效率，防止载流子的泄漏，最终提高紫外激光器的性能。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
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 (10)
1.一种紫外激光器外延片的制备方法，包括：
在n型GaN层(1)上制备第一AlGaN限制层(2)，其中，所述第一AlGaN限制层(2)的Al的组分浓度沿第一方向增加，所述第一方向为所述n型GaN层(1)朝向所述第一AlGaN限制层(2)的方向；
在所述第一AlGaN限制层(2)上制备第一波导层(3)；
在所述第一波导层(3)上制备量子阱发光层(4)，其中，所述量子阱发光层(4)的发光波长范围包括330nm至390nm；
在所述量子阱发光层(4)上制备第二波导层(5)；以及
在所述第二波导层(5)上制备第二AlGaN限制层(6)，其中，所述第二AlGaN限制层(6)的Al的组分浓度沿所述第一方向减小。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，
所述第一AlGaN限制层(2)与所述第二AlGaN限制层(6)的Al的组分浓度为5％至30％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其中，
所述第一AlGaN限制层(2)的制备温度为1000℃至1200℃；
所述第一AlGaN限制层(2)的厚度为0.5μm至1μm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其中，
所述第二AlGaN限制层(6)的制备温度为1000℃至1200℃；
所述第二AlGaN限制层(6)的厚度为0.5μm至1μm。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其中，
所述第一AlGaN限制层(2)中硅的掺杂浓度为0；
所述第二AlGaN限制层(6)中镁的掺杂浓度为0。
6.根据权利要求1所述的制备方法，还包括：
在衬底(7)上制备GaN成核层(8)；
在所述GaN成核层(8)上制备非掺杂GaN层(9)；
在所述非掺杂GaN层(9)上制备所述n型GaN层(1)；以及
在所述第二AlGaN限制层(6)上制备p型GaN层(10)。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其中，
所述GaN成核层(8)的制备温度为500℃至620℃；
所述GaN成核层(8)的厚度为20nm至30nm。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其中，
所述衬底(7)包括蓝宝石衬底、氮化镓衬底、碳化硅衬底或硅衬底中的任意一个。
9.一种紫外激光器外延片，包括：
n型GaN层(1)；
第一AlGaN限制层(2)，设置在所述n型GaN层(1)上，其中，所述第一AlGaN限制层(2)的Al的组分浓度沿第一方向增加，所述第一方向为所述n型GaN层(1)朝向所述第一AlGaN限制层(2)的方向；
第一波导层(3)，设置在所述第一AlGaN限制层(2)上；
量子阱发光层(4)，设置在所述第一波导层(3)上，其中，所述量子阱发光层(4)的发光波长范围包括330nm至390nm；
第二波导层(5)，设置在所述量子阱发光层(4)上；以及
第二AlGaN限制层(6)，设置在所述第二波导层(5)上，其中，所述第二AlGaN限制层(6)的Al的组分浓度沿所述第一方向减小；
其中，所述第一AlGaN限制层(2)与所述第二AlGaN限制层(6)用于阻止载流子泄漏。
10.根据权利要求9所述的紫外激光器外延片，还包括：
衬底(7)；
GaN成核层(8)，设置在所述衬底(7)上；
非掺杂GaN层(9)，设置在所述GaN成核层(8)上，其中，所述n型GaN层(1)设置在所述非掺杂GaN层(9)上；以及
p型GaN层(10)，设置在所述第二AlGaN限制层(6)上。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202111401026.3A CN115733052A (zh) | 2021-11-19 | 2021-11-19 | 一种紫外激光器外延片及其制备方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116247506A (zh) * | 2023-05-12 | 2023-06-09 | 武汉鑫威源电子科技有限公司 | 一种高性能氮化镓基激光器及其N型GaN层和生长方法 |
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2021
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Cited By (2)
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| CN116247506A (zh) * | 2023-05-12 | 2023-06-09 | 武汉鑫威源电子科技有限公司 | 一种高性能氮化镓基激光器及其N型GaN层和生长方法 |
| CN116247506B (zh) * | 2023-05-12 | 2023-08-29 | 武汉鑫威源电子科技有限公司 | 一种高性能氮化镓基激光器及其N型GaN层和生长方法 |
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