CN116365363A - 激光器外延结构及激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光器外延结构及激光器。所述激光器外延结构包空穴加速结构，所述空穴加速结构包括沿所述指定方向层叠设置在第二波导层与所述第二限制层之间的至少一第一空穴加速层和至少一第二空穴加速层，所述第一空穴加速层为第二掺杂类型，所述第一空穴加速层内的受主杂质浓度低于所述第二限制层和所述电子阻挡层中任一者内的受主杂质浓度，所述第一空穴加速层的势垒低于所述第二限制层和所述电子阻挡层中任一者的势垒，所述第二空穴加速层为二维材料。本发明可以加速空穴的迁移速率，推动更多的空穴进入发光层，从而提高辐射复合的几率，进而提升激光器的发光效率、降低激光器的阈值电压、增加激光器的寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光器，特别涉及一种激光器外延结构及激光器，属于半导体技术领域。
背景技术
氮化镓激光器(LD)是重要的光电子器件，基于GaN材料体系(GaN、InGaN和AlGaN)的激光器将半导体激光器的波长扩展到可见光谱和紫外光谱范围，在显示、照明、医疗、国防安全和金属加工等领域具有巨大的应用前景。
但由于激光器工作电流在kA/cm2量级，其器件中的电流密度非常之大，大量的电子形成高速流、高集中度的涌向InGaN/GaN量子阱结构的发光有源区，与空穴发生复合的同时，还会有很大一部分溢出冲向P型区，造成电子泄露，形成漏电影响GaN基激光器的寿命提升。为此，传统的方法主要在上波导层上增加电子阻挡层(EBL)，以阻挡越过量子阱有源区的电子进入p型上限制层，但是，电子阻挡层阻挡电子的同时，也阻挡了p型区产生的空穴，而空穴本身的质量大、迁移慢，这使得空穴从p侧的量子阱区注入n侧的量子阱区变得更加困难，而这种不均匀的空穴注入会导致激光器阈值电流增大而斜率效率降低等问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种激光器外延结构及激光器，从而克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明一方面提供了一种激光器外延结构，包括沿指定方向依次设置的第一限制层、第一波导层、发光层、第二波导层、电子阻挡层、第二限制层和欧姆接触层，所述第一限制层为第一掺杂类型，所述电子阻挡层、第二限制层和欧姆接触层均为第二掺杂类型；
其中，所述外延结构还包括空穴加速结构，所述空穴加速结构包括沿所述指定方向层叠设置在第二波导层与所述第二限制层之间的至少一第一空穴加速层和至少一第二空穴加速层，所述第一空穴加速层为第二掺杂类型，所述第一空穴加速层内的受主杂质浓度低于所述第二限制层和所述电子阻挡层中任一者内的受主杂质浓度，并且，所述第一空穴加速层的势垒低于所述第二限制层和所述电子阻挡层中任一者的势垒，所述第二空穴加速层为二维材料。
进一步的，所述空穴加速结构设置在所述电子阻挡层与所述第二限制层之间，和/或，所述空穴加速结构设置在所述电子阻挡层与所述第二波导层之间。
进一步的，所述空穴加速结构包括多个所述第一空穴加速层和/或多个所述第二空穴加速层。
进一步的，所述第一空穴加速层和所述第二空穴加速层沿所述指定方向依次交替设置。
进一步的，多个所述第二空穴加速层的厚度沿趋近所述电子阻挡层的方向逐渐增大。
进一步的，多个所述第一空穴加速层的受主杂质浓度沿趋近所述电子阻挡层的方向逐渐增大。
进一步的，所述空穴加速结构靠近所述电子阻挡层的表层结构为所述第二空穴加速层。
进一步的，所述第一空穴加速层与所述第二限制层之间还形成有极化场，所述极化场的矢量方向为自所述第二限制层指向所述发光层的方向，自所述第二限制层向所述发光层运动的空穴能够被所述极化场加速。
进一步的，所述第一空穴加速层的材质包括GaN。
进一步的，所述第一空穴加速层的厚度为5-20nm。
进一步的，所述电子阻挡层中的受主杂质浓度为1E20-1E21cm-3，所述第二限制层中的受主杂质浓度为1E19-1E20cm-3，所述第一空穴加速层的受主杂质浓度为1E16-1E18cm-3。
进一步的，所述第二空穴加速层的材质包括h-BN。
进一步的，所述第二空穴加速层的厚度为5-10nm。
进一步的，所述电子阻挡层与第二限制层均为含Al的III族氮化物材料所组成，且所述第二限制层中的Al含量大于所述电子阻挡层中的Al含量。
进一步的，所述电子阻挡层中的Al含量为5-10at％，所述第二限制层中的Al含量为10-20at％。
进一步的，所述第一波导层和第二波导层的材质均包括InGaN。
进一步的，所述电子阻挡层和第二限制层的材质均包括AlGaN。
进一步的，所述第一掺杂类型为n型，第二掺杂类型为p型。
本发明另一方面还提供了一种激光器，包括所述的激光器外延结构。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
1)本发明提供的一种GaN基激光器外延结构，可以加速空穴的迁移速率，推动更多的空穴进入发光层，从而提高辐射复合的几率，减弱由于p-AlGaN电子阻挡层对空穴的阻挡而致使电压过高的问题，进而提升激光器的发光效率、降低激光器的阈值电压、增加激光器的寿命；
2)本发明提供的一种GaN基激光器外延结构，可以减少高温生长p-AlGaN限制层而导致发光层发生热退化、量子阱产生晶体缺陷的问题，从而进一步提升激光器的质量。
附图说明
图1是GaN基激光器的原理示意图；
图2是本发明实施例1中提供的一种GaN基蓝光激光器外延结构的结构示意图；
图3是本发明实施例2中提供的一种GaN基蓝光激光器外延结构的结构示意图；
图4是本发明实施例3中提供的一种GaN基蓝光激光器外延结构的结构示意图；
图5是本发明实施例4中提供的一种GaN基蓝光激光器外延结构的结构示意图；
图6是本发明实施例5中提供的一种GaN基蓝光激光器外延结构的结构示意图；
图7是本发明实施例6中提供的一种GaN基蓝光激光器外延结构的结构示意图；
图8是本发明对比例1中提供的一种GaN基蓝光激光器外延结构的结构示意图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
如下将结合附图以及具体实施案例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，除非特别说明的之外，本发明实施例中GaN基激光器外延结构中各结构层的厚度等参数可以根据具体情况进行选择，在此不做具体的限定。
请参阅图1，在大电流密度驱动作用下，大量有效质量小、迁移率快的电子从导带底部涌向量子阱发光层，而有效质量大、迁移率慢的空穴则从价带顶部同样向量子阱发光层流动，由于电子和空穴的行为的不匹配，造成电子在量子阱发光层的复合不足，大量的电子越过量子阱发光层到达电子阻挡层并在这里湮灭，而同样的，空穴在行进过程中受到电子阻挡层的阻挡，使得到达量子阱发光层发生复合的空穴则更少了，进而导致辐射复合效率的下降。
本发明提供的一种GaN基激光器外延结构，通过在p-AlGaN电子阻挡层和p-AlGaN限制层之间插入包含交替设置的轻掺Mg的p-GaN层(即up-GaN层)和h-BN层的空穴加速结构，该空穴加速结构可以加速空穴的迁移速率，推动更多的空穴进入发光层，提高辐射复合的几率，减弱由于p-AlGaN电子阻挡层对空穴的阻挡而致使电压过高的问题，从而提升激光器的发光效率、降低激光器的阈值电压、增加激光器的寿命，以及，空穴加速结构中的h-BN层还可以减少高温生长p-AlGaN限制层而导致发光层发生热退化、量子阱产生晶体缺陷的问题，从而进一步提升激光器的质量。
请参阅图2-图7，本发明提供的一种GaN基激光器外延结构，包括沿指定方向依次层叠设置在衬底10上的第一限制层(即下限制层)20、第一波导层(即下波导层)30、发光层(也可称之为发光有源区、量子阱有源区、量子阱发光层、量子阱发光有源区、有源层等)40、第二波导层(即上波导层)50、电子阻挡层(EBL)60、第二限制层(即上限制层)80和欧姆接触层90。
具体的，衬底10为n-GaN同质衬底或具有异质衬底的n-GaN模板；第一限制层20为si掺杂的n-AoGaN层，n-AoGaN层中的Al组分含量为8at％；第一波导层30和第二波导层50均可以为非掺杂的InGaN层，非掺杂的InGaN层的厚度为60nm，In组分含量为3at％。
具体的，发光层40为InGaN/GaN量子阱发光层，InGaN/GaN量子阱发光层包括相互交替层叠的2个周期的InGaN阱层和GaN垒层，InGaN阱层的In组分含量为15at％，InGaN阱层的厚度为3nm，GaN垒层的厚度为7nm。
具体的，电子阻挡层60、第二限制层80均是由含Al的III族氮化物材料所组成，且第二限制层80中的Al含量大于电子阻挡层60中的Al含量，更为具体的，电子阻挡层60、第二限制层80均为Mg掺杂的p-AlGaN层，电子阻挡层60的厚度为25nm，Al组分含量为5-10at％、Mg的掺杂浓度为1E20-1E21cm-3，第二限制层80的厚度为850nm，Al组分含量为10-20at％，Mg的掺杂浓度为1E19-1E20cm-3，欧姆接触层90为Mg高掺杂的p-GaN层，欧姆接触层90的厚度为10nm。
具体的，少数载流子-空穴则主要生产于p型区，即电子阻挡层60、第二限制层80和欧姆接触层90，在第二限制层80和高掺(重掺)的欧姆接触层90产生大量的空穴后，由于重掺Mg能够产生大量空穴，但是由于浓度与迁移率成反比关系，这些空穴的迁移率都很低，如果就这样直接进入用来阻挡电子的电子阻挡层60，由于同样高Al组分的高势垒作用，空穴同样会被阻挡，迁移速度将再次下降，使得穿过电子阻挡层60并进入发光层40的空穴数量更少，复合效率偏低。
针对GaN基激光器中“电子强空穴弱”的根本问题，本发明在第二波导层50和第二限制层80之间设置空穴加速结构(HAL)70，空穴进入电子阻挡层60之前，可以被空穴加速结构70加速，从而加速空穴的迁移速率。
具体的，外延结构可以包括一个或两个空穴加速结构70，当只包含一层空穴加速结构70时，该空穴加速结构70可以设置在电子阻挡层60与第二限制层80之间(如图2和图3所示)或第二波导层50与电子阻挡层60之间(如图4和图5所示)，当包含两个空穴加速结构70时，其中一层空穴加速结构70设置在电子阻挡层60与第二限制层80之间，另一层空穴加速结构70第二波导层50与电子阻挡层60之间(如图6和图7所示)，需要说明的是，该两个空穴加速结构的具体结构以及特征参数(例如结构层数、每一结构层的厚度等)可以是完全相同的，也可以是不完全相同的。
具体的，空穴加速结构70包括沿指定方向层叠设置的至少一第一空穴加速层71和至少一第二空穴加速层72，且至少一第二空穴加速层72直接与电子阻挡层60层叠并接触，其中，第一空穴加速层71为轻掺Mg的弱p型的p-GaN层(即up-GaN层)，第一空穴加速层71的Mg的掺杂浓度为1E16-1E18cm-3，每一第一空穴加速层71的厚度为5-20nm，第二空穴加速层72为h-BN(六方氮化硼)层，每一第二空穴加速层72的厚度为5-10nm，空穴加速结构70的总厚度为30-50nm。
具体的，由于作为第一空穴加速层71的p-GaN层中的Mg为轻掺，p-GaN层的载流子(空穴)浓度很低，相应地，空穴在p-GaN层中的迁移率就会很高，且在空穴浓度差的驱使下，大量来自欧姆接触层90和第二限制层80的空穴在这里可以得到加速；其次，由于作为第一空穴加速层71的GaN相对于第二限制层的AlGaN来说，其Mg-H键的束缚更小(禁带宽度越宽，解除束缚的能力越强，Mg-H键的束缚更强)，空穴在这里可以得到自由的扩散，从而在一定程度上加强了空穴的均匀性分布；再者，GaN相对于AlGaN的势垒更低，在AlGaN/GaN界面处容易产生极化场，即设置在电子阻挡层60与第二限制层80之间的一第一空穴加速层71与第二限制层80之间的界面处形成有极化场，该极化场有助于此处的空穴形成隧穿效应，自第二限制层80向发光层40运动的空穴能够被极化场加速，从而不被电子阻挡层60所阻碍，进而使得更多数量的空穴可以进入发光层，增加了空穴和电子复合的几率，提高了电子和空穴发生辐射复合的几率。
具体的，首先，作为第二空穴加速层的h-BN层具有禁带宽度大、相对介电常数在3～5.1之间可控的特点，在隧穿结结构中能改善电流扩展效率，增加空穴的隧穿几率；因而，具有基于六方氮化硼材料的隧穿结结构的空穴功能层可以提高空穴迁移率，进而提高器件的空穴迁移效率；其次，h-BN的晶格常数小，可以为p-GaN的生长提供应力消除，h-BN与p-GaN交替生长还可提高外延结构的整体质量；再者，h-BN具备较高的材料禁带宽度，能够限制n区电子进入P区，另外，h-BN为二维层状结构，与其他材料可以通过范德瓦尔斯力结合，理想情况下不存在晶格失配的问题，从而缓解GaN和AlGaN之间的晶格失配，h-BN穿插在p-GaN层内，可供空穴自由扩展的空间更大，从而进一步提升对空穴的加速效果，加快空穴的迁移速率。
需要说明的是，GaN与InGaN的势垒差距很小、自发极化效应弱、场强小，因此InGaN/GaN界面处几乎不会产生极化场。
更具体的，如图2和图4所示，当空穴加速结构70包括一层第一空穴加速层71和一层第二空穴加速层72时，第二空穴加速层72层叠设置在第一空穴加速层71与电子阻挡层60之间，且直接与电子阻挡层60接触。
更具体的，如图3和图5所示，当空穴加速结构70包括多层第一空穴加速层71和多层第二空穴加速层72时，多层第一空穴加速层71和多层第二空穴加速层72沿指定方向依次交替层叠，示例性的，空穴加速结构70可以包括3-10层第一空穴加速层71和3-10层第二空穴加速层72。
更具体的，空穴加速结构70中的一层第二空穴加速层72层叠设置在电子阻挡层60上，且直接与电子阻挡层60接触，从而减少第二限制层(p-AlGaN)的高生长温度对发光层的热退化的影响，减少发光层的晶体缺陷；并且，多层第二空穴加速层72的厚度沿趋向电子阻挡层60的方向逐渐增加，多层第一空穴加速层71中Mg的掺杂浓度沿趋向电子阻挡层60的方向逐渐增加，这样不仅可以增加在靠近电子阻挡层60处的空穴迁移速率，同时，在第二空穴加速层72的加速下，还弥补了掺杂浓度增加带来的迁移率低的问题，同时又增加空穴数量。
如下将结合附图以及具体实施案例、对比例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，需要说明的是，本发明中所采用的半导体外延生长所需的工艺、设备以及测试工艺、设备等均可以是本领域技术人员已知的，在此不做特别的限定。
实施例1
请参阅图2，一种GaN基蓝光激光器外延结构，包括依次层叠设置在n-GaN单晶衬底上的n-AlGaN限制层、第一InGaN波导层、InGaN/GaN量子阱发光层、第二InGaN波导层、p-AlGaN电子阻挡层、空穴加速结构、p-AlGaN限制层和p-GaN欧姆接触层。
在本实施例中，n-AlGaN限制层是si掺杂的，n-AlGaN限制层中的Al组分含量为8at％，n-AlGaN限制层的厚度为850nm；第一InGaN波导层是非掺杂的，第一InGaN波导层的厚度为60nm，In组分含量为3at％；
InGaN/GaN量子阱发光层包括相互交替层叠的2个周期的InGaN阱层和GaN垒层，InGaN阱层的In组分含量为15at％，InGaN阱层的厚度为3nm，GaN垒层的厚度为7nm；第二InGaN波导层为非掺杂的，第二InGaN波导层的厚度为60nm，In组分含量为3at％；
p-AlGaN电子阻挡层、p-AlGaN限制层和p-GaN欧姆接触层均为Mg掺杂的，其中，p-AlGaN电子阻挡层的厚度为25nm，Al组分含量为5at％，Mg的掺杂浓度为5E20cm-3，p-AlGaN限制层的厚度为850nm，Al组分含量为15at％，Mg的掺杂浓度为5E19cm-3，p-GaN欧姆接触层的厚度为10nm，p-GaN层为轻掺Mg形成的弱p型，p-GaN层中Mg的掺杂浓度为5E16cm-3，厚度为30nm。
在本实施例中，空穴加速结构包括一层h-BN层和一层up-GaN层，h-BN层和up-GaN层依次层叠设置，h-BN层与p-AlGaN电子阻挡层直接接触，up-GaN层与p-AlGaN限制层直接接触，其中，h-BN层的厚度为5nm，up-GaN层的厚度为5nm，Mg的掺杂浓度为5E16cm-3。
在本实施例中，h-BN层和up-GaN层可以是在同一反应室内依次交替生长获得的，例如，先向反应室内通入氨气和硼源，氨气的通入流量为40000sccm，硼源的通入流量为40sccm，以在p-AlGaN电子阻挡层上生长形成厚度为5nm的h-BN层，再改变通入的生长源，即停止通入硼源，而向反应室内通入镁源和镓源，氨气的通入流量为40000sccm，镁源的通入流量为1500sccm、镓源的通入流量为600sccm，以在h-BN层上生长形成厚度为5nm的up-GaN层，需要说明的是，具体的外延生长设备以及环境条件、硼源、镓源以及镁源等均可以是本领域技术人员已知的。
实施例2
请参阅图3，本实施例中的一种GaN基蓝光激光器外延结构的结构与实施例1中的基本相同，不同之处在于：本实施例中的空穴加速结构包括依次交替层叠设置的四层h-BN层和四层up-GaN层，其中一层h-BN层与p-AlGaN电子阻挡层直接接触，一层up-GaN层与p-AlGaN限制层直接接触，该四层h-BN层的厚度沿趋向p-AlGaN电子阻挡层的方向依次增加，该四层h-BN层的厚度依次为5nm、6nm、7nm、8nm，该四层up-GaN层的厚度均为6nm，且该四层up-GaN层的Mg的掺杂浓度沿趋向p-AlGaN电子阻挡层的方向依次增加，该四层up-GaN层的Mg的掺杂浓度分别为1E16cm-3、7E16cm-3、1E17cm-3、5E17cm-3。
实施例3
请参阅图4，本实施例中的一种GaN基蓝光激光器外延结构的结构与实施例1中的基本相同，不同之处在于：本实施例中的空穴加速结构设置在第二InGaN波导层与p-AlGaN电子阻挡层之间，需要说明的是，该空穴加速结构中的h-BN层与p-AlGaN电子阻挡层直接接触。
实施例4
请参阅图5，本实施例中的一种GaN基蓝光激光器外延结构的结构与实施例2中的基本相同，不同之处在于：本实施例中的空穴加速结构设置在第二InGaN波导层与p-AlGaN电子阻挡层之间，需要说明的是，该空穴加速结构中的一层h-BN层与p-AlGaN电子阻挡层直接接触。
实施例5
请参阅图6，本实施例中的一种GaN基蓝光激光器外延结构的结构与实施例1或实施例3中的基本相同，不同之处在于：本实施例中的外延结构包括两个空穴加速结构，其中一空穴加速结构设置在第二InGaN波导层和p-AlGaN电子阻挡层之间，另一空穴加速结构设置在p-AlGaN电子阻挡层和p-AlGaN限制层之间，需要说明的是，该两个空穴加速结构中的h-BN层均与p-AlGaN电子阻挡层直接接触。
实施例6
请参阅图7，本实施例中的一种GaN基蓝光激光器外延结构的结构与实施例2或实施例4中的基本相同，不同之处在于：本实施例中的外延结构包括两个空穴加速结构，其中一空穴加速结构设置在第二InGaN波导层和p-AlGaN电子阻挡层之间，另一空穴加速结构设置在p-AlGaN电子阻挡层和p-AlGaN限制层之间，需要说明的是，该两个空穴加速结构中的一h-BN层均与p-AlGaN电子阻挡层直接接触。
对比例1
请参阅图8，一种GaN基蓝光激光器外延结构，包括依次层叠设置在n-GaN单晶衬底10上的n-AlGaN限制层、第一InGaN波导层、InGaN/GaN量子阱发光层、第二InGaN波导层、p-AlGaN电子阻挡层、p-AlGaN限制层和p-GaN欧姆接触层。
在本实施例中，n-AlGaN限制层是si掺杂的，n-AlGaN限制层中的Al组分含量为8at％，n-AlGaN限制层的厚度为850nm；第一InGaN波导层是非掺杂的，第一InGaN波导层的厚度为60nm，In组分含量为3at％；InGaN/GaN量子阱发光层包括相互交替层叠的2个周期的InGaN阱层和GaN垒层，InGaN阱层的In组分含量为15at％，InGaN阱层的厚度为3nm，GaN垒层的厚度为7nm；第二InGaN波导层为非掺杂的，第二InGaN波导层的厚度为60nm，In组分含量为3at％；p-AlGaN电子阻挡层、p-AlGaN限制层和p-GaN欧姆接触层均为Mg掺杂的，其中，p-AlGaN电子阻挡层的厚度为25nm，Al组分含量为5at％，Mg的掺杂浓度为5E20cm-3，p-AlGaN限制层的厚度为850nm，Al组分含量为15at％，p-GaN欧姆接触层的厚度为10nm。
采用芯片工艺将实施例1-实施例6以及对比例1中的GaN基蓝光激光器外延结构加工形成GaN基蓝光激光器分别对获得的GaN基蓝光激光器进行性能测试(测试所采用的测试设备和方法均为本领域技术人员已知的)，经测试获悉，在激射波长基本不变的情况下，相较于基于对比例1获得的GaN基激光器，由本发明实施例获得的GaN基激光器的光功率和寿命明显增加，激光器的阈值电压和阈值电流都得到了改善，从而验证了本发明提供的GaN基激光器外延结构可以提高迁移至发光层的空穴的数量，提高空穴和电子发生辐射复合的几率及改善阈值电压升高等问题。
需要说明的是，尽管单独在第二波导层与电子阻挡层之间设置空穴加速结构能够对穿过电子阻挡层的空穴进行加速，提高其迁移率，但由于电子阻挡层阻挡了很大一部分空穴，导致单独在第二波导层与电子阻挡层之间设置空穴加速结构对提高进入发光层的空穴数量的效果贡献并不明显，但其仍能够在高温生长限制层时保护发光层，降低发光层的量子阱的晶体缺陷。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种激光器外延结构，包括沿指定方向依次设置的第一限制层、第一波导层、发光层、第二波导层、电子阻挡层、第二限制层和欧姆接触层，所述第一限制层为第一掺杂类型，所述电子阻挡层、第二限制层和欧姆接触层均为第二掺杂类型，其特征在于：
所述外延结构还包括空穴加速结构，所述空穴加速结构包括沿所述指定方向层叠设置在第二波导层与所述第二限制层之间的至少一第一空穴加速层和至少一第二空穴加速层，所述第一空穴加速层为第二掺杂类型，所述第一空穴加速层内的受主杂质浓度低于所述第二限制层和所述电子阻挡层中任一者内的受主杂质浓度，并且，所述第一空穴加速层的势垒低于所述第二限制层和所述电子阻挡层中任一者的势垒，所述第二空穴加速层为二维材料。
2.根据权利要求1所述的激光器外延结构，其特征在于：所述空穴加速结构设置在所述电子阻挡层与所述第二限制层之间，和/或，所述空穴加速结构设置在所述电子阻挡层与所述第二波导层之间。
3.根据权利要求2所述的激光器外延结构，其特征在于：所述空穴加速结构包括多个所述第一空穴加速层和/或多个所述第二空穴加速层；
优选的，所述第一空穴加速层和所述第二空穴加速层沿所述指定方向依次交替设置。
4.根据权利要求3所述的激光器外延结构，其特征在于：多个所述第二空穴加速层的厚度沿趋近所述电子阻挡层的方向逐渐增大；
和/或，多个所述第一空穴加速层的受主杂质浓度沿趋近所述电子阻挡层的方向逐渐增大。
5.根据权利要求3所述的激光器外延结构，其特征在于：所述空穴加速结构靠近所述电子阻挡层的表层结构为所述第二空穴加速层。
6.根据权利要求2或3所述的激光器外延结构，其特征在于：所述第一空穴加速层与所述第二限制层之间还形成有极化场，所述极化场的矢量方向为自所述第二限制层指向所述发光层的方向，自所述第二限制层向所述发光层运动的空穴能够被所述第二极化场加速。
7.根据权利要求1或3所述的激光器外延结构，其特征在于：所述第一空穴加速层的材质包括GaN；
优选的，所述第一空穴加速层的厚度为5-20nm；
优选的，所述电子阻挡层中的受主杂质浓度为1E20-1E21cm-3，所述第二限制层中的受主杂质浓度为1E19-1E20cm-3，所述第一空穴加速层的受主杂质浓度为1E16-1E18cm-3。
8.根据权利要求1或3所述的激光器外延结构，其特征在于：所述第二空穴加速层的材质包括h-BN；
优选的，所述第二空穴加速层的厚度为5-10nm。
9.根据权利要求1所述的激光器外延结构，其特征在于：所述电子阻挡层与第二限制层均为含Al的III族氮化物材料所组成，且所述第二限制层中的Al含量大于所述电子阻挡层中的Al含量；
优选的，所述电子阻挡层中的Al含量为5-10at％，所述第二限制层中的Al含量为10-20at％；
和/或，所述第一波导层和第二波导层的材质均包括InGaN；
和/或，所述电子阻挡层和第二限制层的材质均包括A1GaN；
和/或，所述第一掺杂类型为n型，第二掺杂类型为p型。
10.一种激光器，其特征在于包括权利要求1-9中任一项所述的激光器外延结构。
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Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20130022439A (ko) * | 2011-08-22 | 2013-03-07 | 엘지이노텍 주식회사 | 발광소자, 발광 소자 제조방법 및 발광 소자 패키지 |
| CN103681999A (zh) * | 2012-09-14 | 2014-03-26 | 台积固态照明股份有限公司 | 具有嵌入空穴注入层以提高效率和下降率的光子器件 |
| KR20160022750A (ko) * | 2014-08-20 | 2016-03-02 | 서울바이오시스 주식회사 | 정공 주입 효율이 강화된 활성층을 가지는 반도체 발광소자 |
| US20170141194A1 (en) * | 2015-11-12 | 2017-05-18 | U.S. Army Research Laboratory Attn: Rdrl-Loc-I | Semiconductor electronic device formed of 2-d van der waals material whose free charge carrier concentration is determined by adjacent semiconductor's polarization |
| CN107069433A (zh) * | 2017-06-20 | 2017-08-18 | 中国科学院半导体研究所 | GaN基紫外激光器晶圆、激光器芯片及激光器及其制备方法 |
| CN111682088A (zh) * | 2020-06-30 | 2020-09-18 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于范德华异质结的隧穿型光电探测器及其制备方法 |
| CN112655098A (zh) * | 2018-09-10 | 2021-04-13 | 科莱约纳诺公司 | 具有用于发射或检测光的结构的半导体器件 |
| CN114709305A (zh) * | 2022-03-11 | 2022-07-05 | 安徽格恩半导体有限公司 | 一种具有电子散射与空穴加速量子垒层的半导体发光元件 |
| CN115132892A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-09-30 | 淮安澳洋顺昌光电技术有限公司 | 一种发光二极管外延结构及发光二极管 |
| CN115603173A (zh) * | 2021-07-08 | 2023-01-13 | 北京飓芯科技有限公司（Cn） | 基于空气隙调制折射率光限制层的氮化镓基激光二极管 |
-
2023
- 2023-03-22 CN CN202310286716.1A patent/CN116365363A/zh active Pending
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20130022439A (ko) * | 2011-08-22 | 2013-03-07 | 엘지이노텍 주식회사 | 발광소자, 발광 소자 제조방법 및 발광 소자 패키지 |
| CN103681999A (zh) * | 2012-09-14 | 2014-03-26 | 台积固态照明股份有限公司 | 具有嵌入空穴注入层以提高效率和下降率的光子器件 |
| KR20160022750A (ko) * | 2014-08-20 | 2016-03-02 | 서울바이오시스 주식회사 | 정공 주입 효율이 강화된 활성층을 가지는 반도체 발광소자 |
| US20170141194A1 (en) * | 2015-11-12 | 2017-05-18 | U.S. Army Research Laboratory Attn: Rdrl-Loc-I | Semiconductor electronic device formed of 2-d van der waals material whose free charge carrier concentration is determined by adjacent semiconductor's polarization |
| CN107069433A (zh) * | 2017-06-20 | 2017-08-18 | 中国科学院半导体研究所 | GaN基紫外激光器晶圆、激光器芯片及激光器及其制备方法 |
| CN112655098A (zh) * | 2018-09-10 | 2021-04-13 | 科莱约纳诺公司 | 具有用于发射或检测光的结构的半导体器件 |
| CN111682088A (zh) * | 2020-06-30 | 2020-09-18 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于范德华异质结的隧穿型光电探测器及其制备方法 |
| CN115603173A (zh) * | 2021-07-08 | 2023-01-13 | 北京飓芯科技有限公司（Cn） | 基于空气隙调制折射率光限制层的氮化镓基激光二极管 |
| CN115132892A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-09-30 | 淮安澳洋顺昌光电技术有限公司 | 一种发光二极管外延结构及发光二极管 |
| CN114709305A (zh) * | 2022-03-11 | 2022-07-05 | 安徽格恩半导体有限公司 | 一种具有电子散射与空穴加速量子垒层的半导体发光元件 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 郭宝增;宫娜;师建英;王志宇;: "纤锌矿相GaN空穴输运特性的Monte Carlo模拟研究", 物理学报, no. 05, 12 May 2006 (2006-05-12) * |
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