CN116937331B - 一种半导体激光器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种半导体激光器及其制备方法。制备方法包括：提供衬底；在衬底的一侧依次制备第一限制层、第一波导层、量子阱有源层和第二波导层；在第二波导层背离量子阱有源层的一侧依次制备多层子限制层，多层子限制层构成第二限制层；其中，子限制层为p型掺杂层，沿多层子限制层层叠的方向，位于中间的子限制层的掺杂浓度大于位于两侧的子限制层的掺杂浓度；在第二限制层背离第二波导层的一侧制备接触层。本发明中，对第二限制层的生长工艺进行优化，既可保证掺杂离子在第二限制层中的有效激活，满足第二限制层低电阻率的要求，还可减少第二限制层中杂质的引入，减少激光器的内部损耗，提升激光器性能。

Description

一种半导体激光器及其制备方法
技术领域
本发明实施例涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种半导体激光器及其制备方法。
背景技术
氮化镓（GaN）基激光器具有方向性好、亮度高、颜色纯以及在大电流注入下保持高效率的特点，是一种高纯度和高亮度的光源。GaN基激光器的光功率密度远高于LED基激光器，在激光照明、激光显示、激光直写光刻、水下蓝光通信及高功率金属加工等领域有着不可替代的巨大应用前景，近年来受到极大关注。P型掺杂的铝镓氮（pAlGaN）经常被用作GaN基激光器的上限制层，目前应用较多的为镁（Mg）掺杂，由于Mg在AlGaN中的电离能很大，会影响pAlGaN上限制层的导电性；同时，Mg掺杂浓度较大也会对光损耗造成影响；另外，低电阻率的pAlGaN上限制层往往需要Mg在AlGaN实现有效激活，因此，上限制层中Mg的掺杂情况对该层性能影响较大，且上限制层对器件的电压参数以及器件可靠性均起着关键作用，对器件的整体性能改善至关重要。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种半导体激光器及其制备方法，以提出一种优化的半导体激光器中上限制层的生长方法，提升半导体激光器的整体性能。
第一方面，本发明实施例提供了一种半导体激光器的制备方法，包括：
提供衬底；
在所述衬底的一侧依次制备第一限制层、第一波导层、量子阱有源层和第二波导层；
在所述第二波导层背离所述量子阱有源层的一侧依次制备多层子限制层，多层所述子限制层构成第二限制层；其中，所述子限制层为p型掺杂层，沿多层所述子限制层层叠的方向，位于中间的所述子限制层的掺杂浓度大于位于两侧的所述子限制层的掺杂浓度；
在所述第二限制层背离所述第二波导层的一侧制备接触层。
第二方面，本发明实施例还提供了一种半导体激光器，包括层叠设置的衬底、第一限制层、第一波导层、量子阱有源层、第二波导层、第二限制层和接触层；
所述第二限制层包括层叠设置的多层子限制层；其中，所述子限制层为p型掺杂层，沿多层所述子限制层层叠的方向，位于中间的所述子限制层的掺杂浓度大于位于两侧的所述子限制层的掺杂浓度。
本发明实施例提供的半导体激光器的制备方法，包括如下步骤：提供衬底；在衬底的一侧依次制备第一限制层、第一波导层、量子阱有源层和第二波导层；在第二波导层背离量子阱有源层的一侧依次制备多层子限制层，多层子限制层构成第二限制层；其中，子限制层为p型掺杂层，沿多层子限制层层叠的方向，位于中间的子限制层的掺杂浓度大于位于两侧的子限制层的掺杂浓度；在第二限制层背离第二波导层的一侧制备接触层。中间较高掺杂浓度的子限制层的存在可保证掺杂离子在第二限制层中的有效激活，降低p型层的串联电阻，以满足第二限制层低电阻率的要求，降低激光器的工作电压。另外，两侧掺杂浓度较高的子限制层的存在可减少第二限制层中杂质的引入，减少深能级缺陷，进而减少光损耗；同时也能避免第二限制层的吸收系数较大，减少激光器的内部损耗，提升激光器性能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种半导体激光器的制备方法的流程图；
图2为图1所示制备方法的示意图；
图3为本发明实施例提供的一种生长气氛与掺杂浓度的关系曲线图；
图4为本发明实施例提供的一种器件光通量维持率的变化曲线图；
图5为本发明实施例提供的一种半导体激光器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的子系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
类似地，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在下面对本发明示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。
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。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
相关技术中，GaN基激光器中上限制层为单层结构，发明人研究发现，当上限制层为单层结构时，上限制层中p型离子的掺杂浓度的调控难度较大，难以达到较优的掺杂效果，影响器件性能。基于上述问题，本申请提出了一种半导体激光器的制备方法，图1为本发明实施例提供的一种半导体激光器的制备方法的流程图，图2为图1所示制备方法的示意图，可参考图1和图2，该制备方法包括：
S110、提供衬底。
可选的，参考图2中（a）图，衬底1可为蓝宝石衬底、碳化硅（SiC）衬底或GaN衬底，衬底1可包括蓝宝石-GaN衬底，SiC-GaN衬底等，本发明实施例对此不作限定。作为一可选实施例，衬底1可为n型掺杂的GaN衬底，具体可为硅（Si）掺杂的GaN衬底，Si掺杂浓度为1×1018~2×1018cm-3，但不限于此。
S120、在衬底的一侧依次制备第一限制层、第一波导层、量子阱有源层和第二波导层。
进一步地，参考图2中（b）图，可先在衬底1的一侧表面制备第一限制层2，第一限制层2为下限制层。限制层是半导体激光器中的一种重要结构，在激光器中扮演着限制电子和空穴注入、限制光的传播等关键作用。限制层可以限制载流子注入，使得电流主要注入到激光介质区域，从而提高激光输出功率，降低阈值电流和确保单模输出；限制层还可以限制激光光波的传播，使得激光波沿着限制层的方向传播，从而减小激光器的线宽和提高调制速度。
本实施例中，第一限制层2可为n型掺杂层，例如可为Si掺杂的第一AlGaN限制层（nAlGaN限制层），但不限于此。
进一步地，继续参考图2中（b）图，在第一限制层2背离衬底1的一侧表面制备第一波导层3，第一波导层3为下波导层。波导层的折射率一般高于限制层的折射率，进而抑制光场进入限制层与衬底1，实现降低器件内损耗的目的。本实施例中，第一波导层3可为n型掺杂波导层，例如可为Si掺杂的InGaN波导层（nInGaN波导层），但不限于此。
进一步地，继续参考图2中（b）图，在第一波导层3背离第一限制层2的一侧表面制备量子阱有源层4，量子阱有源层4为发生受激辐射的区域，是使得激光器工作的核心区域。本实施例中，量子阱有源层4可为多量子阱有源层4，例如由量子垒层和量子阱层交替叠设而成。可生长1~5个周期的量子垒层和量子阱层，单层量子阱层的厚度可为1~5nm，单层量子垒层的厚度可为3~15nm，量子阱层和量子垒层的材料均可为InGaN，但不限于此。
进一步地，继续参考图2中（b）图，在量子阱有源层4背离第一波导层3的一侧继续制备第二波导层5，第二波导层5为上波导层。本实施例中，第二波导层5可为非掺杂的InGaN波导层（uInGaN波导层），但不限于此。
其中，本发明实施例中各膜层的制备可利用化学气相沉积工艺，例如可为金属有机化学气相沉积工艺，金属有机物化学气相沉积是一种利用有机金属热分解反应进行气相外延生长薄膜的化学气相沉积技术，较为广泛地应用于半导体生长领域。
示例性的，可以三甲基铝（TMAl）、三甲基镓（TMGa）、三甲基铟（TMIn）、二茂镁（CP2Mg）、和氨气（NH3）分别作为上述膜层中的Al、Ga、In、Mg和N源。利用载气将上述反应源材料通入反应室，进而生长各膜层结构。
S130、在第二波导层背离量子阱有源层的一侧依次制备多层子限制层，多层子限制层构成第二限制层。
其中，子限制层为p型掺杂层，沿多层子限制层层叠的方向，位于中间的子限制层的掺杂浓度大于位于两侧的子限制层的掺杂浓度。
进一步地，参考图2中（c）图，本实施例中，可继续利用化学气相沉积工艺在第二波导层5背离量子阱有源层4的一侧制备第二限制层6，第二限制层6即为上限制层。
值得提出的一点是，本发明实施例中，第二限制层6不再是单层结构，而是包括多层子限制层60的层叠结构。其中，多层可指三层或三层以上。各子限制层60均可为p型掺杂的AlGaN层，但不限于此。本发明实施例中，p型掺杂均以Mg掺杂为例进行说明，实际不限于此。
其中，沿各膜层的厚度方向，位于中间的子限制层60中Mg的掺杂浓度大于两侧的子限制层60中Mg的掺杂浓度。位于两侧的子限制层60可指分别与第二限制层6两侧的膜层接触的两个子限制层60。例如，当第二限制层6生长于第二波导层5表面、第二限制层6上方生长接触层7时，位于两侧的子限制层60可为与第二波导层5接触的子限制层60以及与接触层7接触的子限制层60。
示例性的，若第二限制层6包括三层子限制层60，则位于中间的子限制层60的数量为1，若第二限制层6包括四层子限制层60，则位于中间的子限制层60的数量为2。
如背景技术中所述，限制层的掺杂浓度影响器件的电阻率以及光损耗等参数。本发明的此种设置方式下，可通过调节各子限制层60的掺杂浓度对第二限制层6中的掺杂情况进行调控。
具体地，可设置两侧的子限制层60的掺杂浓度较低，中间的子限制层60的掺杂浓度较高。中间较高掺杂浓度的子限制层60的存在可保证掺杂离子在第二限制层6中的有效激活，降低p型层的串联电阻，以满足第二限制层6低电阻率的要求，降低激光器的工作电压。另外，两侧掺杂浓度较低的子限制层60的存在可减少第二限制层6中杂质的引入，减少深能级缺陷，进而减少光损耗；同时也能避免第二限制层6的吸收系数较大，减少激光器的内部损耗，提升激光器性能。综上，采用本发明实施例提供的优化的第二限制层6的生长方法，可使第二限制层6兼顾低电阻率以及低光损耗的效果，同时还可降低器件工作电压，提升器件可靠性。
其中，本发明实施例不限定各子限制层60的掺杂浓度，本领域技术人员可根据实际需求进行调整。通过调整子限制层60的掺杂浓度，可使第二限制层6具有较优的性能。
S140、在第二限制层背离第二波导层的一侧制备接触层。
进一步地，参考图2中（d）图，可利用化学气相沉积工艺继续在第二限制层6背离第二波导层5的一侧生长接触层7。接触层7用于与外部电极形成欧姆接触提升激光器的效率，同时接触层7也可起到防止内部结构被氧化的作用。本实施例中，接触层7可为p型掺杂（例如可为Mg掺杂）的GaN接触层，但不限于此。
本发明实施例提供的半导体激光器的制备方法还可包括本领域技术人员可知的任意步骤。例如可在衬底背离第一限制层的一侧沉积第一电极（n型电极）、在接触层背离第二限制层的一侧沉积第二电极（p型电极）等，本发明对此不做详细说明。
本发明实施例提供的半导体激光器的制备方法，包括如下步骤：提供衬底；在衬底的一侧依次制备第一限制层、第一波导层、量子阱有源层和第二波导层；在第二波导层背离量子阱有源层的一侧依次制备多层子限制层，多层子限制层构成第二限制层；其中，子限制层为p型掺杂层，沿多层子限制层层叠的方向，位于中间的子限制层的掺杂浓度大于位于两侧的子限制层的掺杂浓度；在第二限制层背离第二波导层的一侧制备接触层。中间较高掺杂浓度的子限制层的存在可保证掺杂离子在第二限制层中的有效激活，降低p型层的串联电阻，以满足第二限制层低电阻率的要求，降低激光器的工作电压。另外，两侧掺杂浓度较高的子限制层的存在可减少第二限制层中杂质的引入，减少深能级缺陷，进而减少光损耗；同时也能避免第二限制层的吸收系数较大，减少激光器的内部损耗，提升激光器性能。
可选的，在可能的实施例中，在上述实施例中的S120之前，还可包括：在第二波导层背离量子阱有源层的一侧制备电子阻挡层。
具体地，可先利用化学气相沉积工艺在第二波导层背离量子阱有源层的一侧制备电子阻挡层，随后利用化学气相沉积工艺在电子阻挡层背离第二波导层的一侧制备第二限制层。电子阻挡层的存在可降低载流子泄露，阻碍反向漏流，提升激光器的输出效率。
本实施例中，电子阻挡层可为p型掺杂层，例如可为Mg掺杂的AlGaN电子阻挡层（pAlGaN电子阻挡层），但不限于此。
下面介绍本发明实施例提供的几种可选的第二限制层6的具体优化生长方法。示例性的，可继续参考图2，在可能的实施例中，上述实施例中的S130可进一步细化为：以氢气为载气，利用化学气相沉积工艺在第二波导层5背离量子阱有源层4的一侧生长第一子限制层61；以氢气和氮气为载气，利用化学气相沉积工艺在第一子限制层61背离第二波导层5的一侧生长第二子限制层62；以及以氢气为载气，利用化学气相沉积工艺在第二子限制层62背离第一子限制层61的一侧生长第三子限制层63。其中，第二子限制层62的掺杂浓度大于第一子限制层61的掺杂浓度，第二子限制层62的掺杂浓度大于第三子限制层63的掺杂浓度。
发明人在研究中发现，当生长过程通入的载气不同时，Mg在AlGaN限制层中的掺杂浓度不同。图3为本发明实施例提供的一种生长气氛与掺杂浓度的关系曲线图，图3所示为二次离子质谱（Secondary Ion Mass Spectroscopy，SIMS）数据。图3中曲线1（实线线条）示出了在不同生长气氛下（也即以不同气体作为载气时），AlGaN限制层中Mg的掺杂浓度（左纵坐标表示Mg掺杂浓度）变化情况，图3所示数据中，除生长气氛外，其他生长参数均相同。参考图3，相对来说，在纯氢气气氛下，Mg的掺杂浓度较小，也即Mg不易掺入；在纯氮气气氛下，Mg的掺杂浓度较大，也即Mg容易掺入；在氢气和氮气的混合气氛下，Mg的掺杂浓度适中。基于此，本发明实施例中，可通过改变各子限制层生长时的载气，实现子限制层掺杂浓度的调节。
具体地，第二限制层6的生长过程可分为三个子生长阶段，首先，在第一子生长阶段，以氢气作为载气，向反应室内通入所需反应源，进而利用化学气相沉积工艺在电子阻挡层（图中未示出）背离第二波导层5的一侧表面生长第一子限制层61，也即，第一子限制层61在氢气气氛下生长，使得第一子限制层61具有较低的Mg掺杂浓度。进一步地，在第二子生长阶段，以氮气和氢气作为载气，向反应室内通入所需反应源，继续利用化学气相沉积工艺在第一子限制层61背离电子阻挡层的一侧表面生长第二子限制层62，也即，第二子限制层62在氢气和氮气的混合气氛下生长，以提升第二子限制层62的Mg掺杂浓度。进一步地，在第三子生长阶段，以纯氢气作为载气，向反应室内通入所需反应源，继续在第二子限制层62表面生长第三子限制层63，第三子限制层63在氢气气氛下生长，使得第三子限制层63具有较低的Mg掺杂浓度。
如此，第二限制层6即为包括第一子限制层61、第二子限制层62和第三子限制层63的三层叠层结构，第一子限制层61、第二子限制层62和第三子限制层63沿衬底1指向接触层7的方向依次层叠。第二限制层6的掺杂浓度变化区域为低-高-低。
本实施例中，通过改变第二子生长阶段中的载气，可适当增加第二子限制层62的掺杂浓度，进而实现第二子限制层62的掺杂浓度差异化设置。无需调节Mg反应源的通入速率，可简化第二限制层6的生长工艺。
其中可选的，既可在整个第二子阶段内均通入氮气和氢气；也可在第二子阶段持续通入氢气，在部分时段内同时通入氢气和氮气。保证第二子阶段存在氢气和氮气的混合气体即可。
除此之外，在第二子阶段内采用氢气和氮气混合气体作为载气生长第二子限制层62，还可以较好的改善器件光衰问题，进一步提升器件的可靠性。图4为本发明实施例提供的一种器件光通量维持率的变化曲线图，参考图4，曲线a（实线线条）示出的器件中的第二限制层在氮气和氢气混合气氛下生长，曲线b（虚线线条）示出的器件中的第二限制层在纯氢气气氛下生长。对比曲线a和曲线b可知，当限制层在氮气和氢气混气气氛下生长时，随光衰时间的增加，器件的光通量维持率可保持在较优的数值；在光衰时间为1000h时，光通量维持率仍可保持在90%以上，器件可靠性大幅提升。
可选的，在上述实施例的基础上，上述实施例中的S130还可包括：在生长第二子限制层时，通入反应室的氮气占氮气和氢气混合气体的体积比为15%~35%。
具体地，由于氮气作为载气时对Mg掺杂情况影响比较明显，若氮气通入量过多，则Mg掺杂浓度过高，导致缺陷增多，并增加光损耗。因此，本实施例中，可将第二子阶段内反应室通入的氮气与氮气和氢气混合气体的体积比控制在15%~35%，也即与氢气相比，氮气通入比例较少。
根据实际测试，将氮气与混合气体的比例控制在该数值范围内，既可适当提升第二子限制层中Mg的掺杂浓度，还可避免第二子限制层中Mg的掺杂浓度过大，使第二子限制层的掺杂浓度维持在以较优的数值范围内。
可选的，在可能的实施例中，可设置第二子限制层的厚度占第二限制层的总厚度的比例为30%~50%。或者可理解为，相对于第一子限制层和第三子限制层，生长较厚的第二子限制层，根据测试，将掺杂浓度较高的第二子限制层厚度所占的比例控制在上述比例范围内，可以实现器件工作电压的有效降低以及器件可靠性的提升，进一步提升器件性能。
可选的，作为一可选实施例，第二子限制层的掺杂浓度为5×1018~2×1019cm-3；以纯氢气作为载气生长的第一子限制层和第三子限制层的掺杂浓度为1×1018~5×1018cm-3
通过调节生长气氛，可将第一子限制层和第三子限制层中Mg的掺杂浓度控制在1×1018~5×1018cm-3范围内、将第二子限制层中Mg的掺杂浓度控制在5×1018~2×1019cm-3范围内。根据测试，将第二限制层中各子限制层的掺杂浓度设置在上述范围内，半导体激光器器件具有较好的性能。
进一步可选的，由于选用的反应源气体为三甲基材料，在上述子限制层的生长过程中，除Mg掺杂之外，还会存在碳（C）掺杂，C会作为一种杂质掺杂子限制层中。可继续参考图3，图3中曲线2（虚线线条）示出了在不同生长气氛下（也即以不同气体作为载气时），AlGaN限制层中C的掺杂浓度（右纵坐标表示C掺杂浓度）变化情况，可以看出，C掺杂浓度的变化规律与Mg掺杂浓度的变化规律相似。均是在纯氢气气氛下掺杂浓度较小，也即不易掺入；在纯氮气气氛下的掺杂浓度较大，也即容易掺入。
由于在第二子阶段以氢气和氮气混合气体作为载气进行第二子限制层的生长，为避免第二子阶段中C杂质的掺杂浓度提高，本发明还提出，在生长第二限制层的过程中，可控制第二子限制层的生长温度低于第一子限制层的生长温度，且低于第三子限制层的生长温度；和/或，第二子限制层的生长速率低于第一子限制层的生长速率，且低于第三子限制层的生长速率。
具体地，可定义第一子限制层的生长温度为第一温度、第一子限制层的生长速率为第一速率；第二子限制层的生长温度为第二温度、第二子限制层的生长速率为第二速率；第三子限制层的生长温度为第三温度，第三子限制层的生长速率为第三速率。本实施例中，可设置第二温度小于第一温度（第三温度）和/或，第二速率小于第一速率（第三速率）。通过上述方式，中和载气改变造成的C容易掺杂的情况，避免第二子限制层生长时C掺杂浓度升高，保证第二子限制层仍维持较低的C掺杂浓度，减少第二子限制层中的缺陷，提升晶体质量。
其中，上述第一温度、第二温度、第三温度、第一速率、第二速率和第三速率的具体数值可由本领域技术人员根据实际需求进行设置，本发明实施对此不作限定。
可选的，本发明还提供了一种半导体激光器的制备方法的具体实施方式，下面以该具体实施例对半导体激光器的制备方法进行整体介绍。
实施例1
该具体实施例中，衬底可为Si掺杂的GaN衬底，掺杂Si浓度为1×1018~2×1018，GaN衬底厚度可为1000nm。
上述实施例中的S120可细化为下述步骤一~步骤四，步骤一、利用化学气相沉积工艺，在衬底的一侧生长Si掺杂的第一AlGaN限制层；其中，生长温度为1000~1200℃，Si掺杂浓度为1×1018~5×1018cm-3，第一AlGaN限制层的厚度为800~1500nm；Al组分占比可在2~10%之间。
步骤二、利用化学气相沉积工艺，在第一AlGaN限制层背离衬底的一侧生长Si掺杂的InGaN第一波导层；其中，生长温度为700~900℃，Si掺杂浓度为1×1018~5×1018cm-3，InGaN第一波导层的厚度为100~600nm；In组分占比可在2~8%之间。
步骤三、利用化学气相沉积工艺，在InGaN第一波导层背离第一AlGaN限制层的一侧生长量子阱有源层；其中，生长温度为700~900℃，生长周期为1~5个周期；可生长1~5个周期的量子垒层和量子阱层，单层量子阱层的厚度可为1~5nm，单层量子垒层的厚度可为3~15nm，量子阱层和量子垒层的材料均可为InGaN，In组分占比可在10~30%之间。
步骤四、利用化学气相沉积工艺，在量子阱有源层背离InGaN第一波导层的一侧生长非掺杂的InGaN第二波导层；其中，生长温度为750~950℃，InGaN第二波导层的厚度为100~400nm；In组分占比可在1~6%之间。
进一步地，该具体实施方式中，上述实施例中的“在第二波导层背离量子阱有源层的一侧制备电子阻挡层”可细化为：步骤五、利用化学气相沉积工艺，在InGaN第二波导层背离量子阱有源层的一侧制备Mg掺杂的AlGaN电子阻挡层；其中，生长温度为800~1050℃，Mg掺杂浓度为5×1018~2×1019cm-3，AlGaN电子阻挡层的厚度为5~30nm；Al组分占比可在15~25%之间。
进一步地，上述实施例中的S130可进一步细化为：步骤六~步骤八。步骤六、以氢气为载气，利用化学气相沉积工艺在AlGaN电子阻挡层背离InGaN第二波导层的一侧生长Mg掺杂的第一子AlGaN限制层；其中，生长温度为900~1050℃，Mg掺杂浓度为1×1018~5×1018cm-3，第一子AlGaN限制层的生长速率为0.15~0.45μm/h，第一子AlGaN限制层的厚度为50~250nm；Al组分占比可在7~10%之间。
步骤七、以氢气和氮气为载气，利用化学气相沉积工艺在第一子AlGaN限制层背离AlGaN电子阻挡层的一侧生长Mg掺杂的第二子AlGaN限制层；其中，生长温度为900~1050℃，通入反应室的氮气占氮气和氢气混合气体的体积比为15%~35%，Mg掺杂浓度为5×1018~2×1019cm-3，第二子AlGaN限制层的生长速率为0.1~0.4μm/h，第二子AlGaN限制层的厚度为100~300nm；Al组分占比可在7~10%之间。
步骤八、以氢气为载气，利用化学气相沉积工艺在第二子AlGaN限制层背离第一子AlGaN限制层的一侧生长Mg掺杂的第三子AlGaN限制层；其中，生长温度为900~1050℃，Mg掺杂浓度为1×1018~5×1018cm-3，第三子AlGaN限制层的生长速率为0.15~0.45μm/h，第三子AlGaN限制层的厚度为50~250nm；Al组分占比可在7~10%之间。
进一步地，述实施例中的S140可进一步细化为：在第二限制层背离第二波导层的一侧制备接触层，可细化为：步骤九、利用化学气相沉积工艺在第三子AlGaN限制层背离第二子AlGaN限制层的一侧生长Mg掺杂的GaN接触层；其中，生长温度为850~1000℃，Mg掺杂浓度为大于或等于1×1020cm-3，GaN接触层的厚度为10~50nm。
对比例1
本发明还提供了一种对比例的具体实施方式，该对比例中，衬底仍可为Si掺杂的GaN衬底，掺杂Si浓度为1×1018~2×1018，GaN衬底厚度可为1000nm。除第二限制层的制备方式（步骤六~步骤八）外，其他膜层的制备方式均与上述本发明实施例1的制备方式相同。具体地，该对比例包括如下步骤：
步骤一、利用化学气相沉积工艺，在衬底的一侧生长Si掺杂的第一AlGaN限制层；其中，生长温度为1000~1200℃，Si掺杂浓度为1×1018~5×1018cm-3，第一AlGaN限制层的厚度为800~1500nm；Al组分占比可在2~10%之间。
步骤二、利用化学气相沉积工艺，在第一AlGaN限制层背离衬底的一侧生长Si掺杂的InGaN第一波导层；其中，生长温度为700~900℃，Si掺杂浓度为1×1018~5×1018cm-3，InGaN第一波导层的厚度为100~600nm；In组分占比可在2~8%之间。
步骤三、利用化学气相沉积工艺，在InGaN第一波导层背离第一AlGaN限制层的一侧生长量子阱有源层；其中，生长温度为700~900℃，生长周期为1~5个周期；可生长1~5个周期的量子垒层和量子阱层，单层量子阱层的厚度可为1~5nm，单层量子垒层的厚度可为3~15nm，量子阱层和量子垒层的材料均可为InGaN，In组分占比可在10~30%之间。
步骤四、利用化学气相沉积工艺，在量子阱有源层背离InGaN第一波导层的一侧生长非掺杂的InGaN第二波导层；其中，生长温度为750~950℃，InGaN第二波导层的厚度为100~400nm；In组分占比可在1~6%之间。
步骤五、利用化学气相沉积工艺，在InGaN第二波导层背离量子阱有源层的一侧制备Mg掺杂的AlGaN电子阻挡层；其中，生长温度为800~1050℃，Mg掺杂浓度为5×1018~2×1019cm-3，AlGaN电子阻挡层的厚度为5~30nm；Al组分占比可在15~25%之间。
步骤六、以氢气为载气，利用化学气相沉积工艺在AlGaN电子阻挡层背离InGaN第二波导层的一侧生长Mg掺杂的第二AlGaN限制层；其中，生长温度为900~1050℃，Mg掺杂浓度为1×1018~2×1019cm-3，第二AlGaN限制层的厚度为200~800nm；Al组分占比可在5~10%之间。
步骤七、利用化学气相沉积工艺在第二AlGaN限制层背离AlGaN电子阻挡层的一侧生长Mg掺杂的GaN接触层；其中，生长温度为850~1000℃，Mg掺杂浓度为大于或等于1×1020cm-3，GaN接触层的厚度为10~50nm。
表1
表1为本发明实施例提供的实施例1与对比例1中半导体激光器的性能参数对比表，可参考表1，与对比例1相比，采用实施例1的方案制备的半导体激光器的光功率、器件可靠性（1000h维持率）、斜率效应和墙插效率（WPE）等参数均有所提升、且工作电压有所降低，器件的整体性能得到较大提升。
基于同一构思，本发明实施例还提供了一种半导体激光器，采用本发明任意实施例提供的半导体激光器的制备方法制备。本发明实施例提供的半导体激光器具备本发明任意实施例提供的半导体激光器的制备方法的全部技术特征以及相应有益效果。图5为本发明实施例提供的一种半导体激光器的结构示意图，如图5所示，半导体激光器包括：层叠设置的衬底1、第一限制层2、第一波导层3、量子阱有源层4、第二波导层5、第二限制层6和接触层7；第二限制层6包括层叠设置的多层子限制层60；其中，子限制层60为p型掺杂层，沿多层子限制层60层叠的方向，位于中间的子限制层60的掺杂浓度大于位于两侧的子限制层60的掺杂浓度。
上述衬底1、第一限制层2、第一波导层3、量子阱有源层4、第二波导层5、第二限制层6和接触层7的具体材料、厚度等可参照制备方法对应的实施例，此处不再赘述。
本发明实施例提供的半导体激光器，将第二限制层设置为多层结构，中间较高掺杂浓度的子限制层的存在可保证掺杂离子在第二限制层中的有效激活，降低p型层的串联电阻，以满足第二限制层低电阻率的要求，降低激光器的工作电压。另外，两侧掺杂浓度较高的子限制层的存在可减少第二限制层中杂质的引入，减少深能级缺陷，进而减少光损耗；同时也能避免第二限制层的吸收系数较大，减少激光器的内部损耗，提升激光器性能。
可选的，可继续参考图5，沿衬底1指向接触层7的方向，多层子限制层60包括依次层叠的第一子限制层61、第二子限制层62和第三子限制层63；其中，第二子限制层62的掺杂浓度大于第一子限制层61的掺杂浓度，第二子限制层62的掺杂浓度大于第三子限制层63的掺杂浓度。
具体的，作为一可选实施例，第二限制层6可为包括第一子限制层61、第二子限制层62和第三子限制层63的三层叠层结构，第一子限制层61、第二子限制层62和第三子限制层63沿衬底1指向接触层7的方向依次层叠。第二限制层6的掺杂浓度变化区域为低-高-低。
可选的，在可能的实施例中，第二子限制层62的掺杂浓度为5×1018~2×1019cm-3；第一子限制层61和第三子限制层63的掺杂浓度为1×1018~5×1018cm-3。
其中，第二子限制层62可为Mg掺杂的第二子AlGaN限制层，通过调节生长气氛，可将第一子限制层61和第三子限制层63中Mg的掺杂浓度控制在1×1018~5×1018cm-3范围内、将第二子限制层62中Mg的掺杂浓度控制在5×1018~2×1019cm-3范围内。根据测试，将第二限制层6中各子限制层60的掺杂浓度设置在上述范围内，半导体激光器器件具有较好的性能。
可选的，在可能的实施例中，第二子限制层62的厚度占第二限制层6的总厚度的比例为30%~50%。根据测试，将掺杂浓度较高的第二子限制层62厚度所占的比例控制在上述比例范围内，可以实现器件工作电压的有效降低以及器件可靠性的提升，进一步提升器件性能。
可选的，在可能的实施例中，第一子限制层61、第二子限制层62和第三子限制层63均包括Mg掺杂的AlGaN子限制层，且第一子限制层61、第二子限制层62和第三子限制层63中Al组分占比均为7%~10%。
可选的，可继续参考图5，半导体激光器还可包括电子阻挡层8，电子阻挡层8位于第二波导层5和第二限制层6之间。
电子阻挡层8的具体材料及厚度等可参照上述制备方法对应的实施例，此处不再赘述。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种半导体激光器的制备方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
在所述衬底的一侧依次制备第一限制层、第一波导层、量子阱有源层和第二波导层；
在所述第二波导层背离所述量子阱有源层的一侧依次制备多层子限制层，多层所述子限制层构成第二限制层；其中，所述子限制层为p型掺杂层，沿多层所述子限制层层叠的方向，位于中间的所述子限制层的掺杂浓度大于位于两侧的所述子限制层的掺杂浓度；
在所述第二限制层背离所述第二波导层的一侧制备接触层；
在所述第二波导层背离所述量子阱有源层的一侧依次制备多层子限制层，多层所述子限制层构成第二限制层，包括：
以氢气为载气，利用化学气相沉积工艺在所述第二波导层背离所述量子阱有源层的一侧生长第一子限制层；
以氢气和氮气为载气，利用化学气相沉积工艺在所述第一子限制层背离所述第二波导层的一侧生长第二子限制层；在生长所述第二子限制层时，通入反应室的氮气占氮气和氢气混合气体的体积比为15%~35%；
以氢气为载气，利用化学气相沉积工艺在所述第二子限制层背离所述第一子限制层的一侧生长第三子限制层；
其中，所述第二子限制层的掺杂浓度大于所述第一子限制层的掺杂浓度，所述第二子限制层的掺杂浓度大于所述第三子限制层的掺杂浓度。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第二子限制层的生长温度低于所述第一子限制层的生长温度，且低于所述第三子限制层的生长温度；和/或，所述第二子限制层的生长速率低于所述第一子限制层的生长速率，且低于所述第三子限制层的生长速率。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述第二波导层背离所述量子阱有源层的一侧依次制备多层子限制层之前，还包括：
在所述第二波导层背离所述量子阱有源层的一侧制备电子阻挡层。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在所述衬底的一侧依次制备第一限制层、第一波导层、量子阱有源层和第二波导层，包括：
利用化学气相沉积工艺，在所述衬底的一侧生长Si掺杂的第一AlGaN限制层；其中，生长温度为1000~1200℃，Si掺杂浓度为1×1018~5×1018cm-3，所述第一AlGaN限制层的厚度为800~1500nm；
利用化学气相沉积工艺，在所述第一AlGaN限制层背离所述衬底的一侧生长Si掺杂的InGaN第一波导层；其中，生长温度为700~900℃，Si掺杂浓度为1×1018~5×1018cm-3，所述InGaN第一波导层的厚度为100~600nm；
利用化学气相沉积工艺，在所述InGaN第一波导层背离所述第一AlGaN限制层的一侧生长所述量子阱有源层；其中，生长温度为700~900℃，生长周期为1~5个周期；
利用化学气相沉积工艺，在所述量子阱有源层背离所述InGaN第一波导层的一侧生长非掺杂的InGaN第二波导层；其中，生长温度为750~950℃，所述InGaN第二波导层的厚度为100~400nm；
在所述第二波导层背离所述量子阱有源层的一侧制备电子阻挡层，包括：
利用化学气相沉积工艺，在所述InGaN第二波导层背离所述量子阱有源层的一侧制备Mg掺杂的AlGaN电子阻挡层；其中，生长温度为800~1050℃，Mg掺杂浓度为5×1018~2×1019cm-3，所述AlGaN电子阻挡层的厚度为5~30nm；
在所述第二波导层背离所述量子阱有源层的一侧依次制备多层子限制层，包括：
以氢气为载气，利用化学气相沉积工艺在所述AlGaN电子阻挡层背离所述InGaN第二波导层的一侧生长Mg掺杂的第一子AlGaN限制层；其中，生长温度为900~1050℃，Mg掺杂浓度为1×1018~5×1018cm-3，所述第一子AlGaN限制层的生长速率为0.15~0.45μm/h，所述第一子AlGaN限制层的厚度为50~250nm；
以氢气和氮气为载气，利用化学气相沉积工艺在所述第一子AlGaN限制层背离所述AlGaN电子阻挡层的一侧生长Mg掺杂的第二子AlGaN限制层；其中，生长温度为900~1050℃，通入反应室的氮气占氮气和氢气混合气体的体积比为15%~35%，Mg掺杂浓度为5×1018~2×1019cm-3，所述第二子AlGaN限制层的生长速率为0.1~0.4μm/h，所述第二子AlGaN限制层的厚度为100~300nm；
以氢气为载气，利用化学气相沉积工艺在所述第二子AlGaN限制层背离所述第一子AlGaN限制层的一侧生长Mg掺杂的第三子AlGaN限制层；其中，生长温度为900~1050℃，Mg掺杂浓度为1×1018~5×1018cm-3，所述第三子AlGaN限制层的生长速率为0.15~0.45μm/h，所述第三子AlGaN限制层的厚度为50~250nm；
在所述第二限制层背离所述第二波导层的一侧制备接触层，包括：
利用化学气相沉积工艺在所述第三子AlGaN限制层背离所述第二子AlGaN限制层的一侧生长Mg掺杂的GaN接触层；其中，生长温度为850~1000℃，Mg掺杂浓度为大于或等于1×1020cm-3，所述GaN接触层的厚度为10~50nm。
5.一种半导体激光器，其特征在于，包括层叠设置的衬底、第一限制层、第一波导层、量子阱有源层、第二波导层、第二限制层和接触层；
所述第二限制层包括层叠设置的多层子限制层；其中，所述子限制层为p型掺杂层，沿多层所述子限制层层叠的方向，位于中间的所述子限制层的掺杂浓度大于位于两侧的所述子限制层的掺杂浓度；
沿所述衬底指向所述接触层的方向，多层所述子限制层包括依次层叠的第一子限制层、第二子限制层和第三子限制层；
其中，所述第二子限制层的掺杂浓度大于所述第一子限制层的掺杂浓度，所述第二子限制层的掺杂浓度大于所述第三子限制层的掺杂浓度；
所述第一子限制层在氢气气氛下生长，所述第二子限制层在氢气和氮气混合气氛下生长，所述第三子限制层在氢气气氛下生长；在生长所述第二子限制层时，通入反应室的氮气占氮气和氢气混合气体的体积比为15%~35%；
所述第一子限制层、所述第二子限制层和所述第三子限制层均包括Mg掺杂的AlGaN子限制层；所述第二子限制层的掺杂浓度为5×1018~2×1019cm-3；所述第一子限制层和所述第三子限制层的掺杂浓度为1×1018~5×1018cm-3。
6.根据权利要求5所述的半导体激光器，其特征在于，所述第二子限制层的厚度占所述第二限制层的总厚度的比例为30%~50%。
7.根据权利要求5所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一子限制层、所述第二子限制层和所述第三子限制层中Al组分占比均为7%~10%。
8.根据权利要求5所述的半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器还包括电子阻挡层，所述电子阻挡层位于所述第二波导层和所述第二限制层之间。
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