CN219458298U - 一种激光器结构 - Google Patents

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王国斌
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Abstract

本实用新型涉及一种激光器结构。本实用新型的激光器结构中的上波导层为复合上波导层且电子阻挡层采用铝的组分变化的结构，复合上波导层结构中具有氮化镓层，抑制p型区域找中的光场分布比例，从而降低光学损耗；同时，复合上波导层结构中具有铝镓氮层，提高电子阻挡层的有效势垒。铝组分变化的电子阻挡层可以使极化电荷在空间分布分散，从而避免传统结构在量子垒和电子阻挡层界面寄生电子反型层的形成。而多层结构在阻挡电子的效果上更加明显，使得电子和空穴两种载流子在有源层各个量子阱之中分布更加平衡和均匀，从而获得更为均匀的光增益。由于提高了波导结构的光学限制因子，因此利于获得更高的发光强度。

Description

一种激光器结构
技术领域
本实用新型涉及半导体激光器技术领域，尤其是指一种激光器结构。
背景技术
III-V族氮化物半导体材料包含了氮化镓、氮化铝和氮化铟及它们的合金，III-V族氮化物是继硅、砷化镓之后的第三代半导体材料，是制作从紫外到绿光波段半导体激光器的理想材料。
氮化镓基半导体激光二极管具有效率高、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。
现有的激光二极管面临的一个突出的问题是怎样减小大电流下电子电流的溢出，因为激光器的工作电流常常在KA/cm2或者更高。传统的单层的电子阻挡层采取铝镓氮均匀掺铝，且铝的组份不变。这种单层的均匀掺铝的电子阻挡层虽然具有阻挡电子的作用，然而在有源层和电子阻挡层界面的价带的带阶会形成空穴遂穿的势垒而不利于空穴的注入。现有技术中还有利用多周期的铝镓氮量子阱结构作为阻挡电子从有源区逃逸到p区的电子阻挡层，可以利用量子干涉效应有效降低电子漏电流。然而，多周期的电子阻挡层会在阱垒界面形成势垒不利于空穴的遂穿，导致相当数量的空穴分布在电子阻挡层的量子阱中。此外，氮化镓基激光二极管中的上波导层将影响光学限制及电子阻挡层的有效势垒，继而影响光功率及斜率效率。
实用新型内容
为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种激光器结构。
一种激光器结构，包括：衬底、依次生长在所述衬底上的上波导层、电子阻挡层、上限制层、欧姆接触层；
其中，所述上波导层为不掺杂或轻掺杂的氮化镓-铝镓氮复合结构；所述电子阻挡层包括第一电子阻挡层和第二电子阻挡层，所述第一电子阻挡层和所述第二电子阻挡层均为p型铝镓氮且铝的组分(原子数)线性渐变。
优选的，所述氮化镓-铝镓氮复合结构各层厚度为10～150nm，两层总厚度为80～200nm。
优选的，所述第一电子阻挡层位于靠近所述上波导层的一侧，其铝的组分从0至0.07线性渐变；所述第二电子阻挡层位于靠近所述上限制层的一侧，其铝的组分从0.08至0.30线性渐变。
优选的，所述第一电子阻挡层和所述第二电子阻挡层的厚度分别为3～10nm和15～30nm，所述第一电子阻挡层和所述第二电子阻挡层均为p型均匀镁掺杂。
优选的，所述衬底为n掺杂的氮化镓自支撑衬底，厚度为0.5～2μm，硅掺杂浓度为1017～1018cm-3。
优选的，所述衬底与所述上波导层之间还设置有下限制层，所述下限制层为n型Al0.05Ga0.95N限制层，厚度为0.2～0.5μm，硅掺杂浓度为1017～1018cm-3。
优选的，所述下限制层与所述上波导层之间还设置有下波导层，所述下波导层为n型氮化镓，厚度为150-200nm，硅掺杂浓度为1018cm-3～1019cm-3。
优选的，所述下波导层与所述上波导层之间还设置有多量子阱层，所述多量子阱层作为有源区，包括从下到上依次层叠设置的：
第一垒层，所述第一垒层为重掺的n+型氮化镓，硅掺杂浓度为1×1017～8×1018cm-3，n+型氮化镓的厚度为5-10nm；
第一阱层，所述第一阱层为In0.25Ga0.75N阱层，厚度为2～5nm；
第二垒层，所述第二垒层为未掺杂的In0.005Ga0.995N，厚度为3～8nm；
第二阱层，所述第二阱层为In0.25Ga0.75N阱层，厚度为2～5nm；
第三垒层，所述第三垒层为非掺杂铝镓氮/In0.01Ga0.99N超晶格结构；
其中，铝镓氮厚度为0.2～1nm；In0.01Ga0.99N厚度为0.4～1.5nm，超晶格周期数为15～20。
优选的，所述激光器结构还包括设置于欧姆接触层上的p型电极和设置于所述衬底另一侧的n型电极。
优选的，所述上限制层为p-Al0.15Ga0.85N/氮化镓超晶格限制层，p-Al0.15Ga0.85N厚度为2～3nm，镁掺杂浓度为1×1018cm-3～8×1018cm-3cm-3；氮化镓超晶格厚度为1～3nm，超晶格周期数为120～180；所述欧姆接触层为p型氮化镓，厚度为100～200nm，镁掺杂浓度为1017～1018cm-3。
本实用新型的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本实用新型提供的激光器结构中的上波导层为复合上波导层且电子阻挡层采用铝的组分变化的结构，复合上波导层结构中具有氮化镓层，抑制p型区域中的光场分布比例，从而降低光学损耗；同时，复合上波导层结构中具有铝镓氮层，提高电子阻挡层的有效势垒。具有铝组分变化的电子阻挡层可以使极化电荷在空间分布分散，从而避免传统结构在量子垒和电子阻挡层界面寄生电子反型层的形成。而且，具有多层结构的电子阻挡层在阻挡电子的效果上更加明显，使得电子和空穴两种载流子在有源层各个量子阱中的分布更加平衡和均匀，从而获得更为均匀的光增益；由于提高了波导结构的光学限制因子，因此利于获得更高的发光强度。
附图说明
为了使本实用新型的内容更容易被清楚的理解，下面根据本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明，其中
图1是本实用新型的激光器结构示意图。
图2是本实用新型的激光器结构中多量子阱层示意图。
图3是本实用新型的四种样品光功率测试结果。
图4是本实用新型的四种样品内量子效率测试结果。
图5是本实用新型的四种样品电光转换效率测试结果。
说明书附图标记说明：100、衬底；201、下限制层；202、上限制层；301、下波导层；302、上波导层；400、多量子阱层；401、第一垒层；402、第一阱层；403、第二垒层；404、第二阱层；405、第三垒层；500、电子阻挡层；600、欧姆接触层；701、n型电极；702、p型电极。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。
如图1所示，本实用新型的激光器结构包括一衬底100和依次生长在衬底100上的下限制层201、下波导层301、多量子阱层400、上波导层302、上限制层202和欧姆接触层600。
在一个具体的实施例中，本实用新型的激光器结构还包括位于衬底100另一侧的n型电极701以及位于欧姆接触层600上的p型电极702，即n型电极701与下限制层201之间设置有衬底100，p型电极702与上限制层202之间设置有欧姆接触层600。
在一个可选的实施例中，上波导层302为复合上波导层，复合上波导层的材料为不掺杂或轻掺杂的氮化镓-铝镓氮复合结构。也就是说，复合上波导层由氮化镓层和铝镓氮层两层叠合而成，各层厚度为10～150nm，两层总厚度为80～200nm，即复合上波导层的厚度落在80～200nm范围内。
在一个可选的实施例中，上波导层302与上限制层202之间还设置有电子阻挡层500，电子阻挡层500用于限制电子从多量子阱层400向上限制层202移动，提升多量子阱层400中电子浓度，以将电子捕获在多量子阱层400中，提升复合效率。具体地，电子阻挡层500包括第一电子阻挡层和第二电子阻挡层(图中未示出)，第一电子阻挡层和第二电子阻挡层均为p型铝镓氮且铝的组分(原子数)线性渐变；第一电子阻挡层位于靠近上波导层302的一侧，其铝的组分从0至0.07线性渐变；第二电子阻挡层位于靠近上限制层202的一侧，其铝的组分从0.08至0.30线性渐变；第一电子阻挡层和第二电子阻挡层的厚度分别为3～10nm和15～30nm；优选的，第一电子阻挡层和第二电子阻挡层的厚度分别为5nm和20nm。第一电子阻挡层和第二电子阻挡层均为p型均匀镁掺杂。
在一个具体的实施例中，衬底100包括n掺杂的氮化镓自支撑衬底。氮化镓自支撑衬底的生长方法为：在氢气气氛中，在温度950～1200℃的条件下，通入三甲基镓作为III族源，氨气作为V族源，四氢化硅作为n型掺杂源，生长n型氮化镓层，n型氮化镓层的厚度为0.5～2μm，硅掺杂浓度为1017～1018cm-3。
在一个具体的实施例中，下限制层201为n型铝镓氮限制层，在n型氮化镓层上生长n型Al0.05Ga0.95N限制层，硅掺杂浓度为1017～1018cm-3，n型Al0.05Ga0.95N限制层厚度为0.2～0.5μm。
在一个具体的实施例中，下波导层301为n型氮化镓，以四氢化硅作为n型掺杂源。下波导层301的厚度为150-200nm，硅掺杂浓度为1018～1019cm-3。
在一个具体的实施例中，如图2所示，多量子阱层400作为有源区，其包括从下到上依次层叠设置的第一垒层401、第一阱层402、第二垒层403、第二阱层404和第三垒层405。第一垒层401为重掺杂的n+型氮化镓，硅掺杂浓度为1017～8×1018cm-3；优选的，硅掺杂浓度为1018cm-3，n+型氮化镓的厚度为5-10nm。第一阱层402为In0.25Ga0.75N阱层，厚度为2-5nm。第二垒层403为未掺杂的In0.005Ga0.995N，厚度为3-8nm。第二阱层404为In0.25Ga0.75N阱层，厚度为2-5nm。第三垒层405为非掺杂铝镓氮/In0.01Ga0.99N超晶格结构，铝镓氮厚度为0.2～1nm，优选的，铝镓氮的厚度为0.5nm；In0.01Ga0.99N厚度为0.4～1.5nm，优选的，In0.01Ga0.99N的厚度为0.5nm；超晶格周期数为15～20。
在一个具体的实施例中，上限制层202为p-Al0.15Ga0.85N/氮化镓超晶格限制层，即上限制层202为由p-Al0.15Ga0.85N与氮化镓超晶格组成的限制层，二茂镁作为p型掺杂源，镁掺杂浓度为1×1018cm-3～8×1018cm-3cm-3；优选的，镁掺杂浓度为2.5×1018cm-3。超晶格周期数为120～180；优选的，超晶格周期数为150。p-Al0.15Ga0.85N的厚度为2～3nm，氮化镓超晶格的厚度为1～3nm。
在一个具体的实施例中，欧姆接触层600为p型氮化镓，二茂镁作为p型掺杂源，在p型铝镓氮/氮化镓超晶格限制层上生长p型氮化镓层作为欧姆接触层600，p型氮化镓层的厚度为100～200nm。镁掺杂浓度可以为1017～1018cm-3；优选的，镁掺杂浓度为1018cm-3。
本实施例中对具有不同结构的上波导层302和电子阻挡层500的四个激光器二极管进行仿真实验，样品编号及对应的电子阻挡层500和上波导层302的结构如下表所示：
样品编号 电子阻挡层结构 上波导层结构
1# Al组分固定的p型Al0.1Ga0.9N 单层上波导层
2# Al组分固定的p型Al0.1Ga0.9N 复合上波导层
3# Al组分渐变的双层结构 单层上波导层
4# Al组分渐变的双层结构 复合上波导层
其中，单层上波导层为氮化镓层，复合上波导层为氮化镓-铝镓氮复合结构，Al组分渐变的双层结构包括上述实施例中的第一电子阻挡层和第二电子阻挡层。为了控制单一变量，不同组实验中其他层结构后续及掺杂量均保持不变，不同样品的电子阻挡层500的厚度、掺杂浓度及形成条件相同，不同样品的上波导层302的厚度、掺杂浓度相同。
如图3～5所示，分别为四种样品的光功率、内量子效率和电光转换效率的测试结果。从图中可以看出，4#样品的光功率、内量子效率和电光转换效率均较1#-3#样品有所提高，以电流为3A的数据进行比较，光功率、内量子效率和电光转换效率较1#样品提高分别为100％、25％、50％，这是因为电子阻挡层500采用铝组分变化的结构，可以使极化电荷在空间分布分散，从而避免传统结构在量子垒和电子阻挡层500界面寄生电子反型层的形成。而多层结构在阻挡电子的效果上更加明显，使得电子和空穴两种载流子在有源层各个量子阱之中分布更加平衡和均匀，从而获得更为均匀的光增益，复合上波导层结构中具有氮化镓层，抑制p型区域找中的光场分布比例，从而降低光学损耗，同时，复合上波导层结构中具有铝镓氮层，提高电子阻挡层500的有效势垒。而且，4#样品相较于2#和3#样品来说，都有所提高，这说明电子阻挡层500的铝组分为渐变的双层结构和复合上波导层采用氮化镓和铝镓氮层的共同作用，有利于激光器的光功率、内量子效率和电光转换效率的提升。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种激光器结构，其特征在于：所述激光器结构包括：衬底、依次生长在所述衬底上的上波导层、电子阻挡层、上限制层、欧姆接触层；
其中，所述上波导层为不掺杂或轻掺杂的氮化镓-铝镓氮复合结构；所述电子阻挡层包括第一电子阻挡层和第二电子阻挡层，所述第一电子阻挡层和所述第二电子阻挡层均为p型铝镓氮且铝的组分原子数线性渐变。
2.根据权利要求1所述的激光器结构，其特征在于：所述氮化镓-铝镓氮复合结构各层厚度为10～150nm，两层总厚度为80～200nm。
3.根据权利要求1所述的激光器结构，其特征在于：所述第一电子阻挡层位于靠近所述上波导层的一侧，其铝的组分从0至0.07线性渐变；所述第二电子阻挡层位于靠近所述上限制层的一侧，其铝的组分从0.08至0.30线性渐变。
4.根据权利要求3所述的激光器结构，其特征在于：所述第一电子阻挡层和所述第二电子阻挡层的厚度分别为3～10nm和15～30nm，所述第一电子阻挡层和所述第二电子阻挡层均为p型均匀镁掺杂。
5.根据权利要求1所述的激光器结构，其特征在于：所述衬底为n掺杂的氮化镓自支撑衬底，厚度为0.5～2μm，硅掺杂浓度为1017～1018cm-3。
6.根据权利要求1所述的激光器结构，其特征在于：所述衬底与所述上波导层之间还设置有下限制层，所述下限制层为n型Al0.05Ga0.95N限制层，厚度为0.2～0.5μm，硅掺杂浓度为1017～1018cm-3。
7.根据权利要求6所述的激光器结构，其特征在于：所述下限制层与所述上波导层之间还设置有下波导层，所述下波导层为n型氮化镓，厚度为150-200nm，硅掺杂浓度为1018cm-3～1019cm-3。
8.根据权利要求7所述的激光器结构，其特征在于：所述下波导层与所述上波导层之间还设置有多量子阱层，所述多量子阱层作为有源区，包括从下到上依次层叠设置的：
第一垒层，所述第一垒层为重掺的n+型氮化镓，硅掺杂浓度为1×1017～8×1018cm-3，n+型氮化镓的厚度为5-10nm；
第一阱层，所述第一阱层为In0.25Ga0.75N阱层，厚度为2～5nm；
第二垒层，所述第二垒层为未掺杂的In0.005Ga0.995N，厚度为3～8nm；
第二阱层，所述第二阱层为In0.25Ga0.75N阱层，厚度为2～5nm；
第三垒层，所述第三垒层为非掺杂铝镓氮/In0.01Ga0.99N超晶格结构；
其中，铝镓氮厚度为0.2～1nm；In0.01Ga0.99N厚度为0.4～1.5nm，超晶格周期数为15～20。
9.根据权利要求1所述的激光器结构，其特征在于：所述激光器结构还包括设置于欧姆接触层上的p型电极和设置于所述衬底另一侧的n型电极。
10.根据权利要求1所述的激光器结构，其特征在于：所述上限制层为p-Al0.15Ga0.85N/氮化镓超晶格限制层，p-Al0.15Ga0.85N厚度为2～3nm，镁掺杂浓度为1×1018cm-3～8×1018cm- 3cm-3；氮化镓超晶格厚度为1～3nm，超晶格周期数为120～180；所述欧姆接触层为p型氮化镓，厚度为100～200nm，镁掺杂浓度为1017～1018cm-3。
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