GaN基新型結構激光器及其制作方法技術

本發明專利技術公開了一種GaN基新型結構激光器及其制作方法，所述GaN基新型結構激光器從下至上依次包括：襯底、下限制層、下波導層、有源區層、未摻雜的AlInGaN極化緩解層、電子阻擋層、上波導層、上限制層、歐姆接觸層，以及位于襯底的下表面的n型歐姆電極。本發明專利技術所述GaN基新型結構激光器在有源區和電子阻擋層之間插入了一層未摻雜的AlInGaN，可以降低極化效應，緩解了有源區和電子阻擋層表面的部分壓力，有助于增加載流子的有效勢壘高度，從而有利于減少吸收損耗和閥值電流，使激光器的性能得到顯著提升。

A new type of GaN based structural laser and its fabrication method

The present invention discloses a novel GaN based laser structure and its manufacturing method, the GaN based novel laser from the bottom comprises: a substrate, lower limiting layer, AlInGaN polarization waveguide layer, active region layer, undoped relief layer and electron blocking layer, a waveguide layer, the upper limiting layer, an ohmic contact under the surface layer, and the N type ohmic electrode in the substrate. The GaN based model in laser active region and the electron blocking a layer of undoped AlInGaN layer is inserted between, can reduce the polarization effect, alleviate the pressure part of the active region and the electron blocking layer surface, helps to increase the effective barrier height from the carrier, and is conducive to reducing the absorption loss and threshold current so, the laser performance has been significantly improved.

【技術實現步驟摘要】
GaN基新型結構激光器及其制作方法
本專利技術涉及半導體激光器
，具體的，本專利技術涉及GaN基新型結構激光器及其制作方法。
技術介紹
半導體激光器是用半導體材料制作的激光器，其中砷化鎵、硫化鎘、硫化銦等工作物質最為常見。半導體激光器因體積小、重量輕、耗電少、效率低、運轉可靠，在激光通信、光存儲、激光打印，測距燈方面得到廣泛應用。Ⅲ族氮化物作為第三代半導體，具有寬禁帶，抗輻照性強，光譜范圍廣，在光電子與微電子領域有極大的應用價值。GaN基激光器在高密度光存儲領域也取得了廣泛地商業應用，在光通信、激光顯示、水下通信、醫療方面及軍事設備發面均具有重要價值。藍光激光器(LD)將對IT業的數據存儲產生革命性的影響。在軍事領域，因為其具有驅動消耗低，輸出能量大的特點，激光讀取器可將目前的信息存儲量提高很多倍，還可提高探測器的準確性及隱蔽性。現在，這種器件的最大輸出功率可達420mW，閾值電流密度低到1.2kA/cm2，轉變電壓4.3V，在線性區的量子效率可以達到39％。綜上所述，藍光LD可應用于探測器、數據存儲、光學閱讀、激光高速印刷等領域，且在光纖通信、衛星通信和海洋光通信領域也有廣泛的應用前景。然而，GaN基激光器的研究面臨一個很重要的問題，當激光器處于工作狀態下時，大量的電流會從有源區溢出，使得它的發光效率大大降低，并且溢出的電流產生的熱量會使激光器的結溫迅速升高，從而影響它的壽命。在Ⅲ族氮化物半導體材料激光器中，這種情況更嚴重，因此它們的閾值電流密度一般比較高。在這種情況下，由于量子阱中勢壘的高度較小，電子更容易越過勢壘而溢出有源區，因此盡量減少電子從有源區溢出，對提高激光器的性能大有裨益。為了防止電子泄露，通常在有源區上直接插入p型AlGaN電子阻擋層，雖然它可以減少電子從有源區中泄露，但其不僅有較大的電阻，而且會對有源區發出的光有較強的吸收，從而使激光器的損耗增大，閥值電流增大，這些都不利于激光器性能的提升。
技術實現思路
基于此，本專利技術在于克服現有技術的缺陷，提供一種GaN基新型結構激光器，所述GaN基新型結構激光器在有源區和電子阻擋層之間插入了一層未摻雜的AlInGaN，可以降低極化效應，緩解了有源區和電子阻擋層表面的部分壓力，有助于增加載流子的有效勢壘高度，從而有利于減少吸收損耗和閥值電流，使激光器的性能得到顯著提升。本專利技術的另一目的在于提供所述GaN基新型結構激光器的制作方法。具體技術方案如下：一種GaN基激光器，從下至上依次包括：襯底、下限制層、下波導層、有源區層、未摻雜的AlInGaN(u-AlInGaN)極化緩解層、電子阻擋層、上波導層、上限制層、歐姆接觸層，以及位于襯底的下表面的n型歐姆電極。一般情況下，電子阻擋層會對有源區發光峰有較強的吸收，使閥值電流增大。本專利技術通過在有源區層和電子阻擋層中插入的未摻雜的AlInGaN層，可以有效的降低極化效應，改變載流子的有效勢壘高度，從而減少電子的泄露，緩解內部損耗，降低激光器的閥值電流和工作電壓，從而延長激光器的工作時間，使激光器的性能得到顯著提升。在其中一個實施例中，所述未摻雜的AlInGaN極化緩解層的厚度為5～10nm。在其中一個實施例中，所述襯底為GaN襯底。在其中一個實施例中，所述下限制層為n型AlGaN/GaN超晶格下限制層，Si摻雜濃度為2×1015～3×1018cm-3，厚度為500～800nm。在其中一個實施例中，所述下波導層為n型GaN下波導層，Si摻雜濃度為2×1014～3×1017cm-3，厚度為80～120nm。在其中一個實施例中，所述有源區層為為3個周期的多量子阱InGaN/GaN有源區層。在其中一個實施例中，所述電子阻擋層為p型AlGaN電子阻擋層，Mg摻雜濃度為2×1014～5×1017cm-3，厚度為10～30nm。在其中一個實施例中，所述上波導層為p型GaN上波導層，Mg摻雜濃度為2×1014～3×1017cm-3，厚度為50～100nm。在其中一個實施例中，所述歐姆接觸層為p型GaN歐姆接觸層，Mg摻雜濃度為6×1016～3×1020cm-3，厚度為200～500nm。所述GaN基激光器的制作方法，包括如下步驟：S1、在所述襯底上生長形成下限制層；S2、在所述下限制層上生長形成下波導層；S3、在所述下波導層上生長形成量子阱有源區層；S4、在所述量子阱有源區層上生長形成未摻雜的AlInGaN極化緩解層；S5、在所述未摻雜的AlInGaN極化緩解層上生長形成電子阻擋層；S6、在所述電子阻擋層上生長形成上波導層；S7、在所述上波導層上生長形成上限制層；S8、在所述上限制層上生長形成歐姆接觸層；S9、用刻飾法將所述上限制層和歐姆接觸層刻出對稱結構的脊形結構，然后蒸鍍絕緣層二氧化硅，最后在襯底的下表面鍍上n型歐姆電極，即得所述GaN基激光器。本專利技術的有益效果在于：本專利技術在有源區層和電子阻擋層中插入未摻雜的AlInGaN層，可以有效的降低極化效應，改變了載流子的有效勢壘高度，從而減少電子的泄露，緩解內部損耗，降低激光器的閥值電流和工作電壓，延長了激光器的工作時間。附圖說明圖1為實施例GaN基激光器的結構側面剖視圖。附圖標記說明：1、襯底；2、下限制層；3、下波導層；4、量子阱有源區層；5、u-AlInGaN極化緩解層；6、電子阻擋層；7、上波導層；8、上限制層、9、歐姆接觸層；10、n型歐姆電極。具體實施方式為使本專利技術的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及具體實施方式，對本專利技術進行進一步的詳細說明。應當理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用以解釋本專利技術，并不限定本專利技術的保護范圍。在本專利技術的術語中，p型表示摻雜Mg，u型表示不摻雜，n型表示摻雜Si。如圖1所示，一種GaN基激光器，從下至上依次包括：襯底1、下限制層2、下波導層3、有源區層4、未摻雜的AlInGaN(u-AlInGaN)極化緩解層5、電子阻擋層6、上波導層7、上限制層8、歐姆接觸層9，以及位于襯底1的下表面的n型歐姆電極10。本專利技術目的是在有源區和電子阻擋層之間插入一層未摻雜的AlInGaN(u-AlInGaN)，因為直接的p-AlGaN電子阻擋層會對有源區發光峰有較強的吸收，使閥值電流增大。但AlInGaN的使用可以降低極化效應，緩解有源區和EBL表面的部分壓力，有助于增加載流子的有效勢壘高度，從而有利于減少吸收損耗和閥值電流。AlInGaN能帶的大小可用以下公式計算：其中x，y和z＝1-x-y分別是AlInGaN材料中Al，In和Ga的含量數值，B是材料的能帶彎曲參數，AlInN，InGaN和AlGaN的能帶參數大致分別為2.5eV，1.4eV和0.7eV。由此可見，本專利技術通過在有源區層和電子阻擋層中插入的未摻雜的AlInGaN層，可以有效的降低極化效應，改變載流子的有效勢壘高度，從而減少電子的泄露，緩解內部損耗，降低激光器的閥值電流和工作電壓，從而延長激光器的工作時間，使激光器的性能得到顯著提升。進一步的，本實施例中，所述u-AlInGaN極化緩解層5的厚度為5～10nm，更具體的，所述u-AlInGaN極化緩解層5為未摻雜Al0.15In0.05Ga0.8N，厚度為10nm。進一步的，本實施例中，所述襯底1為GaN襯底。進一步本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種GaN基激光器，其特征在于，從下至上依次包括：襯底(1)、下限制層(2)、下波導層(3)、有源區層(4)、未摻雜的AlInGaN極化緩解層(5)、電子阻擋層(6)、上波導層(7)、上限制層(8)、歐姆接觸層(9)，以及位于襯底(1)的下表面的n型歐姆電極(10)。

【技術特征摘要】
2017.08.25 CN 20171074460891.一種GaN基激光器，其特征在于，從下至上依次包括：襯底(1)、下限制層(2)、下波導層(3)、有源區層(4)、未摻雜的AlInGaN極化緩解層(5)、電子阻擋層(6)、上波導層(7)、上限制層(8)、歐姆接觸層(9)，以及位于襯底(1)的下表面的n型歐姆電極(10)。2.根據權利要求1所述GaN基激光器，其特征在于，所述未摻雜的AlInGaN極化緩解層(5)的厚度為5～10nm。3.根據權利要求1所述GaN基激光器，其特征在于，所述襯底(1)為GaN襯底。4.根據權利要求1所述GaN基激光器，其特征在于，所述下限制層(2)為n型AlGaN/GaN超晶格下限制層，Si摻雜濃度為2×1015～3×1018cm-3，厚度為500～800nm。5.根據權利要求1所述GaN基激光器，其特征在于，所述下波導層(3)為n型GaN下波導層，Si摻雜濃度為2×1014～3×1017cm-3，厚度為80～120nm。6.根據權利要求1所述GaN基激光器，其特征在于，所述有源區層(4)為3個周期的多量子阱InGaN/GaN有源區層。7.根據權利要求1所述GaN基激光器，其特征在于，所述電子阻擋層(6)為p型AlGaN電子阻擋層，Mg摻雜濃度為2×1014～5×1017cm-3，厚度為10～30nm...

【專利技術屬性】
技術研發人員：孫慧卿，汪鑫，郭志友，張秀，侯玉菲，龔星，徐智鴻，劉天意，
申請(專利權)人：華南師范大學，
類型：發明
國別省市：廣東,44