GaN衬底激光二极管制造技术

一种GaN衬底激光二极管装置，包括：设置在GaN衬底上的缓冲层（11）；设置在缓冲层上的共掺杂层（12）；设置于共掺杂层12上面的n型包覆层；n型包覆层上设置有有源层，由氮化物III-V族化合物半导体构成；在有源层上设置有P型包覆层；所述共掺杂层，由包含至少3B族元素中的镓和至少5B族元素中的氮的III-V族化合物半导体构成，并且被共掺杂作为施主工作的杂质的硅和锗之一和作为受主工作的杂质的镁和锌之一，其中所述共掺杂层的载流子浓度是从2.0×1018cm-3至8.0×1018cm-3，以及其中所述共掺杂层具有比所述n型覆层的禁带窄的禁带，所述共掺杂层的导电类型是n型。本发明专利技术所提供的激光器光输出波长稳定，具有较高的发光效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种半导体激光二极管，尤其涉及一种GaN衬底的激光管。
技术介绍
在光纤通信、光纤传感、医疗检测、环境监测、科学研究等领域中半导体激光器被广泛应用。近年来，GaN衬底的氮化物化合物激光二极管装置已经被广泛地用作高容量光盘、光纤传感器、环境监测、光通信等
，具有较高输出和较高可靠性的装置已经处于积极的研发中。在这样的氮化物化合物激光二极管装置中，相对于有源层的垂直方向(竖直方向)中的光学约束通过使用光导层和覆层实现。现有的激光二极管装置在光输出稳定性、发光效率等方面存在着诸多的不足与缺陷。
技术实现思路
为克服现有技术的缺陷与不足，本专利技术的目的在于提供一种具有较好光输出稳定性，发光效率较高的GaN衬底激光二极管。为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种GaN衬底激光二极管装置，包括：设置在GaN衬底上的缓冲层（11）；设置在缓冲层上的共掺杂层（12）；设置于共掺杂层12上面的n型包覆层；n型包覆层上设置有有源层，由氮化物III-V族化合物半导体构成；在有源层上设置有P型包覆层；所述共掺杂层，由包含镓和氮的III-V族化合物半导体构成，并且被共掺杂作为施主工作的杂质的硅和作为受主工作的杂质的镁，其中所述共掺杂层的载流子浓度是从2.0×1018cm-3至8.0×1018cm-3，以及其中所述共掺杂层具有比所述n型覆层的禁带窄的禁带，所述共掺杂层的导电类型是n型。所述n型包覆层包括第一n型包覆层和第二n型包覆层。其中所述n型覆层由AlxGa1-xN混合晶体构成，其中0.01＜x≤0.86,研究表明如果铝的含量超过0.86，半导体基片产生裂纹的概率大大增加，并且对于给定的铝成份比率x具有不超过裂纹产生临界膜厚度的厚度。其中所述共掺杂层中Mg杂质的浓度为2.6×1018cm-3至5.3×1018cm-3，Si杂质的浓度为3.0×1018cm-3至6.0×1018cm-3。其中作为所述共掺杂层的厚度为50-200nm。从下列描述中，本专利技术的其它和进一步的目标、特征和优点将更为充分地显见。附图说明图1是示出根据本专利技术实施例的激光二极管装置的结构的截面图；具体实施方式以下将参考附图描述本专利技术的实施例。图1示出了根据本专利技术实施例的激光二极管装置的截面结构，该激光二极管具有其中共掺杂层13、第一n型覆层14、第二n型覆层15、n型光导层16、n侧居间层17、有源层18、p侧居间层19、电子阻挡层20、p型覆层21和p侧接触层22依次被层叠于由GaN构成的衬底11的一表面侧上，具有缓冲层12位于中间。缓冲层12例如1.00-5.00μm厚，并且由掺杂作为n型杂质的硅Si的n型GaN构成。共掺杂层13用于吸收通过第二n型覆层15和第一n型覆层14渗出至衬底11侧的光。共掺杂层13设置为相邻于第一n型覆层14，并且具有比第一n型覆层14和第二n型覆层15的禁带窄的禁带。共掺杂层13由例如包含至少3B族元素中的镓Ga和至少5B族元素中的氮N的氮化物III-V族化合物半导体构成，并且被掺杂作为施主工作的杂质的硅Si和作为受主工作的杂质的镁Mg。由此，在该激光二极管装置中，可以抑制渗出至衬底11侧的光和穿过有源层18的波导的光之间的模式耦合。共掺杂层13的组份材料的实例包括GaN和InGaN混合晶体。具体地，优选GaN。在使用InGaN混合晶体的情形中，尽管能够增加吸收系数，但是难于控制最适合的成份，并且存在影响第一n型覆层14的结晶的可能性。研究表明，未掺杂杂质的未掺杂GaN层在400nm处的吸收系数（cm-1）不超过10，掺杂硅Si的GaN层在400nm处的吸收系数（cm-1）不会超过30，、掺杂镁Mg的GaN层在400nm处的吸收系数（cm-1）不会超过100，和而共掺杂硅Si和镁Mg的GaN层吸收系数明显高于掺杂单种杂质的其它样品。同时研究含发现Mg杂质的浓度为2.6×1018cm-3至5.3×1018cm-3，Si杂质的浓度为3.0×1018cm-3至6.0×1018cm-3时上述吸收系数出现峰值，能够多达1000，该数值最为适合激光器输出波长稳定的激光，而在上述浓度范围外是发光效率明显下降。发现在共掺杂层13设置于衬底11/缓冲层12和第一n型覆层14之间的情形中，通过第二n型覆层15和第一n型覆层14渗出至衬底11侧的光能够被吸收而不增加第一n型覆层14和第二n型覆层15的厚度。此外，通过调整共掺杂层13的厚度和杂质的添加浓度可以避免光吸收量过大。因而，可以避免阈值电流或者工作电流增加。但是，共掺杂层13的厚度优选为480nm或者更小。如果共掺杂层13的厚度是480nm或者更大，则结晶性可能被共掺杂所干扰。共掺杂层13的导电类型优选是n型。共掺杂层13的载流子浓度优选从2.0×1018cm-3至8.0×1018cm-3，都包括两端点。2.0×1018cm-3的载流子浓度对应于产生实现反转分布(inverted population)所必须的载流子的下限值。值8.0×1019cm-3对应于在共掺杂层13在结晶和光学特性不受影响的范围内被掺杂杂质的情形中可以产生载流子浓度的上限值。共掺杂层13的作为受主工作的杂质(例如镁Mg)的添加浓度，优选从2.6×1018cm-3至5.3×1018cm-3。研究表明在上述数值范围对产生载流子最为有利。如果镁Mg的添加浓度超出上述数值范围，则载流子浓度变得逐渐减小。在某个杂质添加浓度时载流子浓度饱和或者下降的现象也出现在其它化合物半导体中。此外，如果杂质被添加直至出现载流子浓度饱和或者下降时，则结晶度下降。因而，作为共掺杂层13的受主工作的杂质的添加浓度的上限值优选是5.3×1018cm-3。调整添加浓度使得在从下限值至上限值的范围中获得理想的吸收量。具体地，大约5.0×1018cm-3可以被实现。作为共掺杂层13的受主工作的杂质的添加浓度在共掺杂层13的厚度方向中可以是均匀的，但是添加浓度可以逐渐增加，或者可以逐渐减小。例如，作为受主工作的杂质的添加浓度在共掺杂层13的厚度方向的两端(在与衬底11的界面附近或者在与第一n型覆层14的界面附近)都优选低于在共掺杂层13的厚度方向中的中心作为受主工作的杂质的添加浓度。由此，避免作为受主工作的杂质(例如镁)在衬底11中或者在第一n型覆层14中被分散。作为共掺杂层13的施主工作的杂质(例如硅Si)的添加浓度，优选是Si本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种GaN衬底激光二极管装置，包括：设置在GaN衬底上的缓冲层；设置在缓冲层上的共掺杂层；设置于共掺杂层上面的n型包覆层；n型包覆层上设置有有源层，由氮化物III‑V族化合物半导体构成；在有源层上设置有P型包覆层；所述共掺杂层，由包含镓和氮的III‑V族化合物半导体构成，并且被共掺杂作为施主工作的杂质的硅和作为受主工作的杂质的镁，其中所述共掺杂层的载流子浓度是从2.0×1018cm‑3至8.0×1018cm‑3，以及其中所述共掺杂层具有比所述n型覆层的禁带窄的禁带，所述共掺杂层的导电类型是n型。

【技术特征摘要】
1.一种GaN衬底激光二极管装置，包括：
设置在GaN衬底上的缓冲层；
设置在缓冲层上的共掺杂层；
设置于共掺杂层上面的n型包覆层；
n型包覆层上设置有有源层，由氮化物III-V族化合物半导体构成；
在有源层上设置有P型包覆层；
所述共掺杂层，由包含镓和氮的III-V族化合物半导体构成，并且被共掺
杂作为施主工作的杂质的硅和作为受主工作的杂质的镁，
其中所述共掺杂层的载流子浓度是从2.0×1018cm-3至8.0×1018cm-3，以及
其中所述共掺杂层具有比所述n型覆层的禁带窄的禁带，所述共掺杂层的
导电类型是n型。
2.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：耿振民，
申请(专利权)人：无锡华御信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32