InGaN/AlInN量子阱激光器及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种InGaN/AlInN量子阱激光器，由下至上依次包括：衬底、缓冲层、下包覆层、下V型波导层、有源区、电子阻挡层、上V型波导层、上包覆层、欧姆接触层和电极，所述下V型波导层和上V型波导层均为AlGaN材料，所述有源区为InGaN/AlInN量子阱层。所述InGaN/AlInN量子阱激光器以AlGaN材料为波导层、有源区以AlInN材料作为垒层、InGaN作为阱层，降低了材料的晶格失配，有源区中极化现象弱，极化场和腔面损耗小，阀值电流低，量子阱激光器的光学性能优异。

【技术实现步骤摘要】
InGaN/AlInN量子阱激光器及其制作方法
本专利技术涉及量子阱激光器
，具体的，本专利技术涉及一种InGaN/AlInN量子阱激光器及其制作方法。
技术介绍
近年来，Ⅲ-Ⅴ族氮化物材料由于其较大的禁带宽度和广泛的可调带隙范围而备受关注。常见的Ⅲ-Ⅴ族氮化物如GaN、AlN和InN可以形成一个连续的三元合金体系，其直接带隙宽度覆盖了从红外到紫外的波长范围。量子阱激光器是一种以超薄层量子阱结构作为有源区的异质结激光器。与气体激光器和固体激光器相比，量子阱激光器可自由选择适当的有源区材料和厚度，其发射波长范围广，具有较高的光电转换效率。将Ⅲ-Ⅴ族氮化物材料应用到量子阱激光器中可提高激光器的性能，应用范围也更为广泛。如GaN基量子阱激光器在光学信号存储、激光显示、激光打印、激光照明等领域具有广阔的应用前景。然而，制造高性能GaN基量子阱激光器有一定难度，不仅要考虑材料及其质量是否合适，还要考虑制造工艺的合理性。量子阱激光器结构复杂，包括包覆层、有源层、波导层、电子阻挡层等，因此器件结构设计尤为重要，合理设计器件结构有助于提高量子阱激光器的性能。传统的GaN基量子阱激光器采用InGaN作为阱层，GaN作为垒层，由于垒与阱之间存在较大的晶格失配，会导致其在生长过程中出现高的缺陷密度，影响激光器的质量。而且，晶格失配的存在还会引起量子阱中产生较大的极化效应，降低电子和空穴的辐射复合，减少激光器的发光效率。此外，有研究表明：GaN基量子阱激光器通常采用GaN作为波导层，上波导层与电子阻挡层之间大的晶格失配的存在，增大了材料的应力，从而导致激光器腔面分层，增加了激光器的阀值电流和腔面的散射损耗，影响激光器的远场特性。
技术实现思路
基于此，本专利技术在于克服现有技术的缺陷，提供一种以AlGaN材料为波导层、有源区以AlInN材料作为垒层、InGaN为作阱层的InGaN/AlInN量子阱激光器，所述InGaN/AlInN量子阱激光器降低了材料的晶格失配，有源区中极化现象弱，极化场和腔面损耗小，阀值电流低，量子阱激光器的光学性能优异。具体技术方案如下：本专利技术的另一目的在于提供所述InGaN/AlInN量子阱激光器的制作方法。其技术方案如下：一种InGaN/AlInN量子阱激光器，由下至上依次包括：衬底、缓冲层、下包覆层、下V型波导层、有源区、电子阻挡层、上V型波导层、上包覆层、欧姆接触层和电极，所述下V型波导层和上V型波导层均为AlGaN材料，所述有源区为InGaN/AlInN量子阱层。本专利技术用AlInN垒层代替了传统的GaN垒层，具有以下优点：通过调整垒层中Al和In材料的含量，可使阱层和垒层材料的晶格常数比较接近，进而降低量子阱间的晶格失配，改善量子阱中的极化场，减弱了有源区中的极化现象；由于极化场的减弱，InGaN/AlInN量子阱的能带不会像传统的InGaN/GaN量子阱的能带一样出现严重倾斜，降低了因能带倾斜而产生周期震荡的可能性；再者，垒阱层晶格相匹配，减少了量子阱内由于应力存在所产生的位错和缺陷，降低了非辐射复合中心密度，提高了激光器的内量子效率；此外，垒层Al成分的加入，增加了垒层的高度。有利于提高“量子阱陷阱效应”对缺陷和杂质的阻挡作用，且更多电子和空穴被限制在有源区，提高了有源区载流子的辐射复合率；调整三元合金AlInN垒层的组分，可更好的补偿量子阱中的应力，减少压电极化和价带间耦合，有利于增强电子空穴的波函数空间的交叠，增大光学跃迁的矩阵元，提高量子阱激光器的增益。另一方面，本专利技术采用AlGaNV型波导层代替了传统InGaN或GaN波导层，具有如下优势：AlxGa1-xN/AlyGa1-yN波导层与包覆层和电子阻挡层之间的晶格相匹配，缓解了由于极化场存在产生的能带弯曲，提高了空穴的注入率，进而改善量子阱激光器的光学性能；此外，通过调整波导层材料的组分设计成V型波导层，在波导层与电子阻挡层界面处形成折射率垒，有效降低了界面的应力，约束了激光横向有源区上方的扩展，避免因应力存在而造成激光器腔面分层，增大激光器有源区的限制因子，各层界面相对平整，提高了激射效率，减少激光器的吸收损耗，降低了激光器的阀值电流。在其中一个实施例中，所述有源区由下至上依次包括AlxIn1-xN垒层，InGaN阱层，AlxIn1-xN垒层，InGaN阱层，AlxIn1-xN垒层，其中，AlxIn1-xN垒层中Al的含量为0.15。在其中一个实施例中，所述InGaN阱层的总厚度为2～2.5nm，所述AlxIn1-xN垒层的总厚度为8～10nm。在其中一个实施例中，所述下V型波导层组成材料为组分渐变的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN，其中，所述x从0.08-0渐变，所述y从0-0.08渐变。在其中一个实施例中，所述下V型波导层为N型掺杂，掺杂浓度为2.0×1017～4.5×1017cm-3，厚度为0.1～0.3μm。在其中一个实施例中，所述上V型波导层组成材料为组分渐变的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN，x从0.08-0渐变，y从0-0.08渐变。考虑到上波导层与上包覆层和电子阻挡层间的晶格失配，将上V型波导层设计成组分渐变的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN，可以改善量子阱激光器腔面的分层现象，从而有望制造出高性能激光器。在其中一个实施例中，所述上V型上波导层为p型掺杂，掺杂浓度为1.0×1017～3.0×1017cm-3，厚度为0.1～0.3μm。在其中一个实施例中，所述缓冲层为N型铟镓氮缓冲层，其中N型杂质为Si，掺杂浓度为2.0×1018～4.0×1018cm-3，铟组分含量为0.04～0.06，厚度为0.3～0.5μm。在其中一个实施例中，所述下包覆层为N型AlGaN下包覆层，N型杂质为Si，掺杂浓度为2.5×1018～3.5×1018cm-3，Al组分含量为0.07～0.09，厚度为0.3～0.5μm。在其中一个实施例中，所述电子阻挡层为P型铝镓氮材料，掺杂浓度为1.0×1018～2.0×1018cm-3，Al组分含量为0.25～0.35，厚度为18～25nm。在其中一个实施例中，所述包覆层为P型AlGaN，P型杂质为Mg，掺杂浓度为1.0×1018～2.0×1018cm-3，Al组分含量为0.07～0.09，厚度为0.3～0.5μm在其中一个实施例中，所述欧姆接触层为P型GaN材料，掺杂浓度为1.0×1018～2.5×1018cm-3，厚度为0.1～0.2μm。在其中一个实施例中，所述电极为P型电极。所述InGaN/AlInN量子阱激光器的制作方法，包括如下步骤：S1、在所述衬底上生长形成缓冲层；S2、在所述缓冲层上生长形成下包覆层；S3、在所述下包覆层上生长形成下V型波导层；S4、在所述下V型波导层上生长形成有源区；S5、在所述有源区上生长形成电子阻挡层；S6、在所述电子阻挡层上生长形成上V型波导层；S7、在所述上V型波导层上生长形成上包覆层；S8、在所述上包覆层上生长形成欧姆接触层；S9、在所述欧姆接触层生长形成电极。本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术采用AlxIn1-xN材料代替了传统的GaN垒层材料，设计该量子垒层的优点在于：其一，通过调整垒层Al的组分，量子阱层InGaN材料与垒层AlI本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种InGaN/AlInN量子阱激光器，其特征在于，由下至上依次包括：衬底(1)、缓冲层(2)、下包覆层(3)、下V型波导层(4)、有源区(5)、电子阻挡层(6)、上V型波导层(7)、上包覆层(8)、欧姆接触层(9)和电极(10)，所述下V型波导层(4)和上V型波导层(7)均为AlGaN材料，所述有源区(5)为InGaN/AlInN量子阱层。

【技术特征摘要】
2017.08.25 CN 20171074290641.一种InGaN/AlInN量子阱激光器，其特征在于，由下至上依次包括：衬底(1)、缓冲层(2)、下包覆层(3)、下V型波导层(4)、有源区(5)、电子阻挡层(6)、上V型波导层(7)、上包覆层(8)、欧姆接触层(9)和电极(10)，所述下V型波导层(4)和上V型波导层(7)均为AlGaN材料，所述有源区(5)为InGaN/AlInN量子阱层。2.根据权利要求1所述InGaN/AlInN量子阱激光器，其特征在于，所述有源区(5)由下至上依次包括AlxIn1-xN垒层(5a)，InGaN阱层(5b)，AlxIn1-xN垒层(5c)，InGaN阱层(5d)，AlxIn1-xN垒层(5e)，其中，AlxIn1-xN垒层中Al的含量为0.15。3.根据权利要求2所述InGaN/AlInN量子阱激光器，其特征在于，所述InGaN阱层(5b)和InGaN阱层(5d)的总厚度为2～2.5nm，所述AlxIn1-xN垒层(5a)、AlxIn1-xN垒层(5c)和AlxIn1-xN垒层(5e)的总厚度为8～10nm。4.根据权利要求1所述InGaN/AlInN量子阱激光器，其特征在于，所述下V型波导层(4)组成材料为组分渐变的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN，其中，所述x从0.08-0渐变，所述y从0-0.08渐变。5.根据权利要求4所述InGaN/AlInN量子阱激光器，其特征在于，所述下V型波导层(4)为N型掺杂，掺杂浓度为2.0×1017～4.5×1017cm-3，厚度为0.1～0.3μm。6.根据权利要求1所述InGaN/Al...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭志友，侯玉菲，孙慧卿，汪鑫，张秀，龚星，徐智鸿，刘天意，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东,44