一种GaN基HEMT和LD单片集成的直接调制半导体激光器结构及其生长过程制造技术

本发明专利技术公开了一种GaN基HEMT和LD单片集成的直接调制半导体激光器结构及其生长过程，该结构由GaN基HEMT和LD两部分组成，所述GaN基HEMT和所述LD被隔离层隔开；所述LD由在GaN衬底上依次外延生长的AlGaN下包层、GaN下波导层、InGaN注入层、MQW有源层、AlGaN电子阻挡层、GaN上波导层、AlGaN上包层构成；所述隔离层在所述AlGaN上包层上外延生长而成；所述GaN基HEMT由在隔离层上依次外延生长的AlGaN非掺杂层、GaN非掺杂的通道层、AlN空间隔离层、AlGaN非掺杂势垒层构成。本发明专利技术将GaN基HEMT和LD集成在同一块衬底上，实现单片集成GaN基HEMT和LD直接调制半导体激光器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及化合物半导体材料及器件
，尤其涉及到一种GaN基HEMT和LD单片集成的直接调制半导体激光器结构。
技术介绍
由于对高输出功率LED和高电子迁移率晶体管(HEMT)高功率容量的需求，LED和GaN基HEMTs的单片集成备受关注。与传统的使用脉冲宽度调制(PWM)的AC-DC功率转换控制或使用传统硅电子的模拟电流控制相比，对于LED驱动，GaN基HEMTs具有内在优势，这是因为GaN基HEMTs的优越性能，例如：高击穿电压、高工作频率、宽工作温度范围等。使用相同的GaN基材料平台，LED和HEMTs的单片集成能减小LED发光系统的制作成本，极大地提高系统的稳定性和可靠性。LED成本低、易操控，但是可见光通讯性能受到材料载流子寿命的限制，在更高频率条件下(高于1Gbit/s)，LED不能实现调制。因此，为了实现更高调制带宽和无差错传输，我们考虑用GaN基二极管激光器代替LED器件。使用绿光二极管激光器，渐变折射率塑料光纤在传输距离超过100m时，能够实现1.25Gbit/s。用二极管激光器也可以实现海下短距离的光传输。所以，将LD和GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)SEG在同一块衬底上，形成GaN基HEMT和LD单片集成的直接调制半导体激光器结构，实现降低外延生长后再刻蚀方法对上包层Al0.08Ga0.92N的损伤和LD的直接调制是本专利技术的一个重要价值。r>
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种GaN基HEMT和LD单片集成的直接调制半导体激光器结构，以将LD和GaN基HEMT集成在同一块衬底上，实现单片集成LD和GaN基HEMT，以此来实现LD的直接调制。为达到上述目的，本专利技术提供了一种GaN基HEMT和LD单片集成的直接调制半导体激光器结构，该结构由LD和GaN基HEMT两部分组成，所述LD和所述GaN基HEMT被非掺杂GaN隔离层9隔开；所述GaN基LD由在GaN衬底1上依次分子束外延生长的Al0.08Ga0.92N下包层2、GaN下波导层3、In0.02Ga0.98N注入层4、有源层5(In0.02Ga0.98N垒层×3、In0.12Ga0.88N量子阱层×2)、Al0.2Ga0.8N电子阻挡层6、GaN上波导层7、Al0.08Ga0.92N上包层8构成；所述非掺杂GaN隔离层9在所述Al0.08Ga0.92N上包层8上分子束外延生长而成；所述GaN基HEMT由在非掺杂GaN隔离层9上依次分子束外延生长的非掺杂Al0.15Ga0.85N层10、非掺杂GaN通道层11、AlN空间隔离层12、非掺杂Al0.3Ga0.7N势垒层13构成。上述方案中，所述Al0.08Ga0.92N下包层2用于将发射光限制在包层内；该Al0.08Ga0.92N下包层2的厚度为800nm。上述方案中，所述GaN下波导层3用于将载流子限制在有源区内，该GaN下波导层3的厚度为50nm。上述方案中，所述In0.02Ga0.98N注入层4用于载流子的注入，同时也利用In0.02Ga0.98N把载流子束缚在有源区内；所述In0.02Ga0.98N注入层4的厚度为50nm。上述方案中，所述有源层5用于激励载流子受激发射形成放大的光，所述有源层5包括三层In0.02Ga0.98N势垒层、两层In0.12Ga0.88N量子阱层，这五层结构间隔分布。上述方案中，所述Al0.2Ga0.8N电子阻挡层6用于将电子限制在有源层内，该Al0.2Ga0.8N电子阻挡层6的厚度为20nm。上述方案中，所述GaN上波导层7用于进一步将电子限制在有源层和电子阻挡层内，该GaN上波导层7的厚度为80nm。上述方案中，所述Al0.08Ga0.92N上包层8用于将发射光限制在波导层内，该Al0.08Ga0.92N上包层8的厚度为350nm。上述方案中，所述非掺杂GaN隔离层9用于将LD和HEMT的外延结构隔开；该非掺杂GaN隔离层9的厚度为170nm。上述方案中，所述非掺杂Al0.15Ga0.85N层10的厚度为55nm，所述非掺杂GaN通道层11的厚度为200nm，所述AlN空间隔离层12的厚度为1nm，所述非掺杂Al0.3Ga0.7N势垒层13的厚度为20nm。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果。从上述技术方案可以看出，本专利技术提供的这种GaN基HEMT和LD单片集成的直接调制半导体激光器结构，是在常规GaN基LD外延结构的基础上，生长了非掺杂GaN隔离层、非掺杂Al0.15Ga0.85N层、非掺杂GaN通道层、AlN空间隔离层、非掺杂Al0.3Ga0.7N势垒层用来实现HEMT。非掺杂GaN隔离层将LD和GaN基HEMT隔开。本专利技术提供的这种GaN基HEMT和LD单片集成的直接调制半导体激光器结构，能够实现LD的直接调制，还有利于减小器件尺寸，使激光器结构紧凑。另外，本专利技术提供的这种GaN基HEMT和LD单片集成的直接调制半导体激光器结构，可以用于海下短距离的光传输。附图说明图1是常规GaN基LD材料结构的示意图；图2是常规GaN基HEMT料结构的示意图；图3是本专利技术提供的GaN基HEMT和LD单片集成的直接调制半导体激光器结构的示意图。图中：1-GaN衬底，2-Al0.08Ga0.92N下包层，3-GaN下波导层，4-In0.02Ga0.98N注入层，5-有源层，6-Al0.2Ga0.8N电子阻挡层，7-Al0.08Ga0.92N上包层，8-Al0.08Ga0.92N上包层，9-非掺杂GaN隔离层，10-非掺杂Al0.15Ga0.85N层，11-非掺杂GaN通道层，12-AlN空间隔离层，13-非掺杂Al0.3Ga0.7N势垒层。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。本专利技术提供的这种GaN基HEMT和LD单片集成的直接调制半导体激光器结构，是在常规GaN基LD外延结构的基础上，生长了非掺杂GaN隔离层9、非掺杂Al0.15Ga0.85N层10、非掺杂GaN通道层11、AlN空间隔离层12、非掺杂Al0.3Ga0.7N势垒层13用来实现HEMT。非掺杂GaN隔离层9将LD和HEMT隔开，经过相应的工艺，可以达到单片集成LD和GaN基HEMT的目的。如图1所示，图1是常规GaN基LD材料结构的示意图。该结构...

【技术保护点】
一种GaN基HEMT和LD单片集成的直接调制半导体激光器结构，其特征在于：该结构由LD和GaN基HEMT两部分组成，所述LD和所述GaN基HEMT被非掺杂GaN隔离层(9)隔开；所述GaN基LD由在GaN衬底(1)上依次分子束外延生长的Al0.08Ga0.92N下包层(2)、GaN下波导层(3)、In0.02Ga0.98N注入层(4)、有源层(5)、Al0.2Ga0.8N电子阻挡层(6)、GaN上波导层(7)、Al0.08Ga0.92N上包层(8)构成；所述非掺杂GaN隔离层(9)在所述Al0.08Ga0.92N上包层(8)上分子束外延生长而成；所述GaN基HEMT由在非掺杂GaN隔离层(9)上依次分子束外延生长的非掺杂Al0.15Ga0.85N层(10)、非掺杂GaN通道层(11)、AlN空间隔离层(12)、非掺杂Al0.3Ga0.7N势垒层(13)构成。

【技术特征摘要】
1.一种GaN基HEMT和LD单片集成的直接调制半导体激光器
结构，其特征在于：该结构由LD和GaN基HEMT两部分组成，所
述LD和所述GaN基HEMT被非掺杂GaN隔离层(9)隔开；所述
GaN基LD由在GaN衬底(1)上依次分子束外延生长的Al0.08Ga0.92N
下包层(2)、GaN下波导层(3)、In0.02Ga0.98N注入层(4)、有源层
(5)、Al0.2Ga0.8N电子阻挡层(6)、GaN上波导层(7)、Al0.08Ga0.92N
上包层(8)构成；所述非掺杂GaN隔离层(9)在所述Al0.08Ga0.92N
上包层(8)上分子束外延生长而成；所述GaN基HEMT由在非掺
杂GaN隔离层(9)上依次分子束外延生长的非掺杂Al0.15Ga0.85N层
(10)、非掺杂GaN通道层(11)、AlN空间隔离层(12)、非掺杂
Al0.3Ga0.7N势垒层(13)构成。
2.根据权利要求1所述的一种GaN基HEMT和LD单片集成的
直接调制半导体激光器结构，其特征在于：所述Al0.08Ga0.92N下包层
(2)用于将发射光限制在包层内；该Al0.08Ga0.92N下包层(2)的厚
度为800nm。
3.根据权利要求1所述的一种GaN基HEMT和LD单片集成的
直接调制半导体激光器结构，其特征在于：该GaN下波导层(3)的
厚度为50nm。
4.根据权利要求1所述的一种GaN基HEMT和LD单片集成的
直接调制半导体激光器结构，其特征在于：所述In0.02Ga0.98N注入层
(4)用于载流子的注入，同时也利用In0.02Ga0.98N把载流子束缚在有
源区内；所述In0.02Ga0.98N注入层(4)的厚度为50nm。
5.根据权利要求1所述的一种GaN基HEMT和LD单片集成的
直接调制半导体激光器结构，其特征在于：所述有源层(5)用于激
励载流子受激发射形成放大的光，所述有源层(5)包括三层
In0.02Ga0.98N势垒层、两层In0.12Ga0.88N量子阱层，这五层结构间隔分
布。
6.根据权利要求1所述的一种GaN基HEMT和LD单片集成的
直接调制半导体激光器结构，其特征在于：所述Al0.2Ga0.8N电子阻挡
层(6)用于将电子限制在有源层内，该Al0.2Ga0.8N电子阻挡层(6)
的厚度为20nm。
7.根据权利要求1所述的一种GaN基HEMT和LD单片集成的
直接调制半导体激光器结构，其特征在于：所述GaN上波导层(7)
用...

【专利技术属性】
技术研发人员：王智勇，吕朝蕙，王清，尧舜，郑建华，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11