GaN基紫外激光器晶圆、激光器芯片及激光器及其制备方法技术

一种GaN基紫外激光器晶圆，包括叠置于GaN衬底正面上的n型限制层、n型波导层、有源区、u型波导层、p型限制层和p型接触层，其中：在n型波导层和有源区之间还有一n型空穴阻挡层；在u型波导层和p型限制层之间还有一p型电子阻挡层；该GaN基紫外激光器晶圆为脊型结构。以及一种GaN基紫外激光器晶圆的制备方法、通过解理、镀膜形成的激光芯片、通过封装形成的激光器。本发明专利技术在u型波导层/n型波导层与限制层/有源区之间插入p型电子阻挡层/n型空穴阻挡层；可在u型波导层与限制层之间/n型波导层和有源区之间形成高的势垒，有效阻止电子/空穴泄漏到有源区以外靠近p/n区的位置；从而可降低GaN基紫外激光器的阈值电流，提高功率和光电转换效率。

【技术实现步骤摘要】
GaN基紫外激光器晶圆、激光器芯片及激光器及其制备方法
本专利技术属于半导体光电子器件
，更具体地涉及一种GaN基紫外激光器晶圆、激光器芯片及激光器及其制备方法。
技术介绍
随着半导体光电子器件的迅速发展，氮化镓基激光器因其优越的性能被广泛研究和应用。由于氮化镓具有较宽的禁带宽度，因此它的发光波长可以覆盖整个可见光光谱，具有很大的可调性；另外，氮化镓基激光器具有发光效率高，热导率高，化学稳定性好的特点，可广泛应用于工业加工领域、医学治疗领域、军事领域以及理论研究领域。但目前为止，对氮化镓基激光器的研究制备比较成熟的是蓝紫光波段，而紫外激光器还处于研究阶段。氮化镓基紫外激光器材料层主要分为三部分：单量子阱或多量子阱形成的有源区、有源区一侧为有源区提供电子的n区、有源区另一侧为有源区提供空穴的p区。通过施加外加偏压驱动电子和空穴在垂直于结平面的方向上注入激光器结构，进入有源区的大部分载流子进行复合并产生光，而另一部分载流子由于近紫外激光器结构中量子阱比较浅而泄漏到量子阱外，造成载流子的损失，从而导致激光器性能下降。通过侧面两端的解理镜面形成反馈腔，使得电子空穴复合产生的光在腔内不断谐振并且形成波前平行于镜面的驻波。如果有源区内的光增益超过了激光器结构里的光损耗，就会产生放大的受激辐射，激光便会从镜面端面发射出来。为了提高激光器的性能、降低阈值电流以及增大光输出功率，必须降低载流子的泄漏。
技术实现思路
基于以上问题，本专利技术的主要目的在于提出一种GaN基紫外激光器晶圆、激光器芯片及激光器及其制备方法，用于解决以上技术问题的至少之一。为了实现上述目的，作为本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种GaN基紫外激光器晶圆，包括叠置形成于GaN衬底正面上的n型限制层、n型波导层、有源区、u型波导层、p型限制层和p型接触层，其中：在n型波导层和有源区之间还形成有一n型空穴阻挡层；在u型波导层和p型限制层之间还形成有一p型电子阻挡层；该GaN基紫外激光器晶圆为脊型结构。在本专利技术的一些实施例中，上述n型空穴阻挡层为n型掺杂结构，掺杂浓度为5×1018cm-3；p型电子阻挡层为p型掺杂结构，掺杂浓度为5×1019cm-3；u型波导层无掺杂。在本专利技术的一些实施例中，上述n型空穴阻挡层的主体材料包括AlGaN或InAlGaN；优选地，AlGaN材料中Al的原子个数百分比为5％～25％；InAlGaN材料中In的原子个数百分比为0～15％，Al的原子个数百分比为20％～40％；优选地，n型空穴阻挡层的厚度为5～30nm。在本专利技术的一些实施例中，上述p型电子阻挡层的主体材料包括AlGaN或InAlGaN；优选地，AlGaN材料中Al的原子个数百分比为10％～30％；InAlGaN材料中In的原子个数百分比为0～15％，Al的原子个数百分比为0～40％；优选地，p型电子阻挡层的厚度为5～30nm。在本专利技术的一些实施例中，上述有源区为量子阱有源区，其中的量子阱个数为1～5个，每个量子阱的厚度为1～10nm。在本专利技术的一些实施例中，上述量子阱的主体材料为GaN或InGaN；相应地，量子阱有源区中的量子垒的主体材料为GaN或InGaN。在本专利技术的一些实施例中，上述GaN衬底的厚度为0.5～2μm；n型限制层的厚度为0.5～2μm；n型波导层的厚度为0.03～0.15μm；u型波导层的厚度为0.03～0.15μm；p型限制层的厚度为0.05～0.12μm；p型接触层的厚度为0.02～0.05μm。在本专利技术的一些实施例中，上述n型限制层的主体材料为Al原子个数百分比2％～10％的AlGaN；n型波导层的主体材料为GaN或In原子个数百分比0～2％的InGaN；u型波导层的主体材料为GaN或In原子个数百分比0.1％～2％的InGaN；p型限制层的主体材料为Al原子个数百分比5％～12％的AlGaN；p型接触层的主体材料为GaN。为了实现上述目的，作为本专利技术的另一个方面，本专利技术提出了一种上述的GaN基紫外激光器晶圆的制备方法，包括以下步骤：步骤1、在GaN衬底上依次生长n型限制层、n型波导层、n型空穴阻挡层、有源区、u型波导层、p型电子阻挡层、p型限制层和p型接触层；步骤2、部分的刻蚀u型波导层、p型电子阻挡层、p型限制层和p型接触层，形成脊型结构；步骤3、在脊型结构的脊台上制备p型电极，同时打薄GaN衬底，并在GaN衬底的背面制备n型电极，完成GaN基紫外激光器晶圆的制备。为了实现上述目的，作为本专利技术的再一个方面，本专利技术提出了一种GaN基紫外激光器芯片，由上述的制备方法制备得到的GaN基紫外激光器晶圆，经解理、镀膜后得到。为了实现上述目的，作为本专利技术的又一个方面，本专利技术提出了一种GaN基紫外激光器，由上述的GaN基紫外激光器芯片封装后得到。本专利技术提出的GaN基紫外激光器晶圆、激光器芯片及激光器及其制备方法，具有以下有益效果：1、在u型波导层与限制层之间插入p型电子阻挡层，在n型波导层和有源区之间插入n型空穴阻挡层；可在u型波导层与限制层之间形成高的势垒，有效阻止电子泄漏到有源区以外靠近p区的位置；且在n型波导层和有源区之间形成高的势垒，从而有效阻止空穴泄漏到有源区以外靠近n区的位置，降低GaN基紫外激光器的阈值电流，提高功率和光电转换效率；2、对p型电子阻挡层和n型空穴阻挡层分别进行p型和n型掺杂，从而可尽量减小p型电子阻挡层/n型空穴阻挡层的设置引起的，对空穴/电子注入的影响；3、选择合适的p型电子阻挡层和n型空穴阻挡层的厚度和材料组分，可使得电子和空穴被很好的限制在有源区进行复合发光；同时，可避免增加过多电阻引起的器件性能的恶化。附图说明图1是本专利技术一实施例提出的GaN基紫外激光器晶圆的制备方法中完成步骤1后的结构示意图；图2是本专利技术一实施例提出的GaN基紫外激光器晶圆的制备方法中完成步骤2后的结构示意图；图3是本专利技术一实施例提出的GaN基紫外激光器晶圆的制备方法中完成步骤3后的结构示意图；图4是本专利技术一实施例提出的GaN基紫外激光器晶圆的能带示意图；图5是本专利技术一实施例提出的GaN基紫外激光器添加与未添加空穴阻挡层的模拟结果图。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，对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术公开了一种GaN基紫外激光器晶圆，包括叠置形成于GaN衬底正面上的n型限制层、n型波导层、有源区、u型波导层、p型限制层和p型接触层，其中：在n型波导层和有源区之间还有一n型空穴阻挡层；在u型波导层和p型限制层之间还有一p型电子阻挡层；该GaN基紫外激光器晶圆为脊型结构。因此，本专利技术在u型波导层与限制层之间插入p型电子阻挡层，在n型波导层和有源区之间插入n型空穴阻挡层；可在u型波导层与限制层之间形成高的势垒，有效阻止电子泄漏到有源区以外靠近p区的位置；且在n型波导层和有源区之间形成高的势垒，从而有效阻止空穴泄漏到有源区以外靠近n区的位置，降低GaN基紫外激光器的阈值电流，提高功率和光电转换效率。在本专利技术的一些实施例中，上述u型波导层无掺杂。在本专利技术的一些实施例中，n型空穴阻挡层掺杂Si，掺杂浓度为5×1018cm-3；p型电子阻挡层掺杂Mg，掺杂浓度为5×1019cm-3，从而可尽量减本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种GaN基紫外激光器晶圆，包括叠置形成于GaN衬底正面上的n型限制层、n型波导层、有源区、u型波导层、p型限制层和p型接触层，其中：在所述n型波导层和有源区之间还形成有一n型空穴阻挡层；在所述u型波导层和p型限制层之间还形成有一p型电子阻挡层；所述GaN基紫外激光器晶圆为脊型结构。

【技术特征摘要】
1.一种GaN基紫外激光器晶圆，包括叠置形成于GaN衬底正面上的n型限制层、n型波导层、有源区、u型波导层、p型限制层和p型接触层，其中：在所述n型波导层和有源区之间还形成有一n型空穴阻挡层；在所述u型波导层和p型限制层之间还形成有一p型电子阻挡层；所述GaN基紫外激光器晶圆为脊型结构。2.如权利要求1所述的GaN基紫外激光器晶圆，其中，所述n型空穴阻挡层为n型掺杂结构，掺杂浓度为5×1018cm-3；所述p型电子阻挡层为p型掺杂结构，掺杂浓度为5×1019cm-3；所述u型波导层无掺杂。3.如权利要求1所述的GaN基紫外激光器晶圆，其中：所述n型空穴阻挡层的主体材料包括AlGaN或InAlGaN；优选地，所述AlGaN材料中Al的原子个数百分比为5％～25％；所述InAlGaN材料中In的原子个数百分比为0～15％，Al的原子个数百分比为20％～40％；优选地，所述n型空穴阻挡层的厚度为5～30nm。4.如权利要求1所述的GaN基紫外激光器晶圆，其中：所述p型电子阻挡层的主体材料包括AlGaN或InAlGaN；优选地，所述AlGaN材料中Al的原子个数百分比为10％～30％；所述InAlGaN材料中In的原子个数百分比为0～15％，Al的原子个数百分比为0～40％；优选地，所述p型电子阻挡层的厚度为5～30nm。5.如权利要求1所述的GaN基紫外激光器晶圆，其中：所述有源区为量子阱有源区，其中的量子阱个数为1～5个，每个量子阱的厚度为1～10nm；优选地，所述量子阱的主体材料为GaN或InGaN；相应地，所述量子阱有源区中...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢瑶，赵德刚，江德生，刘宗顺，陈平，朱建军，杨静，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11