电泵浦深紫外AlGaN半导体激光器及其制备方法技术

电泵浦深紫外AlGaN半导体激光器及其制备方法涉及半导体激光器制造技术领域，解决了无法实现更短发光波长的问题，包括从下至上依次设置的衬底、AlN缓冲层、n型AlGaN限制层、n型AlGaN波导层、AlGaN有源层、p型AlGaN波导层、p面高反射率限制层，还包括设置在n型AlGaN限制层上且不连接n型AlGaN波导层的n面电极、设置在p型AlGaN波导层上且不连接p型AlGaN波导层的p面电极。方法包括在衬底上外延生长、p型掺杂；光刻、刻蚀电极图形；沉积金属电极；制备谐振腔面；腔面膜沉积。本发明专利技术降低了器件的阈值密度电流密度、提高器件的内量子效率、降低发光波长；制备方法工艺简单且应用前景广阔。

Electro-pumped Deep Ultraviolet AlGaN Semiconductor Laser and Its Fabrication Method

Electro-pumped deep-ultraviolet AlGaN semiconductor lasers and their fabrication methods involve the field of semiconductor laser fabrication technology, which solves the problem that shorter light-emitting wavelength can not be achieved, including substrate, AlN buffer layer, n-type AlGaN limiting layer, n-type AlGaN waveguide layer, AlGaN active layer, p-type AlGaN waveguide layer, p-type AlGaN high reflectivity limiting layer, and n-type AlGaN buffer layer. The n-PLANE electrodes on the confinement layer and disconnected n-type AlGaN waveguide layer, and the P-plane electrodes on the p-type AlGaN waveguide layer and disconnected p-type AlGaN waveguide layer. The methods include epitaxial growth on substrate, P type doping, photolithography, etching electrode pattern, deposition of metal electrodes, preparation of resonant cavity surface and deposition of cavity film. The invention reduces the threshold density current density of the device, improves the internal quantum efficiency of the device, and reduces the light-emitting wavelength; the preparation method has simple process and broad application prospect.

【技术实现步骤摘要】
电泵浦深紫外AlGaN半导体激光器及其制备方法
本专利技术涉及半导体激光器制造
，具体涉及电泵浦深紫外AlGaN半导体激光器及其制备方法。
技术介绍
三元合金AlGaN是直接带隙跃迁半导体，具有宽的带隙，禁带宽度随着Al组分含量的变化在3.4eV-6.2eV之间连续可调，是制作波长在210nm-365nm之间紫外(1-380nm)及深紫外(<300nm)发光半导体激光器的理想材料。电泵浦的深紫外AlGaN半导体激光器以其独一无二的时空相干性、高光束质量、高功率密度和快速调制特性，在激光精密加工、高密度存储、纳米光刻、医疗诊断、消毒杀菌、生物化学技术、气敏传感以及材料科学等领域具有十分重要的应用价值。传统的电泵浦深紫外AlGaN半导体激光器的基本结构主要是由p型高Al组分AlxGaN(x>0.8)限制层、p型中Al组分AlGaN波导层、低Al组分AlGaN有源层、n型中Al组分AlGaN波导层、n型高Al组分AlxGaN(x>0.8)限制层组成。受AlGaN材料外延生长技术和条件的限制，高Al组分AlGaN材料的p型掺杂十分困难，导致半导体激光器串联电阻增加、p型载流子注入效率降低，从而引起器件的阈值电流密度升高、内量子效率降低。目前电泵浦深紫外AlGaN半导体激光器的最短波长只能达到336nm，而更短波长的电泵浦深紫外半导体激光器却一直无法实现。因此，采用一种新式器件结构，降低器件的等效电阻，是获取高功率高效率电泵浦深紫外发光AlGaN半导体激光器的有效途径之一。
技术实现思路
为了解决电泵浦深紫外发光AlGaN半导体激光器无法实现更短发光波长的问题，本专利技术提供电泵浦深紫外AlGaN半导体激光器及其制备方法。本专利技术为解决技术问题所采用的技术方案如下：电泵浦深紫外AlGaN半导体激光器，包括衬底，还包括：设置在衬底上的AlN缓冲层；设置在AlN缓冲层上的n型AlGaN限制层；设置在n型AlGaN限制层上的n型AlGaN波导层；设置在n型AlGaN限制层上的n面电极，所述n面电极与n型AlGaN波导层不连接；设置在n型AlGaN波导层上的AlGaN有源层；设置在AlGaN有源层上的p型AlGaN波导层；设置在p型AlGaN波导层上的p面高反射率限制层；设置在p型AlGaN波导层上的p面电极，所述p面电极与p型AlGaN波导层不连接。电泵浦深紫外AlGaN半导体激光器的制备方法，包括如下步骤：步骤一、在衬底上进行外延生长，得到深紫外AlGaN半导体激光器结构的芯片，所述芯片具有AlN缓冲层、n型AlGaN限制层、n型AlGaN限制层、n型AlGaN波导层、AlGaN有源层、半成品p型AlGaN波导层、初级半成品的n面电极和初级半成品的p面电极，对半成品p型AlGaN波导层进行p型掺杂退火得到p型AlGaN波导层；步骤二、光刻芯片制备初级半成品的n面电极的电极图形和初级半成品的p面电极的电极图形；步骤三、刻蚀初级半成品的n面电极的电极图形得到中级半成品的n面电极，刻蚀初级半成品的p面电极的电极图形得到中级半成品的p面电极；步骤四、在中级半成品的n面电极上沉积金属电极材料得到n面电极，在中级半成品的p面电极上沉积金属电极材料得到p面电极；步骤五、制备谐振腔面；步骤六、对谐振腔面的前腔面和后腔面进行膜材料沉积；如果所述p面高反射率限制层为分布布拉格反射镜或所述p面高反射率限制层采用AlxGaN材料，则步骤一中所述外延生长得到的芯片还具有p面高反射率限制层，其中x>0.8；如果所述p面高反射率限制层为介质高反膜，则在步骤四和步骤五之间还包括在步骤四所得芯片上沉积介质高反膜材料制备p面高反射率限制层的步骤。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术的电泵浦深紫外AlGaN半导体激光器通过改变器件电极(n面电极和p面电极)接触结构，将p面电极直接从p型AlGaN波导层上表面引入，使注入电流绕过高电阻的p面高反射率限制层而直接进入低电阻的p型AlGaN波导层和AlGaN有源区，从而降低器件的等效电阻，并同时提高p型载流子的注入效率，进而降低器件的阈值密度电流密度、提高器件的内量子效率、降低电泵浦深紫外AlGaN半导体激光器发光波长，发光波长能达到低于280nm。本专利技术的电泵浦深紫外AlGaN半导体激光器的应用前景广阔。2、本专利技术的电泵浦深紫外AlGaN半导体激光器的制备方法通过改变器件的电极接触结构，将p面电极直接从p型AlGaN波导层上表面引入，使注入电流绕过高电阻的p面高反射率限制层而直接进入低电阻的p型AlGaN波导层和AlGaN有源区，通过该方法能够有效降低电泵浦深紫外AlGaN半导体激光器的等效电阻，并同时提高p型载流子的注入效率，减小阈值电流密度、增加内量子效率，为进一步降低器件发光波长和提高器件性能提供了一种有效途径，制得的激光器的发光波长能达到低于280nm。本专利技术的制备方法具有工艺简单，效果显著，应用前景广阔的优点。附图说明图1为本专利技术的电泵浦深紫外AlGaN半导体激光器的剖视图。图2为本专利技术的电泵浦深紫外AlGaN半导体激光器的俯视图。图中：1、p面高反射率限制层，2、p型AlGaN波导层，3、AlGaN有源层，4、n型AlGaN波导层，5、n型AlGaN限制层，6、AlN缓冲层，7、衬底，8、p面电极，9、n面电极。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步详细说明。电泵浦深紫外AlGaN半导体激光器，其剖面结构示意图如图1所示，其俯视图如图2所示，包括衬底7、AlN缓冲层6、n型AlGaN限制层5、n型AlGaN波导层4、n面电极9、AlGaN有源层3、p型AlGaN波导层2、p面高反射率限制层1和p面电极8。AlN缓冲层6设置在衬底7上。n型AlGaN限制层5设置在AlN缓冲层6上。n型AlGaN波导层4和n面电极9都设置在n型AlGaN限制层5上，n面电极9与n型AlGaN波导层4两者不连接，不相互接触。AlGaN有源层3设置在n型AlGaN波导层4上。p型AlGaN波导层2设置在AlGaN有源层3上。p面高反射率限制层1和p面电极8设置在p型AlGaN波导层2上，p面电极8与p型AlGaN波导层2不连接，不相互接触。本专利技术的电泵浦深紫外AlGaN半导体激光器为内腔接触式电泵浦深紫外发光水平腔边发射半导体激光器，其电流传输路径如下：p面电极8是内腔接触式电极，注入电流从p面电极8开始，绕过p面高反射率限制层1，直接通过p型AlGaN波导层2进入AlGaN有源层3，再经过n型AlGaN波导层4和n型AlGaN限制层5，最后进入n面电极9，从而实现完整的电流回路。本专利技术通过改变器件电极(n面电极9和p面电极8)接触结构，将p面电极8直接从p型AlGaN波导层2上表面引入，使注入电流绕过高电阻的p面高反射率限制层1而直接进入低电阻的p型AlGaN波导层2和AlGaN有源区，从而降低器件的等效电阻，并同时提高p型载流子的注入效率，进而降低器件的阈值密度电流密度、提高器件的内量子效率、降低电泵浦深紫外AlGaN半导体激光器发光波长，发光波长能达到低于280nm。本专利技术的电泵浦深紫外AlGaN半导体激光器的应用前景广阔。p面高反射率限制层1的电阻率不受限制，p面高反射率限制层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.电泵浦深紫外AlGaN半导体激光器，包括衬底(7)，其特征在于，还包括：设置在衬底(7)上的AlN缓冲层(6)；设置在AlN缓冲层(6)上的n型AlGaN限制层(5)；设置在n型AlGaN限制层(5)上的n型AlGaN波导层(4)；设置在n型AlGaN限制层(5)上的n面电极(9)，所述n面电极(9)与n型AlGaN波导层(4)不连接；设置在n型AlGaN波导层(4)上的AlGaN有源层(3)；设置在AlGaN有源层(3)上的p型AlGaN波导层(2)；设置在p型AlGaN波导层(2)上的p面高反射率限制层(1)；设置在p型AlGaN波导层(2)上的p面电极(8)，所述p面电极(8)与p型AlGaN波导层(2)不连接。

【技术特征摘要】
1.电泵浦深紫外AlGaN半导体激光器，包括衬底(7)，其特征在于，还包括：设置在衬底(7)上的AlN缓冲层(6)；设置在AlN缓冲层(6)上的n型AlGaN限制层(5)；设置在n型AlGaN限制层(5)上的n型AlGaN波导层(4)；设置在n型AlGaN限制层(5)上的n面电极(9)，所述n面电极(9)与n型AlGaN波导层(4)不连接；设置在n型AlGaN波导层(4)上的AlGaN有源层(3)；设置在AlGaN有源层(3)上的p型AlGaN波导层(2)；设置在p型AlGaN波导层(2)上的p面高反射率限制层(1)；设置在p型AlGaN波导层(2)上的p面电极(8)，所述p面电极(8)与p型AlGaN波导层(2)不连接。2.如权利要求1所述的电泵浦深紫外AlGaN半导体激光器，其特征在于，所述衬底(7)为蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底、氮化镓衬底、氮化铝衬底或氮化铝衬底。3.如权利要求1所述的电泵浦深紫外AlGaN半导体激光器，其特征在于，所述p面高反射率限制层(1)对AlGaN有源层(3)的发光波长具有高的反射率。4.如权利要求3所述的电泵浦深紫外AlGaN半导体激光器，其特征在于，所述p面高反射率限制层(1)为分布布拉格反射镜或为介质高反膜；或所述p面高反射率限制层(1)的材料为AlxGaN，其中x>0.8。5.如权利要求4所述的电泵浦深紫外AlGaN半导体激光器，其特征在于，所述分布布拉格反射镜为AlN/AlGaN分布布拉格反射镜。6.如权利要求1至5中任意一项所述的电泵浦深紫外AlGaN半导体激光器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、在衬底(7)上进行外延生长，得到深紫外AlGaN半导体激光器结构的芯片，所述芯片具有AlN缓冲层(6)、n型AlGaN限制层(5)、n型AlGaN限制层(5)、n型AlGaN波导层(4)、AlGaN有源层(3)、半成品p型AlGaN波导层、初级半成品的n面电极和初级半成品的p面电极，对半成品p型AlGaN波导层进行p型掺杂退火得到p型AlGaN波导层(2)；步骤二、光刻芯片制备初级半成品的n面电极的电极图形和初级半成品的p面电极的电极图形；步骤三、刻蚀初级半成品的n面电极的电极图形得到中级半成品的n面电极，刻蚀初级半成品的p面电极的电极图形得到中级半成品的p面...

【专利技术属性】
技术研发人员：黎大兵，王勇，孙晓娟，贾玉萍，石芝铭，刘新科，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林,22