一种基于氮化镓衬底的激光二极管及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于氮化镓衬底的激光二极管及其制备方法，所述激光二极管包括从下到上依次层叠设置的GaN单晶衬底、n‑GaN层、n型限制层、下复合波导层、量子阱有源区、电子阻挡层、上复合波导层、p型限制层和p‑GaN接触层。本发明专利技术通过优化设计激光器下复合波导层、量子阱有源区、电子阻挡层、上复合波导层结构，可以有效降低激光器的半峰宽，改善激光器光束质量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于氮化镓衬底的激光二极管及其制备方法
本专利技术涉及激光二极管
，更具体地，涉及一种基于氮化镓衬底的激光二极管及其制备方法。
技术介绍
III-V族氮化物半导体材料，是继硅、砷化镓之后的第三代半导体材料，包含了氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)和氮化铟(InN)及它们的合金，是直接带隙半导体，具有禁带宽度大(范围为0.7-6.2eV)、击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强以及耐化学腐蚀等优点。这些光电性质上的优势使III-V族氮化物材料在光电子领域(如LED和LD)具有极强的竞争优势，处于不可替代的地位，是制作从紫外到绿光波段半导体激光器的理想材料。随着激光显示技术的快速发展，对GaN基激光器的需求变得更加迫切。然而目前半导体激光器量子效率较低，半峰宽在3nm至8nm之间。中国专利申请CN110729631A公开了一种基于氮化镓单晶衬底的激光二极管，该激光二极管具有较高的量子效率，但其激光器的半峰宽为7nm，难以满足当下的需求。因此需要开发出一种使激光器半峰宽更窄的激光二极管。
技术实现思路
本专利技术为克服上述现有技术所述的激光器半峰宽较宽的缺陷，提供一种基于氮化镓衬底的激光二极管，提供的激光二极管可以有效降低激光器的半峰宽，改善激光器光束质量。本专利技术的另一目的在于提供上述基于氮化镓衬底的激光二极管的制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种基于氮化镓衬底的激光二极管，包括从下到上依次层叠设置的GaN单晶衬底、n-GaN层、n型限制层、下复合波导层、量子阱有源区、电子阻挡层、上复合波导层、p型限制层和p-GaN接触层；所述电子阻挡层为Al组分双向阶梯式分布的p-AlGaN/InGaN超晶格，超晶格周期数为10～15，包括从下到上依次层叠设置的第一梯度电子阻挡层、第二梯度电子阻挡层、第三梯度电子阻挡层、第四梯度电子阻挡层和第五梯度电子阻挡层；其中第一梯度电子阻挡层为周期数为2～3的AlGaN/InGaN超晶格，Al组分含量占Al和Ga总量的比值为0～0.05，AlGaN厚度为0.5～1.5nm，GaN厚度为0.5～1.5nm；第二梯度电子阻挡层为周期数为2～3的AlGaN/InGaN超晶格，Al组分含量占Al和Ga总量的比值为0.05～0.10，AlGaN厚度为0.5～1.5nm，GaN厚度为0.5～1.5nm；第三梯度电子阻挡层为周期数为2～3的AlGaN/InGaN超晶格，Al组分含量占Al和Ga总量的比值为0.10～0.15，AlGaN厚度为0.5～1.5nm，GaN厚度为0.5～1.5nm；第四梯度电子阻挡层为周期数为2～3的AlGaN/InGaN超晶格，Al组分含量占Al和Ga总量的比值为0.05～0.10，AlGaN厚度为0.5～1.5nm，GaN厚度为0.5～1.5nm；第五梯度电子阻挡层为周期数为2～3的AlGaN/InGaN超晶格，Al组分含量占Al和Ga总量的比值为0～0.05，AlGaN厚度为0.5～1.5nm，GaN厚度为0.5～1.5nm，Mg掺杂浓度为1017～1018cm-3；二茂镁作为p型掺杂源。优选地，下复合波导层为In组分梯度变化的InGaN复合波导层，总厚度为120～160nm，包括从下到上依次层叠设置的第一层InGaN、第二层InGaN、第三层InGaN、第四层InGaN/GaN超晶格；其中第一层InGaN厚度为30～40nm，In组分含量占In和Ga总量的比值为0.01～0.02；第二层InGaN厚度为30～40nm，In组分含量占In和Ga总量的比值为0.03～0.04；第三层InGaN厚度为30～40nm，In组分含量占In和Ga总量的比值为0.05～0.06；第四层InGaN/GaN超晶格，周期数10，InGaN厚度为1.5～2nm，GaN厚度为1.5～2nm，In组分含量占In和Ga总量的比值为0.08～0.10；InGaN/GaN超晶格中GaN垒层Si掺杂浓度为1018～1019cm-3；硅烷作为n型掺杂源。优选地，量子阱有源区为势垒厚度非对称分布的InGaN/GaN量子阱结构，包括从下到上依次层叠设置的第一垒层、第一阱层、第二垒层、第二阱层、第三垒层；其中第一垒层为重掺的n+-GaN，n+-GaN厚度为10～15nm，Si掺杂浓度为1018～1019cm-3；第一阱层为InGaN阱层，厚度为2～3nm，In组分含量占In和Ga总量的比值为0.1～0.3；第二垒层为u-InGaN，厚度为8～10nm，In组分含量占In和Ga总量的比值为0.005～0.01；第二阱层为InGaN阱层，厚度为3～4nm，In组分含量占In和Ga总量的比值为0.10～0.30；第三垒层为非掺杂u-InGaN，厚度为5～8nm，In组分含量占In和Ga总量的比值为0.01～0.03；硅烷作为n型掺杂源。优选地，上复合波导层为In组分梯度变化的InGaN复合波导层，总厚度为120～160nm，包括从下到上依次层叠设置的第一层InGaN/GaN超晶格、第二层InGaN、第三层InGaN和第四层InGaN；其中第一层InGaN/GaN超晶格，周期数10，InGaN厚度为1.5～2nm，GaN厚度为1.5～2nm，In组分含量占In和Ga总量的比值为0.08～0.10；第二层InGaN厚度为30～40nm，In组分含量占In和Ga总量的比值为0.04～0.05；第三层InGaN厚度为30～40nm，In组分含量占In和Ga总量的比值为0.03～0.04；第四层InGaN厚度为30～40nm，In组分含量占In和Ga总量的比值为0.02～0.03。优选地，所述n-GaN层厚度为2～4μm，硅烷作为n型掺杂源，Si掺杂浓度为1018～1019cm-3。优选地，所述n型限制层为n-AlGaN/GaN超晶格，超晶格周期数为100～150；AlGaN厚度为2.5～3nm，Al组分含量占Al和Ga总量的比值为0.05～0.15，GaN厚度为2.5～3nm；硅烷作为n型掺杂源，Si掺杂浓度为1018～1019cm-3。优选地，所述p型限制层为p-AlGaN/GaN超晶格，超晶格周期数为100～150；AlGaN厚度为2.5～3nm，Al组分含量占Al和Ga总量的比值为0.05～0.15，GaN厚度为2.5～3nm；二茂镁作为p型掺杂源，Mg掺杂浓度为1017～1018cm-3。优选地，所述p-GaN接触层厚度为100～150nm；二茂镁作为p型掺杂源，Mg掺杂浓度为1017～1018cm-3。本专利技术还保护上述激光二极管的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：S1.在氢气和氨气混合气氛中，温度900～1100℃条件下，对GaN单晶衬底进行表面活化处理；S2.在氢气气氛中，温度950～1200℃条件下，通入三甲基镓作为III族源，氨气作为V族源，SiH4作为n型掺杂源，在GaN单晶衬底上生长n-GaN层；S3.在氢气气氛中，温度850～1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于氮化镓衬底的激光二极管，其特征在于，包括从下到上依次层叠设置的GaN单晶衬底、n-GaN层、n型限制层、下复合波导层、量子阱有源区、电子阻挡层、上复合波导层、p型限制层和p-GaN接触层；/n所述电子阻挡层为Al组分双向阶梯式分布的p-AlGaN/InGaN超晶格，超晶格周期数为10～15，包括从下到上依次层叠设置的第一梯度电子阻挡层、第二梯度电子阻挡层、第三梯度电子阻挡层、第四梯度电子阻挡层和第五梯度电子阻挡层；/n其中第一梯度电子阻挡层为周期数为2～3的AlGaN/InGaN超晶格，Al组分含量占Al和Ga总量的比值为0～0.05，AlGaN厚度为0.5～1.5nm，GaN厚度为0.5～1.5nm；第二梯度电子阻挡层为周期数为2～3的AlGaN/InGaN超晶格，Al组分含量占Al和Ga总量的比值为0.05～0.10，AlGaN厚度为0.5～1.5nm，GaN厚度为0.5～1.5nm；第三梯度电子阻挡层为周期数为2～3的AlGaN/InGaN超晶格，Al组分含量占Al和Ga总量的比值为0.10～0.15，AlGaN厚度为0.5～1.5nm，GaN厚度为0.5～1.5nm；第四梯度电子阻挡层为周期数为2～3的AlGaN/InGaN超晶格，Al组分含量占Al和Ga总量的比值为0.05～0.10，AlGaN厚度为0.5～1.5nm，GaN厚度为0.5～1.5nm；第五梯度电子阻挡层为周期数为2～3的AlGaN/InGaN超晶格，Al组分含量占Al和Ga总量的比值为0～0.05，AlGaN厚度为0.5～1.5nm，GaN厚度为0.5～1.5nm，Mg掺杂浓度为10...

【技术特征摘要】
1.一种基于氮化镓衬底的激光二极管，其特征在于，包括从下到上依次层叠设置的GaN单晶衬底、n-GaN层、n型限制层、下复合波导层、量子阱有源区、电子阻挡层、上复合波导层、p型限制层和p-GaN接触层；
所述电子阻挡层为Al组分双向阶梯式分布的p-AlGaN/InGaN超晶格，超晶格周期数为10～15，包括从下到上依次层叠设置的第一梯度电子阻挡层、第二梯度电子阻挡层、第三梯度电子阻挡层、第四梯度电子阻挡层和第五梯度电子阻挡层；
其中第一梯度电子阻挡层为周期数为2～3的AlGaN/InGaN超晶格，Al组分含量占Al和Ga总量的比值为0～0.05，AlGaN厚度为0.5～1.5nm，GaN厚度为0.5～1.5nm；第二梯度电子阻挡层为周期数为2～3的AlGaN/InGaN超晶格，Al组分含量占Al和Ga总量的比值为0.05～0.10，AlGaN厚度为0.5～1.5nm，GaN厚度为0.5～1.5nm；第三梯度电子阻挡层为周期数为2～3的AlGaN/InGaN超晶格，Al组分含量占Al和Ga总量的比值为0.10～0.15，AlGaN厚度为0.5～1.5nm，GaN厚度为0.5～1.5nm；第四梯度电子阻挡层为周期数为2～3的AlGaN/InGaN超晶格，Al组分含量占Al和Ga总量的比值为0.05～0.10，AlGaN厚度为0.5～1.5nm，GaN厚度为0.5～1.5nm；第五梯度电子阻挡层为周期数为2～3的AlGaN/InGaN超晶格，Al组分含量占Al和Ga总量的比值为0～0.05，AlGaN厚度为0.5～1.5nm，GaN厚度为0.5～1.5nm，Mg掺杂浓度为1017～1018cm-3。


2.根据权利要求1所述的激光二极管，其特征在于，所述下复合波导层为In组分梯度变化的InGaN复合波导层，总厚度为120～160nm，包括从下到上依次层叠设置的第一层InGaN、第二层InGaN、第三层InGaN、第四层InGaN/GaN超晶格；
其中第一层InGaN厚度为30～40nm，In组分含量占In和Ga总量的比值为0.01～0.02；第二层InGaN厚度为30～40nm，In组分含量占In和Ga总量的比值为0.03～0.04；第三层InGaN厚度为30～40nm，In组分含量占In和Ga总量的比值为0.05～0.06；第四层InGaN/GaN超晶格，周期数10，InGaN厚度为1.5～2nm，GaN厚度为1.5～2nm，In组分含量占In和Ga总量的比值为0.08～0.10；InGaN/GaN超晶格中GaN垒层Si掺杂浓度为1018～1019cm-3。


3.根据权利要求2所述的激光二极管，其特征在于，所述量子阱有源区为势垒厚度非对称分布的InGaN/GaN量子阱结构，包括从下到上依次层叠设置的第一垒层、第一阱层、第二垒层、第二阱层、第三垒层；
其中第一垒层为重掺的n+-GaN，n+-GaN厚度为10～15nm，Si掺杂浓度为1018～1019cm-3；第一阱层为InGaN阱层，厚度为2～3nm，In组分含量占In和Ga总量的比值为0.1～0.3；第二垒层为u-InGaN，厚度为8～10nm，In组分含量占In和Ga总量的比值为0.005～0.01；第二阱层为InGaN阱层，厚度为3～4nm，In组分含量占In和Ga总量的比值为0.10～0.30；第三垒层为非掺杂u-InGaN，厚度为5～8nm，In组分含量占In和Ga总量的比值为0.01～0.03。


4.根据权利要求3所述的激光二极管，其特征在于，所述上复合波导层为In组分梯度变化的InGaN复合波导层，总厚度为120～160nm，包括从下到上依次层叠设置的第一层InG...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾传宇，
申请(专利权)人：东莞理工学院，
类型：发明
国别省市：广东;44