基于渐变铝镓氮电子阻挡异质结的高功率激光二极管制造技术

本发明专利技术公开了一种基于渐变铝镓氮电子阻挡异质结的高功率激光二极管，该激光二极管是在衬底上从下到上依次层叠设置的n型下限制层、下波导层、有源区、上波导层、p型渐变Al

【技术实现步骤摘要】
基于渐变铝镓氮电子阻挡异质结的高功率激光二极管


[0001]本专利技术涉及半导体激光二极管，尤其涉及一种氮化镓基半导体激光二极管。

技术介绍

[0002]氮化镓(GaN)基半导体激光二极管(LD)具有效率高、阈值低、体积小、易于集成等优点，在照明、显示、信息存储以及生物化学等领域有着广泛的应用。
[0003]当前GaN基激光器正朝向高功率方向发展，然而在提升功率过程中激光器面临效率骤降(Efficiency Droop)的难题。一般认为造成激光器效率下降的重要原因之一是漏电流的增大，其物理起源是空穴注入效果变差以及高能量电子泄漏至p型区域。
[0004]针对电子向p区泄露的问题，目前广泛采用的解决方案是在p型铝镓氮(AlGaN)限制层前增加几到十几纳米的高Al组分电子阻挡层EBL(electron
‑
blocking layer)，从而形成一个针对电子的GaN/AlGaN异质结势垒。然而这一设计会带来一系列原理以及技术上的困难：
[0005]1.由于EBL层Al组分明显高于p型限制层，在两层之间会形成异质结，阻挡电子的同时也对空穴电流有阻挡作用，降低了空穴注入效率；
[0006]2.由于EBL层非常薄，部分电子会通过量子隧穿效应越过势垒层，从而导致漏电。尽管增加EBL层Al组分或厚度可以增强对电子的阻挡作用，但也会增加空穴注入的难度，并导致过高的串联电阻；
[0007]3.EBL层一般要采用15％甚至更高Al组分的AlGaN，对于通常的蓝光LD，如此高Al组分，同时精确保证数纳米的厚度给生长带来了困难；
[0008]4.EBL层需要较高水平的p型掺杂以便于空穴注入，而在如此高的Al组分以及极小的厚度下实现有效的掺杂与激活是非常困难的。

技术实现思路

[0009]为了解决上述困难，本专利技术提供了一种基于渐变组分AlGaN层的电子阻挡异质结高功率激光二极管，通过单层的渐变AlGaN层代替了电子阻挡层和限制层的双层结构。
[0010]本专利技术提供的激光二极管包括衬底和在衬底上从下到上依次层叠设置的n型下限制层、下波导层、有源区、上波导层、p型渐变Al
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Ga1‑
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N层、p型GaN接触层，其中p型渐变Al
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Ga1‑
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N层靠近n区侧Al组分较高，靠近接触层侧Al组分渐变至0，即p型渐变Al
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Ga1‑
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N层由下到上Al组分含量x从0.1～0.2的某一数值线性渐变至0。
[0011]本专利技术的激光二极管外延结构中，在上波导层上用单层p型渐变Al
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Ga1‑
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N层代替传统结构中的“EBL+上限制层”。在本专利技术的实施例中，所述p型渐变Al
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Ga1‑
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N层的Al组分含量x由下到上从0.15线性渐变至0，该渐变层中Mg掺杂浓度优选为1E17/cm3～1E20/cm3。
[0012]所述p型渐变Al
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Ga1‑
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N层的厚度优选为300～600nm。
[0013]本专利技术的激光二极管外延结构中，所述衬底优选为n型GaN自支撑同质衬底；所述n型下限制层优选为n型AlGaN下限制层；所述下波导层可以是非故意掺杂或n型的GaN下波导
层，也可以是非故意掺杂或n型的InGaN下波导层；所述有源区优选为InGaN多量子阱；所述上波导层可以是非故意掺杂的GaN上波导层，或者是非故意掺杂的InGaN上波导层；所述p型GaN接触层优选为高Mg掺杂的p型GaN接触层，Mg掺杂浓度一般在1E20/cm3以上。
[0014]在本专利技术的激光二极管中，渐变AlGaN层同时承载着光场限制层以及电子阻挡层的作用，但具有更加优异的性质，包括：
[0015]1.渐变层的下端具有较高的Al组分，进而具有比波导层(InGaN或GaN)更低的折射率，从而将光场限制在波导层中形成光学谐振腔；
[0016]2.渐变层的下端与上波导层接触处形成了GaN/AlGaN异质结。由于AlGaN比GaN具有更大的带隙，在异质结处对由下到上的电子电流具有阻挡作用，从而抑制了漏电流；
[0017]3.由于渐变层取代了EBL，不会在EBL与限制层间形成异质结阻挡空穴注入；
[0018]4.通过改变渐变层的掺杂浓度，可以调节上波导层与渐变层能带的相对位置，从而增大电子势垒，阻挡漏电流，同时减小空穴势垒，增强空穴注入。通常异质结带阶是相对确定的量，但类比pn结内建电场对能带的移动作用，本专利技术利用掺杂调控波导层与渐变层的相对势能：目前的GaN基激光器通常采用非故意掺杂的上波导层设计，由于存在氮空位等原因通常呈现弱n型(～10
16
cm
‑3浓度)；当渐变层采用较高浓度p型掺杂时，其空穴会向上波导层扩散，且载流子的迁移破坏了电中性条件，使得渐变层电势降低，上波导层电势升高，从而改变了两层能带的相对位置；
[0019]5.渐变层上端Al组分渐变为0，与GaN接触层组分相同，没有形成异质结，不会对空穴电流造成阻挡，有利于空穴注入；
[0020]6.渐变层上部分Al组分低，有利于Mg的激活，保证了较高的空穴浓度；
[0021]7.渐变层具有极化掺杂效应。Al组分线性渐变层可以产生可观(～10
18
cm
‑3)的空穴，且浓度不会随温度降低而明显降低，有利于实现低温工作的GaN基LD。
[0022]总之，相比EBL+限制层的传统激光器结构，由于电子隧穿与势垒高度以及势垒厚度呈负相关，本专利技术的渐变层结构通过掺杂调制实现了更高的电子势垒，且具有更大的势垒厚度，因此在大功率下具有更好的电子阻挡作用，漏电流明显减小；同时由于减少了限制层与EBL层、接触层界面形成的两个异质结空穴势垒，渐变层结构具有更好的空穴注入效果，进一步减少了漏电流，提升了效率。
[0023]相比高Al组分的单层限制层结构，本专利技术的渐变层结构由于平均Al组分更低，更利于空穴注入，且由于极化掺杂效应，渐变层Mg的激活更稳定，空穴浓度更高，电阻更小，且利于在低温环境下工作；此外，在蓝光GaN基激光器外延生长中，高Al组分厚层由于晶格失配与热失配的缘故容易发生开裂，而渐变层则相对更容易生长成为完整晶体。
附图说明
[0024]图1是采用电子阻挡层+限制层的传统结构与本专利技术采用p型渐变Al
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Ga1‑
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N层的渐变结构的氮化镓基半导体激光二极管(LD)的结构示意图。
[0025]图2是图1所示传统结构(左)和渐变结构(右)的激光二极管的输运原理示意图。
[0026]图3是实施例中三种结构的激光二极管的功率
‑
电流特性曲线(a)、内量子效率(b)和漏电流(c)仿真结果。
[0027]图4是实施例中三种结构的激光二极管的电光转换效率仿真结果。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光二极管，包括衬底和在衬底上从下到上依次层叠设置的n型下限制层、下波导层、有源区、上波导层、p型渐变Al
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Ga1‑
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N层、p型GaN接触层，其中p型渐变Al
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Ga1‑
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N层由下到上Al组分含量x从0.1～0.2的某一数值线性渐变至0。2.如权利要求1所述的激光二极管，其特征在于，所述p型渐变Al
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Ga1‑
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N层的Al组分含量x由下到上从0.15线性渐变至0。3.如权利要求1所述的激光二极管，其特征在于，所述p型渐变Al
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Ga1‑
x
N层中Mg掺杂浓度为1E17/cm3～1E20/cm3。4.如权利要求1所述的激光二极管...

【专利技术属性】
技术研发人员：李曙琨，胡晓东，郎睿，雷孟铼，陈焕卿，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：