一种氮化镓基激光器外延结构及具有该结构的激光器制造技术

本发明专利技术公开了一种氮化镓基激光器外延结构及具有该结构的激光器，涉及半导体光电子器件领域。本发明专利技术通过对氮化镓基激光器的有源区结构及外延生长方法进行设计，有效提升有源区晶体质量以及载流子向有源区注入效率，同时，通过设计新型光波导层结构和生长方法，在提升光场限制效果的基础上有效减少内损耗。此外，本发明专利技术还进一步设计了氮化镓基激光器外延结构的其它各层结构，进一步提升光场限制效果，降低激光器的内损耗。降低激光器的内损耗。降低激光器的内损耗。

【技术实现步骤摘要】
一种氮化镓基激光器外延结构及具有该结构的激光器


[0001]本专利技术涉及半导体光电子器件
，更具体地，涉及一种氮化镓基激光器外延结构及具有该结构的激光器。

技术介绍

[0002]III
‑
V族氮化物半导体材料是制作从紫外到绿光波段半导体激光器的理想材料。GaN基绿光激光器是激光显示三基色光源之一，有着巨大的科研价值、经济价值及市场前景。
[0003]近年来国内在氮化镓基半导体激光器研究方面取得了较大进展，其中蓝绿光激光器的输出功率、阈值电流密度、工作电压等方面已经接近或达到国际先进水平，然而在激光器结构设计和生长方法优化方面，高量子效率应力调控有源区、新型超晶格光波导层、新型光限制层仍旧存在不足，导致激光器存在有源区量子效率低、光场限制因子小、激光器内损耗大的问题。
[0004]现有技术公开了一种氮化镓基激光二极管外延结构及其制备方法，通过设计渐变In组分梯形有源区结构，得到全新的氮化镓基激光二极管外延结构，用作激光器进行光泵激射时，半峰宽较窄，光束质量高。但是该有源区生长过程中主要采用恒温或线性变温生长，得到的有源区量子效率仍有待提高。

技术实现思路

[0005]本专利技术为了克服现有技术存在有源区量子效率低，导致光功率较低的缺陷和不足，提供一种氮化镓基激光器外延结构，通过对量子阱有源区结构及其外延生长方法进行设计，有效提升有源区量子效率。
[0006]本专利技术的另一目的在于提供一种具有上述结构的氮化镓基激光器。
[0007]本专利技术上述目的通过以下技术方案实现：
[0008]一种氮化镓基激光器外延结构，包括从下到上依次层叠设置的GaN单晶衬底101、n型GaN层102、n型限制层103、n型下波导层104、有源区105、上波导层106、电子阻挡层107、p型GaN上波导层108、p型限制层109和p型接触层110；
[0009]所述有源区为非对称InGaN/GaN双量子阱结构，从下到上依次层叠设有第一InGaN垒层，第一InGaN阱层、第二GaN垒层、第二InGaN阱层和InGaN最后垒层；
[0010]所述有源区第一InGaN阱层和第二InGaN阱层厚度为2～6nm，采用分步式生长法，先在700～800℃下生长0.5～1nm，再在780～850℃下进行再结晶处理，经过3～12个周期重复生长，获得InGaN阱层。
[0011]其中需要说明的是：
[0012]传统氮化镓基激光器外延结构中，有源区中的InGaN量子阱(即阱层)与GaN垒层的晶格失配大，导致受到较大的应力，从而产生高密度的界面缺陷，这些缺陷严重影响了InGaN/GaN量子阱的量子效率，进而降低了光功率。此外，InGaN量子阱表面的富In团簇也是
界面缺陷形成的主要原因。
[0013]本专利技术通过特殊的分步式生长方法，提供一定的温度使得InGaN阱层先顺利生长一定的厚度，再升高温度到一定范围内，对InGaN阱层进行高温再结晶处理，提升原子在材料表面的迁移能力，保证原子在晶格表面迁移时可以落到能量最低点，从而减少界面缺陷的产生。
[0014]同时，生长过程中需要控制InGaN阱层每一次的生长厚度，避免生长的厚度过大，原子生长层数较多，增加晶体内部缺陷，导致后续高温再结晶处理时无法修复缺陷。
[0015]分步式生长过程中，所述再结晶处理的温度大于生长的温度。
[0016]本专利技术所述有源区第一垒层为重掺n
+
‑
InGaN结构，其中，n
+
‑
InGaN厚度为5～15nm，生长温度为800～950℃，In组分和下波导层In组分含量相同，n型掺杂源为Si，Si掺杂浓度为10
18
～10
19
cm
‑3；所述第二GaN垒层厚度为3～10nm，生长温度为800～950℃；所述InGaN最后垒层的厚度为3～10nm，生长温度为800～950℃，其中In组分和上波导层中In组分含量相同。
[0017]具体地，所述有源区的第一InGaN阱层和第二GaN垒层之间、第二InGaN阱层和InGaN最后垒层之间均插入了一层低温GaN保护层。
[0018]所述低温GaN保护层为GaN层，加入一层薄的低温GaN保护层可以有效保护已经生长完成的InGaN量子阱，避免在后续高温生长垒层的时候，原子再次发生迁移，导致缺陷的产生。
[0019]具体地，所述有源区第一InGaN阱层和第二InGaN阱层为In
x2
Ga1‑
x2
N阱层，其中0.05≤x2≤0.30。
[0020]本专利技术限定了InGaN阱层中的具体In组分含量，提高
Ⅴ
族/Ⅲ族的比值，进一步降低界面缺陷密度。
[0021]所述有源区各层具体生长方式为：第一In
x2
Ga1‑
x2
N阱层采用分步式生长，先生长0.5～1nm(1～2个原子层厚度)的InGaN阱层，然后停止向反应室通入Ga源，保持向反应室通入In源、NH3和N2，抑制量子阱分解，在此条件下升高温度至780～850℃，对量子阱进行再结晶处理5～60s，然后降低温度至750～800℃，继续生长0.5～1nm的InGaN阱层，继续再结晶处理，经过3～12周期的重复生长，获得厚度为2～6nm的InGaN阱层，然后在750～800℃条件下继续生长低温GaN保护层，再升温至800～950℃生长第二GaN垒层，垒层厚度为3～10nm；然后继续采用分步式方法生长第二InGaN阱层，先在750～800℃下生长0.5～1nm，再在780～850℃下进行再结晶处理，重复生长3～12个周期。在此基础上，在750～800℃条件下生长低温GaN保护层，升温至800～950℃生长InGaN最后垒层。
[0022]具体地，n型GaN层102的生长厚度为1～5μm，生长温度为1000～1100℃，n型掺杂源Si掺杂浓度为10
18
～10
19
cm
‑3。
[0023]具体地，所述n型限制层103为n
‑
Al
y1
Ga1‑
y1
N/GaN超晶格光限制层，其中n
‑
Al
y1
Ga1‑
y1
N厚度为2～7nm，Al组分满足0.01≤y1≤0.2。
[0024]通过控制n型AlGaN限制层的Al组分，同时调整n型AlGaN限制层的厚度，增强光场限制效果，抑制光场泄漏，减小光场同p型层的重叠，从而降低了光学损耗。
[0025]所述n
‑
Al
y1
Ga1‑
y1
N/GaN超晶格光限制层的超晶格周期数为100～150，n型掺杂源为Si掺杂浓度为10
18
～10
19
cm
‑3，GaN厚度为2～5nm。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮化镓基激光器外延结构，包括从下到上依次层叠设置的GaN单晶衬底(101)、n型GaN层(102)、n型限制层(103)、n型下波导层(104)、有源区(105)、上波导层(106)、电子阻挡层(107)、p型GaN上波导层(108)、p型限制层(109)和p型接触层(110)，其特征在于，所述有源区为非对称InGaN/GaN双量子阱结构，从下到上依次层叠设有第一InGaN垒层，第一InGaN阱层、第二GaN垒层、第二InGaN阱层和InGaN最后垒层；所述有源区第一InGaN阱层和第二InGaN阱层厚度为2～6nm，采用分步式生长法，先在700～800℃下生长0.5～1nm，再在780～850℃下进行再结晶处理，经过3～12个周期重复生长，获得InGaN阱层。2.如权利要求1所述氮化镓基激光器外延结构，其特征在于，所述有源区的第一InGaN阱层和第二GaN垒层之间、第二InGaN阱层和InGaN最后垒层之间均插入了一层低温GaN保护层。3.如权利要求1所述氮化镓基激光器外延结构，其特征在于，所述有源区第一InGaN阱层和第二InGaN阱层为In
x2
Ga1‑
x2
N阱层，其中0.05≤x2≤0.30。4.如权利要求1所述氮化镓基激光器外延结构，其特征在于，所述n型限制层(103)为n
‑
Al
y1
Ga1‑
y1
N/GaN超晶格光限制层，其中n
‑
Al
y1
Ga1‑
y1
N厚度为2～7nm，Al组分满足0.01≤y1≤0.2。5.如权利要求3所述氮化镓基激光器外延结构，其特征在于，所述n型下波导层(104)为n
‑
GaN+n
‑
In
x1
Ga1‑
x1
N复合波导层，其中n
‑
In
x1
Ga1‑
x1
N采用分步式生长法，先在800～90...

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