專利名稱：一種氮化鎵基半導體激光器及其制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于半導體器件領域，特別是指一種氮化鎵基半導體激光器及其制作方法。
背景技術：
作為第三代半導體，氮化鎵(GaN)及其系列材料(包括氮化鋁、鋁鎵氮、銦鎵氮、氮化銦)以其禁帶寬度大、光譜范圍寬(覆蓋了從紫外到紅外的全波段)、耐高溫性和耐腐蝕性好，在光電子學和微電子學領域具有巨大的應用價值。GaN基激光器是一種非常重要的 GaN基光電子器件，由于其發(fā)射的光波在藍紫光波段，GaN基激光器在高密度光信息存儲、 投影顯示、激光打印、水下通信、生物化學試劑的激活以及醫(yī)療方面具有重要的應用價值。 由于P型GaN、AWaN中受主雜質的電離能大，如GaN中鎂雜質的電離能在0. 16eV到0. 20eV 之間，如此大的電離能使鎂雜質的電離率不足1 %，而提高鎂摻雜濃度又會引起晶體質量的下降和缺陷濃度的增大，使電離的鎂被增加的施主所補償，反而使空穴濃度降低。同時，偏高的摻雜濃度又會使空穴遷移率降低，因此，GaN, AlGaN的ρ型摻雜一直以來就是阻礙GaN 基光電子器件性能提高的主要障礙。GaN基激光器中的P型GaN波導層、P型AWaN光限制層以及P型GaN覆蓋層的空穴濃度偏低，不僅使激光器中ρ型部分的電阻率偏大，而且，由于空穴濃度和遷移率都偏低，該雙異質結激光器的空穴注入電流明顯小于電子注入電流， 導致電子從有源區(qū)泄漏而使激光器的閾值電流增加。為了防止電子從有源區(qū)的泄漏，通常在hGaN/GaN多量子阱有源區(qū)與GaN波導層之間引入厚度為20nm的Ala2Giia8N電子阻擋層，但摻鎂的Ala2G^8N電子阻擋層對hGaN/GaN多量子阱有源區(qū)的發(fā)光峰有較強的吸收， 導致激光器的損耗增大，閾值電流增大。同時高電阻率的Ala2G^8N電子阻擋層的引入使激光器的工作電壓進一步增大，導致激光器的工作電壓偏高。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于，提供一種不含有電子阻擋層的氮化鎵基半導體激光器，其是利用在η型AWaN/GaN超晶格光限制層和η型GaN波導層之間插入一層具有量子級聯(lián)輻射功能的AKiaN/GaN多量子阱結構，在不明顯影響激光器的光限制因子的前提下，利用該 AlGaN/GaN多量子阱結構在激光器通電時電子在AWaN/GaN多量子阱結構中的量子級聯(lián)輻射，產生不同于在有源區(qū)中電子與空穴復合而發(fā)射的藍紫光激光的紅外輻射，使P型GaN波導層、AKiaN光限制層以及GaN覆蓋層中鎂受主雜質共振吸收該紅外光而電離，從而大幅度提高P型層的空穴濃度。而較低的摻雜濃度，又可以使空穴的遷移率增大，從而增大空穴注入電流，避免使用高電阻率的并且具有較大光吸收系數的AKiaN電子阻擋層，進而降低激光器的閾值電流，降低激光器的工作電壓，延長激光器的壽命。一種氮化鎵基半導體激光器，其特征在于，其中除η型歐姆電極制作在襯底的下表面外，其它各層自下向上依次包括一襯底10，襯底10為η型(0001)面的氮化鎵襯底；
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一下限制層11，該下限制層11由AWaN/GaN超晶格構成；—量子級聯(lián)輻射層12，該量子級聯(lián)輻射層由2-4個周期組成；其中量子級聯(lián)輻射層為η型的Al·-。}、75_Q.7N/GaN多量子阱結構，每一個周期自下而上依次為寬度為1.9到2. 1納米的AlGaN壘層；寬度為2. 6到2. 8納米的GaN阱層；寬度為1. 9到2. 1納米的AlGaN壘層；寬度為1. 6到1. 8納米的GaN阱層；寬度為1. 4到1. 6 納米的AlGaN壘層；寬度為1. 6到1. 8納米的GaN阱層；-下波導層13；-有源層14;一上波導層15;一上限制層16，該上限制層在刻蝕兩側后形成脊形，脊形分為中央突出部分以及兩側非突出部分；一覆蓋層17，該覆蓋層刻蝕結束后，只有上限制層的脊形中央突出部分的上面保
留覆蓋層；-絕緣層21，該絕緣層21制作在脊形兩側非突出部分仍保留的上限制層的上面和脊形中央突出部分的上限制層的側面；一 ρ型歐姆電極22，該ρ型歐姆電極制作在覆蓋層17的上表面及絕緣層21上；-η型歐姆電極23，該η型歐姆電極制作在襯底10的下表面。所述的一種氮化鎵基半導體激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步驟1.取一襯底 10;2.在襯底10上依次制作生長下限制層11、量子級聯(lián)輻射層12、下波導層13、有源層14、上波導層15、上限制層16和覆蓋層17 ；3.利用干法刻蝕將上限制層16兩側刻蝕后形成脊形，將脊形中央突出部分以外區(qū)域中的覆蓋層17刻蝕掉，只有上限制層的脊形中央突出部分的上面保留覆蓋層形成脊形結構；4.在脊形兩側的非突出部分仍保留的上限制層16的上表面和脊形中央突出部分的上限制層的兩個側面制作絕緣層21 ；5.在覆蓋層17的上表面及絕緣層21上制作ρ型歐姆電極22 ；6.在襯底10的下表面制作η型歐姆電極23，完成器件的制作。本發(fā)明是對申請?zhí)枮?01010571217. X，申請日為2010年11月沈日，名稱為“一種氮化鎵基半導體激光器及其制作方法”的脊形GaN基激光器的結構做了改進。其特征在于，在原來的GaN基半導體激光器結構中的η型AlGaN/GaN超晶格光限制層和η型GaN波導層之間插入一層具有量子級聯(lián)輻射功能的η型AWaN/GaN多量子阱結構的同時去掉AWaN 電子阻擋層。該MGaN/GaN多量子阱結構在激光器通電時，發(fā)生電子的量子級聯(lián)輻射而產生不同于在有源區(qū)中電子與空穴復合而發(fā)射的藍紫光的紅外輻射。該紅外輻射的光子能量可以通過改變MGaN/GaN多量子阱結構參數在一定的區(qū)間內變化，如能量以0. 18eV 0. 20eV 范圍內某一光子能量為中心的紅外輻射帶?？梢酝ㄟ^自洽求解薛定諤方程和泊松方程，求出含有不同AlGaN壘寬、不同GaN阱寬以及不同Al組分的AlGaN壘層的AlGaN/GaN多量子阱結構有源區(qū)的基態(tài)能級和第一激發(fā)態(tài)能級，并根據GaN中鎂受主雜質的電離能確定
4AlGaN/GaN多量子阱結構參數，使得電子在第一激發(fā)態(tài)與基態(tài)之間躍遷產生的光子，可以引起鎂受主雜質的共振吸收而電離。鎂雜質的大量電離，可以導致P型層中空穴濃度的大幅度提高。同時由于這種電離鎂受主雜質的方法，可以降低P型各層的鎂的摻雜濃度，因而還會使P型各層的空穴遷移率增大。由于P型各層的空穴濃度和遷移率增大，可以提高空穴注入電流，而減小電子從有源區(qū)的泄漏，避免使用高電阻率的AKiaN電子阻擋層。因為摻鎂的 Al0.2Ga0.8N電子阻擋層對hGaN/GaN多量子阱有源區(qū)的發(fā)光峰有較強的吸收，導致激光器的損耗偏大，閾值電流也偏大。摻鎂的Ala2G^8N電子阻擋層的去除可以減小激光器的內部損耗，減小激光器的閾值電流?？傊?，AKiaN電子阻擋層的去除，可以減小激光器的閾值電流， 降低激光器的工作電壓，延長激光器的工作壽命，并可以簡化激光器外延片的生長過程。


為進一步說明本發(fā)明的技術內容，以下結合實施例及附圖詳細說明如后，其中圖1是本發(fā)明中GaN基激光器的材料結構示意圖；圖2是本發(fā)明中脊形GaN基激光器的器件結構示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明提出一種不含有電子阻擋層的的GaN基激光器的器件制備過程為以 (0001)面的氮化鎵材料為襯底10，利用M0CVD、MBE或者其他生長GaN材料的設備生長出器件結構。該結構包括η型AWaN/GaN超晶格下限制層11、η型AWaN/GaN多量子阱級聯(lián)輻射層12，η型GaN下波導層13、InGaN/GaN有源層14、P型GaN上波導層15，P型AlGaN上限制層16和P型GaN覆蓋層17。用干法刻蝕等方法刻出對稱的脊形結構，脊形長度方向沿氮化鎵的[11-20]方向。蒸鍍二氧化硅絕緣層。蒸鍍歐姆接觸電極金屬并熱退火，實現(xiàn)歐姆接觸電極。將襯底10減薄至200 μ m左右，在氮化鎵襯底10的下表面蒸鍍歐姆接觸電極金屬。將外延片沿氮化鎵的[11-20]方向劃片分割成長條，將長條沿氮化鎵的(11-20)面解理成所設計腔長的激光器管芯。在激光器管芯的兩個腔面蒸鍍介質反射膜。最后再壓焊引出電極、封裝成激光器器件。實施例1為了進一步說明本器件結構的效果，我們以工作波長為405nm的GaN基激光器為例說明該器件結構的制備過程。各層的材料及厚度見表1。具體如下利用MOCVD方法在(0001)面的氮化鎵襯底10上生長出器件結構。該結構包括、η型Ala2Giia8NAiaN超晶格下限制層11 (厚度為0. 76 μ m, GaN阱寬為2. Onm, Al0.2Ga0.8N壘寬為2. Onm,摻雜濃度為 3. OX IO18CnT3)、n型Ala25G^l75NAiaN多量子阱量子級聯(lián)輻射層12，該層共三個周期，每一個周期自下往上依次為 Al0.25Ga0.75N(2, Onm)/GaN(2. 8nm)/Al0.25Ga0.75N(2· Onm)/GaN(1. 8nm)/ Al0.25Ga0.75N(l, 6nm) /GaN (1. 8nm)，摻雜濃度為 3. O X 1016cnT3、η 型 GaN 下波導層 13(厚度為 0. 08 μ m，摻雜濃度為5. OX IO15CnT3)、Ina A^^N/GaN有源區(qū)層14 (多量子阱為5個周期， InGaN阱寬為3nm，GaN壘寬為8nm，摻雜濃度為3. OX 1017cnT3)、P型GaN上波導層15(厚度為0. 08 μ m,摻雜濃度為3. OX IO17cnT3)、P型Al0.16Ga0.84N/GaN超晶格上限制層16 (厚度為 0. 6 μ m, GaN 阱寬為 2. 5nm，AIci 2Geici 8N 壘寬為 2. 5nm，摻雜濃度為 6. 2 X IO1W3)和 P 型 GaN 覆蓋層17 (厚度為0.2 μ m，摻雜濃度為2. 4 X IO20cnT3)。
用反應離子刻蝕方法刻出脊形寬度為3μπι的、對稱的脊形結構，脊形長條沿氮化鎵的[11-20]方向。蒸鍍二氧化硅絕緣層，蒸鍍歐姆接觸電極金屬并熱退火實現(xiàn)歐姆接觸電極。將襯底10減薄至200μπι左右，在襯底的下表面蒸鍍歐姆接觸電極金屬。將外延片沿氮化鎵的[11-20]方向劃片分割成長條。將長條沿氮化鎵的(11-20)面解理成腔長為 800 μ m的激光器管芯。在激光器管芯的前腔面蒸鍍一對Ti02/Si&反射膜，后腔面蒸鍍三對Ti02/Si&反射膜。最后再壓焊、封裝成激光器器件。通過自洽求解薛定諤方程和泊松方程計算了量子級聯(lián)輻射層的有源區(qū)的能級，有源區(qū)量子阱的基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)能級間隔為0. 18eV，當電場強度為1.6X105V/cm，且有電流流過時，可實現(xiàn)級聯(lián)輻射，發(fā)射中心能量為0. ISeV的紅外輻射帶，該輻射帶能引起GaN中鎂雜質的共振吸收，導致大量雜質的電離。室溫下，P型GaN波導層的空穴濃度可以達到 6. OX IO1W3以上，P型Alai6GEia84NAkiN超晶格上限制層的空穴濃度達到為8. OX IO15cnT3 以上和P型GaN覆蓋層的空穴濃度達到2. OX IO19CnT3以上。模擬結果顯示，去除AWaN電子阻擋層后，閾值電流由原來的65mA減小為61mA。激光器以1. 1倍閾值電流工作時，使ρ 型區(qū)的壓降由原來的約3. 0V,降低為約0. 3V，去除AlGaN電子阻擋層后電壓降低約0. 3V，而量子級聯(lián)輻射層引起電壓升高0. 55V，可以使激光器的工作電壓降低約2. 4V，達到5. IV。實施例2為了說明本發(fā)明的應用價值，我們再以工作波長為450nm的GaN基激光器為例說明該器件結構的特點。與實施例1相比，各層的材料及厚度除了有源區(qū)改為Ina3Giia7N/ Inao2GEia98N多量子阱(多量子阱為3個周期，Ina3GEia7N阱寬為3nm，Ina Q2GEia98N壘寬為5nm， Si雜質濃度為3. OX 1016cm_3)外，其它各層的參數、生長條件、器件尺寸以及制作過程與實施例1完全相同，見表1。器件的后工藝制作過程也與實施例1相同。通過自洽求解薛定諤方程和泊松方程計算了量子級聯(lián)輻射層的有源區(qū)的能級，有源區(qū)量子阱的基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)能級間隔為0. 18eV，當電場強度為1.6X105V/cm，且有電流流過時，可實現(xiàn)級聯(lián)輻射，發(fā)射中心能量為0. ISeV的紅外輻射帶，該輻射帶能引起GaN中鎂雜質的共振吸收，導致大量雜質的電離。室溫下，P型GaN波導層的空穴濃度可以達到 6. OX IO1W3以上，P型Alai6GEia84NAkiN超晶格上限制層的空穴濃度達到為8. OX IO15cnT3 以上和P型GaN覆蓋層的空穴濃度達到2. OX IO19CnT3以上。模擬結果顯示，去除AWaN電子阻擋層后，閾值電流由原來的71mA減小為68mA。激光器以1. 1倍閾值電流工作時，使ρ 型區(qū)的壓降由原來的約3. IV，降低為約0. 3V，去除AlGaN電子阻擋層后電壓降低約0. 3V，而量子級聯(lián)輻射層引起電壓升高0. 55V，可以使激光器的工作電壓降低約2. 4V，達到5. IV。表1本發(fā)明中GaN基激光器的各層材料及參數
權利要求
1.一種氮化鎵基半導體激光器，其特征在于，其中除η型歐姆電極制作在襯底的下表面外，其它各層自下向上依次包括一襯底(10)，襯底(10)為η型(0001)面的氮化鎵襯底； 一下限制層(11)，該下限制層(11)由AKiaN/GaN超晶格構成； 一量子級聯(lián)輻射層(12)，該量子級聯(lián)輻射層由2-4個周期組成； 其中量子級聯(lián)輻射層為η型的Al^uGiiduN/GaN多量子阱結構，每一個周期自下而上依次為寬度為1.9到2. 1納米的AlGaN壘層；寬度為2. 6到2. 8納米的GaN阱層；寬度為 1. 9到2. 1納米的AWaN壘層；寬度為1. 6到1. 8納米的GaN阱層；寬度為1. 4到1. 6納米的AlGaN壘層；寬度為1. 6到1. 8納米的GaN阱層； -下波導層(13)； -有源層(14)； 一上波導層(15)；一上限制層(16)，該上限制層在刻蝕兩側后形成脊形，脊形分為中央突出部分以及兩側非突出部分；一覆蓋層(17)，該覆蓋層刻蝕結束后，只有上限制層的脊形中央突出部分的上面保留覆蓋層；-絕緣層(21)，該絕緣層制作在脊形兩側非突出部分仍保留的上限制層的上面和脊形中央突出部分的上限制層的側面；一 P型歐姆電極(22)，該ρ型歐姆電極制作在覆蓋層(17)的上表面及絕緣層上； -η型歐姆電極(23)，該η型歐姆電極制作在襯底(10)的下表面。
2.根據權利要求1所述的一種氮化鎵基半導體激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步驟1)取一襯底(10)；2)在襯底(10)上依次制作生長下限制層(11)、量子級聯(lián)輻射層(12)、下波導層(13)、 有源層(14)、上波導層(15)、上限制層(16)和覆蓋層(17)；3)利用干法刻蝕將上限制層(16)兩側刻蝕后形成脊形，將脊形中央突出部分以外區(qū)域中的覆蓋層(17)刻蝕掉，只有上限制層的脊形中央突出部分的上面保留覆蓋層形成脊形結構；4)在脊形兩側的非突出部分仍保留的上限制層(16)的上表面和脊形中央突出部分的上限制層的兩個側面制作絕緣層；5)在覆蓋層(17)的上表面及絕緣層上制作ρ型歐姆電極02)；6)在襯底(10)的下表面制作η型歐姆電極(23)，完成器件的制作。
全文摘要
一種氮化鎵基半導體激光器及其制作方法屬于半導體激光器領域。該氮化鎵基半導體激光器不含有電子阻擋層，因而可降低激光器的工作電壓，延長激光器的壽命。該器件結構是在激光器的n型光限制層與n型波導層之間引入量子級聯(lián)輻射層，并利用該層在激光器工作時產生的紅外輻射，實現(xiàn)p型GaN波導層以及AlGaN光限制層中鎂受主雜質的電離，提高p型各層的載流子濃度，增大空穴注入電流，減小電子從有源區(qū)的泄漏，避免AlGaN電子阻擋層的引入，并消除摻鎂的AlGaN電子阻擋層引起的光吸收損耗，進而降低激光器的閾值電流，降低激光器的工作電壓，延長激光器的壽命。
文檔編號H01S5/343GK102227046SQ20111013626
公開日2011年10月26日 申請日期2011年5月25日 優(yōu)先權日2011年5月25日
發(fā)明者廛宇飛, 張書明, 朱建軍, 李德堯, 楊輝, 許海軍, 陳博婷 申請人:北京化工大學