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      具有非對稱Al組分AlGaN限制層的氮化鎵基激光器的制造方法

      文檔序號:8414564閱讀:523來源:國知局
      具有非對稱Al組分AlGaN限制層的氮化鎵基激光器的制造方法
      【技術(shù)領(lǐng)域】
      [0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子器件領(lǐng)域,特別是一種具有非對稱Al組分AlGaN限制層的氮化鎵基激光器。
      【背景技術(shù)】
      [0002]在半導(dǎo)體激光器中,光場的分布和吸收損耗是影響到激光器閾值和輸出功率的關(guān)鍵因素。在傳統(tǒng)的氮化鎵激光器結(jié)構(gòu)中,有源區(qū)上下兩側(cè)分別具有η型和P型波導(dǎo)和限制層,η型和P型AlGaN限制層將大部分光場限制在波導(dǎo)內(nèi)。但是仍然會有少部分光場擴(kuò)展至AlGaN限制層內(nèi),甚至?xí)U(kuò)展至激光器兩側(cè)的金屬電極區(qū)域。GaN和AlGaN材料對波長大于帶間躍迀發(fā)光波長的光存在著由自由載流子吸收和雜質(zhì)吸收引起的較強(qiáng)吸收,這是激光器內(nèi)損耗的主要來源。在405nm波長附近,摻Mg的P型GaN、摻Si的η型GaN和非故意摻雜的本征GaN的吸收系數(shù)分別為lOOcnT1、SOcnT1和lOcnT1。p型和η型摻雜AlGaN的吸收系數(shù)也分別近似取為lOOcnT1和30cm '由于p型摻雜區(qū)域的吸收系數(shù)遠(yuǎn)大于η型摻雜區(qū)域,因此應(yīng)盡量減小光場在P型摻雜區(qū)域的分布,包括P型AlGaN電子阻擋層、P型GaN波導(dǎo)、ρ型AlGaN限制層和ρ型GaN接觸層。
      [0003]針對ρ型摻雜區(qū)域更嚴(yán)重的光學(xué)吸收,已經(jīng)有許多不同的解決方案。最常見的是采用η型摻雜區(qū)域和ρ型摻雜區(qū)域厚度不同的非對稱波導(dǎo),使得光場分布向η型摻雜區(qū)域偏移,以降低在ρ型摻雜區(qū)域的光場分布。這種非對稱波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)在砷化鎵基和氮化鎵基半導(dǎo)體激光器中均有應(yīng)用實(shí)例。但是,如何通過調(diào)節(jié)AlGaN限制層中的Al組分,增強(qiáng)對光場的限制作用,降低光場在P型摻雜區(qū)域的分布,目前尚無具體報道。
      [0004]除了光學(xué)吸收帶來的內(nèi)損耗,氮化鎵激光器在外延生長過程中面臨的另一個難點(diǎn)是氮化鎵襯底的翹曲問題。目前氮化鎵同質(zhì)襯底的技術(shù)還不是特別成熟,很多的氮化鎵同質(zhì)襯底都是采用氫化物氣相外延技術(shù)在藍(lán)寶石襯底上生長并剝離而成,存在著很大的應(yīng)力。在激光器結(jié)構(gòu)材料外延生長的過程中,襯底溫度在垂直于襯底表面方向上分布的不均勻以及外延材料和襯底之間的晶格失配和熱失配導(dǎo)致的應(yīng)力會使得襯底連同襯底上面的激光器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生翹曲,且不同溫度下的翹曲程度還不一樣。而且氮化鎵同質(zhì)襯底和激光器外延結(jié)構(gòu)之間不存在明顯的熱失配,AlGaN層產(chǎn)生的張應(yīng)力無法消除,因此,外延生長過程中氮化鎵同質(zhì)襯底的翹曲程度更加嚴(yán)重。襯底及激光器外延結(jié)構(gòu)隨生長溫度不同而產(chǎn)生的翹曲,會改變外延片不同位置的溫度分布和氣流分布,使得外延片上各個位置的生長速率、In組分的并入、雜質(zhì)濃度、外延層厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)產(chǎn)生差異,各個位置處加工出來的激光器的激射中心波長、閾值電流/電壓、輸出功率等器件性能參數(shù)差異更大,整個外延片的均勻性、一致性和器件的成品率顯著降低。
      [0005]光場的分布除了和波導(dǎo)厚度有關(guān)外,還和AlGaN限制層中的Al組分相關(guān)。高Al組分的AlGaN限制層和GaN或InGaN波導(dǎo)層之間具有更大的折射率差,可以將光場更好地限制在波導(dǎo)層內(nèi)。因此,要想減小光場在P型摻雜區(qū)域內(nèi)的分布,可以采用更高Al組分的P型AlGaN限制層。但是高Al組分AlGaN限制層中的張應(yīng)力變大,使得氮化鎵同質(zhì)襯底的翹曲問題更加嚴(yán)重。
      [0006]針對上述問題,我們提出了本發(fā)明中的具有非對稱Al組分AlGaN限制層的氮化鎵基激光器制作方法,分別調(diào)節(jié)η型和ρ型摻雜區(qū)域的AlGaN限制層中的Al組分:在ρ型摻雜區(qū)域,從降低光學(xué)吸收損耗的角度出發(fā),采用高Al組分的ρ型AlGaN限制層,將光場更好地限制在P型波導(dǎo)層內(nèi);在η型摻雜區(qū)域,從減小AlGaN限制層的張應(yīng)力、降低氮化鎵襯底的翹曲程度出發(fā),適當(dāng)降低η型AlGaN限制層的Al組分。雖然Al組分降低后,η型AlGaN限制層的折射率變大,和η型GaN波導(dǎo)層之間的折射率差變小,限制作用變?nèi)?,光場會向η型摻雜區(qū)域擴(kuò)展,但是由于η型摻雜區(qū)域的光學(xué)吸收系數(shù)相對較小,因此不會顯著增加光學(xué)吸收損耗和激光器的閾值。與此相反,由于η型AlGaN限制層的Al組分減小,在外延生長過程中氮化鎵襯底的翹曲程度變?nèi)?,將會有效地提高有源區(qū)量子阱的界面平整度和發(fā)光復(fù)合效率,同時提高整個外延片的均勻性、一致性和器件的成品率。

      【發(fā)明內(nèi)容】

      [0007]本發(fā)明主要目的在于提供一種具有非對稱Al組分AlGaN限制層的氮化鎵基激光器,根據(jù)降低氮化鎵襯底翹曲程度和降低P型摻雜區(qū)域內(nèi)光場分布的需要,分別調(diào)節(jié)η型和P型摻雜AlGaN限制層中的Al組分,提高ρ型AlGaN限制層中的Al組分以提高對光場的限制作用和降低P型摻雜區(qū)域的光學(xué)吸收損耗,降低η型AlGaN限制層中的Al組分以降低張應(yīng)力和氮化鎵同質(zhì)襯底的翹曲程度,從而提高激光器外延片的材料質(zhì)量和單個激光器的器件性能。
      [0008]本發(fā)明提供一種具有非對稱Al組分AlGaN限制層的氮化鎵基激光器,包括:
      [0009]一氮化鎵同質(zhì)襯底;
      [0010]— η型GaN同質(zhì)外延層,其制作在氮化鎵同質(zhì)襯底上;
      [0011]— η型AlGaN限制層,其制作在η型GaN同質(zhì)外延層上;
      [0012]一 η型GaN波導(dǎo)層,其制作在η型AlGaN限制層上;
      [0013]一 InGaN/GaN量子阱有源區(qū),其制作在η型GaN波導(dǎo)層上;
      [0014]一 ρ型AlGaN電子阻擋層,其制作在InGaN/GaN量子阱有源區(qū)上;
      [0015]— ρ型GaN波導(dǎo)層,其制作在P型AlGaN電子阻擋層上;
      [0016]— ρ型AlGaN限制層,其制作在P型GaN波導(dǎo)層上,該P(yáng)型AlGaN限制層的中間為一凸起的脊形;
      [0017]一 ρ型摻雜/p型重?fù)浇佑|層,其制作在ρ型AlGaN限制層凸起的脊形上;
      [0018]一 ρ型歐姆電極,其制作在ρ型摻雜/p型重?fù)浇佑|層上;
      [0019]一 η型歐姆電極,其制作在氮化鎵同質(zhì)襯底的下表面。
      [0020]本發(fā)明的關(guān)鍵在于采用非對稱Al組分AlGaN限制層,分別調(diào)節(jié)η型和ρ型摻雜AlGaN限制層中的Al組分,其有益效果是:激光器P型摻雜區(qū)域的光學(xué)吸收系數(shù)遠(yuǎn)大于η型摻雜區(qū)域,因此應(yīng)該適當(dāng)降低光場在P型摻雜區(qū)域內(nèi)的分布;提高P型AlGaN限制層中的Al組分可以增大AlGaN限制層和ρ型GaN波導(dǎo)層之間的折射率差,增強(qiáng)對光場的限制作用,從而減小P型摻雜區(qū)域內(nèi)的光場分布和光學(xué)吸收損耗;但是Al組分的提高會增加AlGaN層和氮化鎵同質(zhì)襯底之間由于晶格失配導(dǎo)致的張應(yīng)力,增加了外延生長過程中AlGaN層出現(xiàn)裂紋的可能性,并使得氮化鎵襯底在外延過程中的翹曲程度更加嚴(yán)重。本發(fā)明采用具有非對稱Al組分的AlGaN限制層,提高ρ型AlGaN限制層中的Al組分,降低η型AlGaN限制層中的Al組分。ρ型AlGaN限制層中Al組分的提高,可以增強(qiáng)對光場的限制作用,減小ρ型摻雜區(qū)域內(nèi)的光場分布和光學(xué)吸收損耗;η型AlGaN限制層中Al組分的降低,減小了 AlGaN層和氮化鎵襯底之間的晶格失配導(dǎo)致的張應(yīng)力,減弱了氮化鎵襯底在外延過程中的翹曲程度對片上均勻性和激光器器件性能的不利影響。
      【附圖說明】
      [0021]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白,以下參照附圖,并結(jié)合實(shí)施例,對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明,其中:
      [0022]圖1是本發(fā)明中氮化鎵激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。
      [0023]圖2是具有不同Al組分AlGaN限制層的氮化鎵激光器的光場分布。
      [0024]圖3是具有不同Al組分AlGaN限制層的氮化鎵激光器的電流-功率曲線。
      【具體實(shí)施方式】
      [0025]請參閱圖1所示,本發(fā)明提供一種具有非對稱Al組分AlGaN限制層的氮化鎵基激光器,包括:
      [0026]—氮化鎵同質(zhì)襯底10,所述氮化鎵同質(zhì)襯底10為η型摻雜的自支撐氮化鎵材料,厚度為 200-1000 μπι ;
      [0027]— η型GaN同質(zhì)外延層11,其制作在氮化鎵同質(zhì)襯底10上,所述η型GaN同質(zhì)外延層為摻Si的η型GaN,厚度為1-10 μ m ;
      [0028]— η型AlGaN限制層12,其制作在η型GaN同質(zhì)外延層11上,所述η型AlGaN限制層12為摻Si的η型AlGaN,Al組分為0.01-0.1,厚度為0.2-1 μπι ;
      [0029]一 η型GaN波導(dǎo)層13,其制作在η型AlGaN限制層12上,所述η型GaN波導(dǎo)層為摻Si的η型GaN,厚度為50-300 μ m ;
      [0030]一 InGaN/GaN量子阱有源區(qū)14,其制作在η型GaN波導(dǎo)層13上,所述InGaN/GaN量子阱有源區(qū)為非故意摻雜或輕摻Si的InGaN/GaN,量子阱的數(shù)目為1-5個;阱層為InGaN材料,In組分為0.01-1,厚度為1-1Onm ;皇層為GaN,厚度為5_30nm ;
      [0031]一 ρ型AlGaN電子阻擋層15,其制作在InGaN/GaN量子阱有源區(qū)14上,所述ρ型AlGaN電子阻擋層為摻Mg的ρ型AlGaN,厚度為5_40nm,Al組分為0.1-0.3 ;
      [0032]一 ρ型GaN波導(dǎo)層16,其制作在ρ型AlGaN電子阻擋層15上,所述ρ型GaN波導(dǎo)層為摻Mg的ρ型GaN,厚度為30-300nm ;
      [0033]一 ρ型AlGaN限制層17,其制作在ρ型GaN波導(dǎo)層16上,該ρ型AlGaN限制層17的中間為一凸起的脊形,所述P型AlGaN限制層為摻Mg的ρ型AlGaN,Al組分為0.01-0.1,厚度為0.2-1 μ m,且該ρ型AlGaN限制層17中的Al組分要高于η型AlGaN限制層12中的Al組分;
      [0034]— ρ型摻雜/p型重?fù)浇佑|層18,其制作在ρ型AlGaN限制層17凸起的脊形上,所述P型摻雜/p型重?fù)浇佑|層為P型摻雜和P型重?fù)诫s的復(fù)合結(jié)構(gòu);p型摻雜層為摻Mg的ρ型GaN,厚度為lO-lOOnm,Mg摻雜濃度為I X 119-1 X 1020cm^3;p型重?fù)?
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