一種提高氮化鎵基激光器性能的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體光電子器件技術領域，特別是一種提高性能的氮化鎵基激光器設計和制作方法。
【背景技術】
[0002]隨著半導體光電子器件的迅速發展，氮化鎵半導體激光器應運而生。氮化鎵激光器，尤其是藍紫光波段，相對于紅光及紅外激光器來說，能夠提供更小的光斑尺寸和更大的聚焦深度，從而在更高分辨、更快速度的激光打印以及大密度存儲系統中有著廣泛的應用。另外，藍光激光器結合現在已有的紅光、綠光激光器，在投影顯示及全色打印領域中，具有很廣的前景。因而，人們對氮化鎵激光器性能有著較高的要求。
[0003]氮化鎵基激光器材料層主要分為三部分:單量子阱或多量子阱形成的有源區、有源區一側為有源區提供電子的N區、有源區另一側為有源區提供空穴的P區。通過施加外加偏壓驅動電子和空穴在垂直于結平面的方向上注入到有源區進行復合并產生光。通過側面兩端的理解鏡面形成反饋腔，使得電子空穴復合產生的光在腔內不斷諧振并且形成波前平行于鏡面的駐波。如果有源區內的光增益超過了激光器結構里的光損耗，就會產生放大的受激輻射，激光便會從鏡面端面發射出來。對于普通的氮化鎵基藍紫光激光器而言，由于激射波長較短，量子阱深度較小，對載流子的束縛能力較弱，從η區注入的有效質量較小的電子很容易躍過有源區注入到P區，與P區的空穴發生非輻射復合，形成較大的電子泄露電流。為了降低氮化鎵基激光器的電子泄露，傳統的做法就是在有源區和P區之間插入禁帶寬度更大的鋁鎵氮，通過引入較大的導帶帶階，阻擋電子泄露到P區。
[0004]電子阻擋層鋁鎵氮的引入，雖然能降低電子泄露，但是也存在兩方面的負面效果。第一，由于電子阻擋層鋁鎵氮存在較強的極化，使最后一個量子皇的導帶向下彎曲，這使得電子準費米能級容易進入導帶，降低了電子有效勢皇。第二，由于電子阻擋層較大的帶隙，使價帶引入了帶階，阻礙了空穴的注入。近年來，針對這兩個負面效果，人們做了許多研究，比如，改善材料生長質量提高空穴的迀移率，引入漸變組分的電子阻擋層結構提高電子有效勢皇。但這些方案中，只單方面的改進了其中一個負面效果，對另一個負面效果不作處理，甚至加劇了另一個的負面效果。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在于，提出一種氮化鎵基激光器及其制備方法，用于提高所述氮化鎵基激光器的性能。
[0006]根據本發明一方面，其提供了一種氮化鎵基激光器的制備方法，包括以下步驟:
[0007]步驟1:在氮化鎵襯底上依次制作η型限制層、η型波導層、量子阱有源區、電子阻擋層、插入層、P型波導層、P型限制層和P型接觸層；
[0008]步驟2:將P型接觸層和P型限制層濕法腐蝕或干法刻蝕成脊型；
[0009]步驟3:在制作成的所述脊型上生長一層氧化模，并采用光刻的方法制作P型歐姆電極；
[0010]步驟4:將氮化鎵襯底減薄、清洗，并在上面制作η型歐姆電極；
[0011]步驟5:進行解理、鍍膜，最后封裝在管殼上，制成氮化鎵激光器。
[0012]根據本發明另一方面，其提供了一種氮化鎵基激光器，其包括:
[0013]依次生長在氮化鎵襯底上的η型限制層、η型波導層、量子阱有源區、電子阻擋層、P型波導層、P型限制層和P型接觸層；
[0014]其中，在所述電子阻擋層與P型波導層之間還具有一插入層。
[0015]10、如權利要求9所述的氮化鎵基激光器，其中，所述插入層的材料為摻雜銦鎵氮，其厚度為2-15nm，銦組分為0.005-0.05。
[0016]本發明的關鍵在于:第一，銦鎵氮插入層銦組分的選擇。銦組分過低，該插入層的極化程度較弱，對激光器性能改善較弱。銦組分過高，過多的空穴積累在插入層，造成激光器性能惡化。第二，銦鎵氮插入層厚度的選擇。插入層厚度太薄，改善作用較弱。厚度太厚，空穴濃度積累，造成空穴過多的浪費。另外，銦鎵氮插入層厚度也受臨界厚度的限制，太厚，材料生長困難，材料質量較差。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發明提出的一種氮化鎵基激光器的結構示意圖。
[0018]圖2(a)是傳統氮化鎵基激光器結構在生長方向的能帶圖，其中(a)圖是參考結構的能帶圖，(b)圖是引入銦鎵氮插入層的新結構能帶圖。
[0019]圖3是本發明中氮化鎵基激光器在120mA時電子電流隨位置的分布示意圖。
【具體實施方式】
[0020]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明作進一步的詳細說明。
[0021]本發明提出了一種氮化鎵基激光器，其包括:
[0022]在所述氮化鎵基激光器的電子阻擋層與P型波導層之間具有一層插入層；
[0023]所述插入層的材料為摻雜銦鎵氮，其厚度為2-15nm，銦組分為0.005-0.05。
[0024]本發明提出的上述激光器，由于插入層的引入，能帶結構上帶來兩方面的好處:第一，使空穴容易注入。該銦鎵氮插入層的極化方向是從P區指向η區，造成插入層價帶向上彎曲，空穴準費米能級更容易進入價帶，使注入的空穴面對的勢皇降低，最終使空穴容易注入。第二，電子有效勢皇增大。銦鎵氮插入層的極化使電子阻擋層與插入層界面積累更多的負電荷，促使電子阻擋層的極化增強，導致電子阻擋層的總電場減弱，使電子阻擋層能帶傾斜程度減小，最終使η區能帶整體下降，電子有效勢皇增加，電子泄露降低。
[0025]本發明還提出了一種氮化鎵基激光器的制造方法，如圖1所示，其包括:
[0026]步驟1:在氮化鎵襯底10上依次制作η型限制層11、η型波導層12、量子阱有源區13、電子阻擋層14、插入層15、P型波導層16、P型限制層17和ρ型接觸層18 ；
[0027]步驟2:將P型接觸層18和P型限制層17濕法腐蝕或干法刻蝕成脊型；
[0028]步驟3:在制作成的脊型上生長一層氧化模，并采用光刻的方法制作P型歐姆電極19 ；
[0029]步驟4:將氮化鎵襯底10減薄、清洗，并在上面制作η型歐姆電極20 ;
[0030]步驟5:進彳丁解理、鏈I旲，最后封裝在管殼上，制成一種性能提尚的氣化嫁激光器，完成制備。
[0031]其中，襯底10的材料為C面藍寶石、SiC或GaN，該襯底10的厚度為100-1000 μ m。
[0032]其中，η型限制層11的材料為摻Si的η型鋁鎵氮，其鋁組分為0.06-0.15，其厚度為 0.2-1.5 μ??ο
[0033]其中，η型波導層12的材料為摻Si的η型氮化鎵或銦鎵氮，銦組分為0-0.1，厚度為 0.1-1.2 μ??ο
[0034]其中，量子講有源區的13量子講個數為1-3個，量子講的材料為銦鎵氮，量子講厚度為2-5nm，銦組分為0.1-0.2，量子皇材料氮化鎵或銦鎵氮，量子皇的厚度7_20nm。
[0035]其中，電子阻擋層14的材料為摻Mg的鋁鎵氮，厚度為10-30nm，鋁組分為
0.1-0.3 ο
[0036]其中，插入層15的材料為摻Mg的銦鎵氮，厚度為2-15nm，銦組分為0.005-0.05。
[0037]其中，ρ型波導層16的材料為摻Mg的銦鎵氮或氮化鎵，厚度0.1-0.8 μ m，銦組分為 0.01-0.10
[0038]圖2是激光器結構在生長方向的能帶圖。圖2(a)圖是參考結構的能帶圖。圖2 (b)圖是引入銦鎵氮插入層的新結構能帶圖。可以看出，引入銦鎵氮插入層后，使電子阻擋層與插入層界面積累更多的的電子，增強了插入層的極化，電子阻擋層的總電場削弱，使其能帶傾斜減弱，最終使η區能帶相對ρ區整體下降，電子有效勢皇增加，即電子有效勢皇由原來的184meV變為215meV。另外，插入層極化會使該層價帶向上彎曲，使空穴更容易進入價帶，使空穴有效勢皇降低，即由原來的195meV變為176meV，空穴更容易注入了。
[0039]圖3是激光器的在120mA時電子電流隨位置的分布。紅色曲線使新結構電子電流的分布，黑色曲線是參考結構的電子電流分布。由于引入銦鎵氮插入層后，η區能帶整體下降，注入到量子阱的電子電流變多。由于空穴變得容易注入，電子有效勢皇增加，使新結構的電子泄露電流變得更小。
[0040]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種氮化鎵基激光器的制備方法，包括以下步驟: 步驟1:在氮化鎵襯底上依次制作η型限制層、η型波導層、量子阱有源區、電子阻擋層、插入層、P型波導層、P型限制層和P型接觸層； 步驟2:將P型接觸層和P型限制層濕法腐蝕或干法刻蝕成脊型； 步驟3:在制作成的所述脊型上生長一層氧化模，并采用光刻的方法制作P型歐姆電極； 步驟4:將氮化鎵襯底減薄、清洗，并在上面制作η型歐姆電極； 步驟5:進行解理、鍍膜，最后封裝在管殼上，制成氮化鎵激光器。2.根據權利要求1所述的方法，其中，襯底的材料為C面藍寶石、SiC或GaN，該襯底的厚度為 100-1000 μ m。3.根據權利要求1所述的方法，其中，η型限制層的材料為摻Si的η型鋁鎵氮，其鋁組分為 0.06-0.15，其厚度為 0.2-1.5 μ m。4.根據權利要求1所述的方法，其中，η型波導層的材料為摻Si的η型氮化鎵或銦鎵氮，銦組分為0-0.1，厚度為0.1-1.2 μ m。5.根據權利要求1所述的方法，其中，量子阱有源區的量子阱個數為1-3個，量子阱的材料為銦鎵氮，量子阱厚度為2-5nm，銦組分為0.1-0.2，量子皇材料為氮化鎵或銦鎵氮，量子皇的厚度為7-20nmo6.根據權利要求1所述的方法，其中，電子阻擋層的材料為摻Mg的鋁鎵氮，厚度為10-30nm，鋁組分為 0.1-0.3。7.根據權利要求1所述的方法，其中，插入層的材料為摻Mg的銦鎵氮，厚度為2-15nm，銦組分為0.005-0.05。8.根據權利要求1所述的方法，其中，P型波導層的材料為摻Mg的銦鎵氮或氮化鎵，厚度 0.1-0.8 μm，銦組分為 0.01-0.1。9.一種氮化鎵基激光器，其包括: 依次生長在氮化鎵襯底上的η型限制層、η型波導層、量子阱有源區、電子阻擋層、P型波導層、P型限制層和P型接觸層； 其中，在所述電子阻擋層與P型波導層之間還具有一插入層。10.如權利要求9所述的氮化鎵基激光器，其中，所述插入層的材料為摻雜銦鎵氮，其厚度為2-15nm，銦組分為0.005-0.05。
【專利摘要】本發明公開了一種氮化鎵基激光器及其制備方法。所述方法包括以下步驟：步驟1：在氮化鎵襯底上依次制作n型限制層、n型波導層、量子阱有源區、電子阻擋層、插入層、p型波導層、p型限制層和p型接觸層；步驟2：將P型接觸層和P型限制層濕法腐蝕或干法刻蝕成脊型；步驟3：在制作成的所述脊型上生長一層氧化模，并采用光刻的方法制作p型歐姆電極；步驟4：將氮化鎵襯底減薄、清洗，并在上面制作n型歐姆電極；步驟5：進行解理、鍍膜，最后封裝在管殼上，制成氮化鎵激光器。本發明提出的上述激光器，由于插入層的引入，能帶結構上帶來兩方面的好處：第一，使空穴容易注入。第二，電子有效勢壘增大。
【IPC分類】H01S5/22, H01S5/343, H01S5/323
【公開號】CN105048285
【申請號】CN201510548632
【發明人】李翔, 趙德剛, 江德生, 劉宗順, 陳平, 朱建軍
【申請人】中國科學院半導體研究所
【公開日】2015年11月11日
【申請日】2015年8月31日