氮化镓同质衬底上激光器量子阱有源区的同温生长方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体光电子器件领域，特别是一种氮化镓同质衬底上激光器量子阱有源区外延过程中的同温生长方法。
【背景技术】
[0002]在氮化物激光器材料结构的外延生长过程中，有源区中的量子阱结构和界面控制是影响阱内载流子发光复合效率的关键技术。
[0003]目前由于氮化镓同质衬底的技术还不是特别成熟，很多的氮化镓同质衬底都是采用氢化物气相外延(Hydride Vapor Phase Epitaxy, HVPE)技术在蓝宝石衬底上生长并剥离而成，存在着很大的应力。在采用蓝宝石衬底和氮化镓同质衬底进行激光器结构材料外延生长的过程中，衬底温度在垂直于衬底表面方向上分布的不均匀以及外延材料和衬底之间的晶格失配和热失配导致的应力会使得衬底连同衬底上面的激光器结构产生翘曲，而且不同温度下的翘曲程度还不一样。对于蓝宝石衬底，由于单片衬底是由高质量的蓝宝石晶体切割而成，应力较小，且激光器结构中的AlGaN限制层和蓝宝石之间存在热失配，在生长温度降低至有源区所需的生长温度的过程中，AlGaN层产生的张应力和蓝宝石衬底产生的压应力相互部分抵消，因此蓝宝石衬底在降温生长有源区时的翘曲程度相对较弱；但是对于氮化镓同质衬底，在蓝宝石衬底上进行HVPE外延生长GaN厚膜并剥离这一制备过程中已经产生了很大的应力，并且同质衬底和外延层之间不存在明显的热失配，AlGaN层产生的张应力无法消除，因此，衬底在生长过程中的翘曲程度更加严重。
[0004]衬底及激光器外延结构随生长温度不同而产生的翘曲，会改变外延片不同位置的温度分布和气流分布，使得外延片上各个位置的生长速率、In组分的并入、杂质浓度、外延层厚度等结构参数产生差异，各个位置处加工出来的激光器的激射中心波长、阈值电流/电压、输出功率等器件性能参数差异更大，整个外延片的均匀性、一致性和器件的成品率显著降低。
[0005]在量子阱有源区的生长过程中，衬底翘曲的不利影响更为严重。当采用传统的双温量子阱生长方法时，阱层和皇层的生长温度不同，在阱层和皇层生长过程中，氮化镓同质衬底由于在垂直方向上温度分布不均匀产生的应力和AlGaN层热失配产生的张应力大小不同，氮化镓衬底及外延生长的激光器结构的翘曲程度不同，导致量子阱的皇层和阱层的界面不够陡峭，阱层的厚度产生起伏，界面态密度升高，量子阱的发光复合几率下降，使得激光器的量子效率下降。
[0006]针对双温量子阱生长方法的不足，我们提出了本发明中的同温量子阱生长方法，使得阱层和皇层在同样的温度下生长，生长过程中衬底温度在垂直方向上的分布、AlGaN层产生的张应力的情况相同，氮化镓衬底及外延生长的激光器结构因温度产生的翘曲程度相同，量子阱的阱层和皇层也相应地存在同样的翘曲程度。虽然不能避免外延片整体的翘曲，但是由于阱层和皇层的翘曲情况保持一致，量子阱界面的平整度和陡峭度没有被破坏，因此避免了由于界面陡峭程度下降导致的载流子发光复合几率下降的问题，在采用同等质量的氮化镓衬底的前提下有效地提高了激光器的性能。
【发明内容】
[0007]本发明主要目的在于提供一种氮化镓同质衬底上激光器量子阱有源区外延过程中的同温生长方法，在同样的温度下外延生长量子阱中的阱层和皇层，降低传统的双温生长方法中由于阱层和皇层的生长温度不同导致的衬底翘曲程度的变化，以及与此相关的量子阱界面平整度的下降和有源区内载流子发光复合效率的下降。
[0008]本发明提供一种氮化镓同质衬底上激光器量子阱有源区的同温生长方法，包括:
[0009]步骤1、在氮化镓同质衬底的下表面制作η型欧姆电极；
[0010]步骤2、在氮化镓同质衬底的上表面制作η型同质外延层；
[0011]步骤3、在η型同质外延层之上制作η型AlGaN限制层；
[0012]步骤4、在η型AlGaN限制层之上制作η型GaN波导层；
[0013]步骤5、在η型GaN波导层之上制作InGaN/GaN量子阱有源区；
[0014]步骤6、在InGaN/GaN量子阱有源区之上制作P型AlGaN电子阻挡层；
[0015]步骤7、在P型AlGaN电子阻挡层之上制作P型GaN波导层；
[0016]步骤8、在P型GaN波导层之上制作P型AlGaN限制层；
[0017]步骤9、在P型AlGaN限制层之上制作P型掺杂/p型重掺接触层；
[0018]步骤10、在P型掺杂/p型重掺接触层的上表面制作P型欧姆电极；
[0019]步骤11、从P型掺杂/p型重掺接触层的上表面开始制作脊型结构，向下刻蚀至P型AlGaN限制层的上下表面之间，形成脊型结构。
[0020]本发明的关键在于采用同样的生长温度在氮化镓同质衬底上外延生长激光器量子阱有源区的阱层和皇层。由于生长温度相同，所以在阱层和皇层外延生长过程中氮化镓衬底和激光器结构材料的翘曲程度相同，与采用传统的双温生长方法时阱层和皇层生长温度不同导致的翘曲程度不同、量子阱界面的陡峭度和平整度下降相比，同温生长过程中虽然氮化镓衬底和激光器结构也存在翘曲，但是阱层和皇层的翘曲程度保持一致，量子阱的界面不容易产生明显的起伏，从微观结构来看量子阱仍然能够保持较好的界面平整度，因此与双温生长方法相比可以提高阱内载流子的发光复合几率，并提高激光器的性能。此外，由于在有源区生长过程中衬底的翘曲程度保持不变，整个外延片上的气流分布、生长速率、In组分并入、杂质浓度等生长参数均相应地保持较高的一致性，从而提高了外延片整体的均匀性和一致性。利用本发明中所述的同温方法生长的激光器结构外延片，经过工艺加工研制出的GaN基激光器，在阈值电流/电压、激射中心波长、输出功率等性能参数方面也能保持更好的一致性，从而提高了从外延片到激光器的成品率。
【附图说明】
[0021]为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下参照附图，并结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，其中:
[0022]图1是本发明的结构示意图。
[0023]图2是衬底不同的翘曲程度导致激光器有源区的量子阱界面出现起伏的结构示意图。
[0024]图3是分别采用传统的双温量子阱生长方法和本发明中所述的同温量子阱生长方法制备的激光器实际测试性能的对比图。
【具体实施方式】
[0025]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0026]请参阅图1所示，本发明提供一种在氮化镓同质衬底上激光器量子阱有源区的同温生长方法，包括:
[0027]步骤1、在氮化镓同质衬底102的下表面制作η型欧姆电极101 ;其中，氮化镓衬底为η型掺杂的自支撑氮化镓材料，厚度为200-1000 μ mo
[0028]步骤2、在氮化镓同质衬底102的上表面制作η型同质外延层103，该η型GaN同质外延层103为掺Si的η型GaN，厚度为1_10 μ m。
[0029]步骤3、在η型同质外延层103之上制作η型AlGaN限制层104，该η型AlGaN限制层104为掺Si的η型AlGaN, Al组分为0.08，厚度为0.3-1 μ m。
[0030]步骤4、在η型AlGaN限制层104之上制作η型GaN波导层105，该η型GaN波导层105为掺Si的η型GaN，厚度为50-300 μ m。
[0031]步骤5、在η型GaN波导层105之上制作InGaN/GaN量子阱有源区106，该InGaN/GaN量子阱有源区106为非故意掺杂或轻掺Si的InGaN/GaN，量子阱的数目为1_5个；阱层为InGaN材料，In组分为0.01-1，厚度为1-1Onm ;皇层为GaN、InGaN或AlGaN，InGaN中的In组分和AlGaN中的Al组分为0-0.9，厚度为5_30nm。其中，量子阱有源区的制作过程如下:将生长温度设定为650-850°C之间的温度，在η型GaN波导层105之上周期交替生长阱层和皇层，阱层和皇层在相同的温度下外延生长。
[0032]步骤6、在InGaN/GaN量子阱有源区106之上制作p型AlGaN电子阻挡层107，该P型AlGaN电子阻挡层107为掺Mg的p型AlGaN，厚度为5_40nm，Al组分为0.1-0.3。
[0033]步骤7、在P型AlGaN电子阻挡层107之上制作p型GaN波导层108，该p型GaN波导层108为掺Mg的P型GaN，厚度为30_300nm。
[0034]步骤8、在P型GaN波导层108之上制作p型AlGaN限制层109，该p型AlGaN限制层109为掺Mg的P型AlGaN, Al组分为0.08，厚度为0.3-1 μ m。
[0035]步骤9、在P型AlGaN限制层109之上制作p型掺杂/p型重掺接触层110，该p型掺杂/p型重掺接触层110为P型掺杂和P型重掺杂的复合结构；p型掺杂层为掺Mg的P型GaN，厚度为lO-lOOnm，Mg掺杂浓度为I X 119-1 X 1020cm^3；p型重掺杂层为重掺杂Mg的P型GaN或P型InGaN层，厚度小于p型掺杂层，为5_50nm，Mg掺杂浓度高于P型掺杂层，为 I X