102°-1 X1021cnT3，P 型 InGaN 层的 In 组分为 0.01-1。
[0036]步骤10、在P型掺杂/p型重掺接触层110的上表面制作P型欧姆电极111。
[0037]步骤11、从P型掺杂/p型重掺接触层110的上表面开始制作脊型结构112，其制作方法是从P型掺杂/P型重掺接触层I1的上表面开始向下刻蚀，刻至P型AlGaN限制层109的上下表面之间，形成脊型结构112。
[0038]图1所示的氮化镓同质衬底上的激光器结构材料是利用金属有机物化学气相沉积系统(Metal-organic Chemical Vapor Deposit1n, MOCVD)外延生长而成，在生长过程中分别采用氨气、三甲基镓、三甲基铟和三甲基铝作为氮源、镓源、铟源和铝源，分别采用二茂镁和硅烷作为Mg掺杂源和Si掺杂源，在不同的生长步骤中分别采用氮气或氢气作为载气进行外延生长。
[0039]在外延生长InGaN/GaN量子阱有源区106的过程中，传统的方法是分别设定不同的温度进行InGaN阱层和GaN皇层的生长，氮化镓同质衬底及外延结构相对应的翘曲情况如图2中的上图所示。在这种双温生长方法中，InGaN阱层的生长温度Tw较低，有利于In的并入；GaN皇层的生长温度\较高，有利于生长出更为平整的GaN表面。这种双温生长方法中，量子阱的生长过程如下:先降温至Tw，并在图2中的GaN皇层201上面生长InGaN阱层202 ;升温至TB，保持Tb的温度一定的时间，开始生长GaN皇层203 ;生长完毕后又降温至Tw继续开始下一个周期内InGaN阱层204的生长。由于InGaN阱层202、204和GaN皇层201、203,205的生长温度不同，导致氮化镓同质衬底的翘曲程度不同，使得生长出的InGaN/GaN量子阱如图2右上角所示，InGaN阱层207、209的厚度以及它们和GaN皇层206、208、210之间的界面处存在起伏，量子阱界面的陡峭程度降低，界面态增加，由此引起载流子的非辐射复合增加，激光器的量子效率下降。
[0040]采用本发明中所述的同温量子阱生长方法后，氮化镓同质衬底及外延结构相对应的翘曲情况如图2中的下图所示。采用该同温生长方法后，由于在InGaN阱层212、214和GaN皇层211、213、215的生长过程中温度相同，氮化镓同质衬底及外延结构虽然也存在翘曲，但是翘曲的程度基本保持不变，因此当外延结构生长完毕并降温至室温后，生长出的InGaN/GaN量子阱如图2右下角所示，InGaN阱层217、219的厚度比较均匀，和GaN皇层216、218、220之间的界面能够保持更好的陡峭度。相比双温生长方法制备的量子阱而言，本发明中所述的同温生长方法制备的量子阱界面态引起的非辐射复合减少，在采用同等质量的氮化镓同质衬底的前提下，激光器的量子效率上升。
[0041]图3是在同等质量的氮化镓同质衬底上分别采用传统的双温生长方法和本发明中所述的同温生长方法制备的激光器结构材料以及基于同样的器件工艺过程制备出的激光器的实测性能对比，其中大图为室温脉冲条件下测得的输出功率-注入电流(P-1)曲线，插图为ImA电流下两种激光器结构材料的电致发光(Electroluminescent，EL)谱。图中的LDl为采用传统的双温生长方法制备的激光器，LD2是采用本发明中所述的同温生长方法制备的激光器。由插图中的EL谱可以看出，在发光光谱的中心波长415nm处，在同样大小(ImA)的注入电流下，同温方法制备的激光器LD2的发光强度增大为双温方法制备的激光器LDl发光强度的3.8倍。在大图中的P-1曲线中，同温方法制备的激光器LD2的阈值电流下降为双温方法制备的激光器LDl阈值电流的82% ;但在同样的室温脉冲条件和同样大小的注入电流下，LD2的脉冲峰值功率却提高至LDl的1.92倍。上述实验结果的对比足以证明，本发明中所述的同温生长方法制备的激光器结构材料可以有效地减弱由于衬底翘曲导致的量子阱界面起伏、陡峭程度下降及非辐射复合增加等不足之处，与传统双温生长方法制备的激光器结构材料相比，可以显著地降低阈值电流，提高有源区内的量子效率和激光器的输出功率。
[0042]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种用于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: 步骤1、在氮化镓同质衬底的下表面制作η型欧姆电极； 步骤2、在氮化镓同质衬底的上表面制作η型同质外延层； 步骤3、在η型同质外延层之上制作η型AlGaN限制层； 步骤4、在η型AlGaN限制层之上制作η型GaN波导层； 步骤5、在η型GaN波导层之上制作InGaN/GaN量子阱有源区，其中量子阱有源区的制作包括在相同的温度下交替外延生长阱层和皇层； 步骤6、在InGaN/GaN量子阱有源区之上制作P型AlGaN电子阻挡层； 步骤7、在P型AlGaN电子阻挡层之上制作P型GaN波导层； 步骤8、在P型GaN波导层之上制作P型AlGaN限制层； 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； 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； 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。
2.如权利要求1所述的用于氮化镓同质衬底上激光器量子阱有源区的同温生长方法，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 m。
3.如权利要求1所述的用于氮化镓同质衬底上激光器量子阱有源区的同温生长方法，其中，η型GaN同质外延层为掺Si的η型GaN，厚度为1_10 μ m。
4.如权利要求1所述的用于氮化镓同质衬底上激光器量子阱有源区的同温生长方法，其中，η型AlGaN限制层为掺Si的η型AlGaN，Al组分为0.08，厚度为0.3-1 μ m。
5.如权利要求1所述的用于氮化镓同质衬底上激光器量子阱有源区的同温生长方法，其中，η型GaN波导层为掺Si的η型GaN，厚度为50-300 μ m。
6.如权利要求1所述的用于氮化镓同质衬底上激光器量子阱有源区的同温生长方法，其中，InGaN/GaN量子阱有源区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。
7.如权利要求1所述的用于氮化镓同质衬底上激光器量子阱有源区的同温生长方法，其中，P型AlGaN电子阻挡层为掺Mg的P型AlGaN，厚度为5_40nm，Al组分为0.1-0.3。
8.如权利要求1所述的用于氮化镓同质衬底上激光器量子阱有源区的同温生长方法，其中，P型GaN波导层为掺Mg的P型GaN，厚度为30_300nm。
9.如权利要求1所述的用于氮化镓同质衬底上激光器量子阱有源区的同温生长方法，其中P型AlGaN限制层为掺Mg的P型AlGaN，Al组分为0.08，厚度为0.3-1 μ m。
10.如权利要求1所述的用于氮化镓同质衬底上激光器量子阱有源区的同温生长方法，其中，P型掺杂/p型重掺接触层为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 102°cnT3;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 lX102°-lX1021cnT3，p 型 InGaN 层的 In 组分为 0.01-1。
11.如权利要求6所述的用于氮化镓同质衬底上激光器量子阱有源区的同温生长方法，其中，InGaN/GaN量子阱有源区的阱层和皇层的生长温度为650_850°C。
【专利摘要】本发明公开了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：在氮化镓同质衬底上依次外延生长n型GaN同质外延层、n型AlGaN限制层、n型GaN波导层、量子阱有源区、p型AlGaN电子阻挡层、p型GaN波导层、p型AlGaN限制层和p型掺杂/p型重掺接触层，其中量子阱有源区中的阱层和垒层在相同的温度下生长；在p型掺杂/p型重掺接触层一侧采用光刻的方法刻蚀出脊型结构；在脊型结构的上表面制作一p型电极；在氮化镓同质衬底的下表面制作n型电极。本发明减少由于阱层和垒层生长温度不同导致的翘曲程度不同以及量子阱界面平整度的下降，从而增强量子阱内载流子的发光复合率，提高激光器的性能。
【IPC分类】H01S5-343
【公开号】CN104617487
【申请号】CN201510012720
【发明人】赵德刚, 陈平, 刘宗顺, 朱建军, 江德生, 杨辉
【申请人】中国科学院半导体研究所
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年1月12日