专利名称：一种氮化镓基半导体激光器及其制作方法
技术领域：
本发明属于半导体器件领域，特别是指一种氮化镓基半导体激光器及其制作方 法。
背景技术：
作为第三代半导体，氮化镓(GaN)及其系列材料(包括氮化铝、铝镓氮、铟镓氮、氮 化铟)以其禁带宽度大、光谱范围宽(覆盖了从紫外到红外的全波段)、耐高温性和耐腐蚀 性好，在光电子器件和微电子器件领域内具有巨大的应用价值。GaN基激光器是一种非常重 要的GaN基光电子器件，由于其发射的光波在蓝紫光波段，GaN基激光器在高密度光信息存 储、投影显示、激光打印、水下通信、生物化学试剂的激活以及医疗方面具有重要的应用价 值。由于P型GaN、P型AlGaN中受主杂质的电离能大，如GaN中镁杂质的电离能在0. 16eV 到0. 20eV之间，如此大的电离能使镁杂质的电离率不足1%，而提高镁掺杂浓度又会引起 晶体质量的下降和缺陷密度的增大，使电离的镁被增加的施主所补偿，反而使空穴浓度降 低。因此，GaN, AlGaN的ρ型掺杂一直以来就是阻碍GaN基光电子器件性能提高的主要障 碍。GaN基激光器中的P型GaN波导层、P型AlGaN光限制层以及P型GaN覆盖层的空穴浓 度偏低，使激光器中P型部分的电阻率偏大，导致激光器的工作电压偏高，不能在直流偏压 下稳定工作。虽然采用AWaN/GaN超晶格等可使工作电压有所降低，但仍不能从根本解决 工作电压偏高的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种新型结构的氮化镓基半导体激光器，其是利用在η 型AKiaN/GaN超晶格光限制层和η型GaN波导层之间插入一层具有量子级联辐射功能 的η型的AKiaN/GaN多量子阱结构，在不明显影响激光器的光限制因子的前提下，利用该 AlGaN/GaN多量子阱结构在激光器通电时电子在AWaN/GaN多量子阱结构中的量子级联辐 射，产生不同于在有源区中电子与空穴复合而发射的蓝紫光激光的红外辐射，使P型GaN波 导层、AKiaN光限制层以及GaN覆盖层中镁受主杂质共振吸收该红外光而电离，从而大幅度 提高P型层的空穴浓度，降低P型层的电阻率，降低激光器的工作电压，延长激光器的寿命。本发明提供了一种氮化镓基半导体激光器，其特征在于，其中除η型欧姆电极制 作在衬底的下表面外，其它各层自下向上依次包括一衬底10，衬底10为η型(0001)面的氮化镓衬底；一下限制层11，该下限制层11由AWaN/GaN超晶格构成；—量子级联辐射层12，该量子级联辐射层由2-4个周期组成；量子级联辐射层为η型的Ala25^3Giici.75_Q.7N/GaN多量子阱结构，每一个周期自下而 上依次为宽度为1.9到2. 1纳米的AlGaN垒层；宽度为2. 6到2. 8纳米的GaN阱层；宽度为 1. 9到2. 1纳米的AlGaN垒层；宽度为1. 6到1. 8纳米的GaN阱层；宽度为1. 4到1. 6纳米 的AlGaN垒层；宽度为1. 6到1. 8纳米的GaN阱层；整个量子级联辐射层又由2_4个周期组成；多个周期的AWaN/GaN多量子阱；-下波导层13;-有源层14;-电子阻挡层15;一上波导层16 ；一上限制层17，该上限制层在刻蚀两侧后形成脊形，脊形分为中央突出部分以及 两侧非突出部分；一覆盖层18，该覆盖层刻蚀结束后，只有上限制层的脊形中央突出部分的上面保
留覆盖层；-绝缘层21，该绝缘层21制作在脊形两侧非突出部分仍保留的上限制层的上面和 脊形中央突出部分的上限制层的侧面；一 ρ型欧姆电极22，该ρ型欧姆电极制作在覆盖层18的上表面及绝缘层21上；-η型欧姆电极23，该η型欧姆电极制作在衬底10的下表面。所述的一种氮化镓基半导体激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤1)取一衬底 10 ；2)在衬底10上依次制作生长下限制层11、量子级联辐射层12、下波导层13、有源 层14、电子阻挡层15、上波导层16、上限制层17和覆盖层18 ；3)利用干法刻蚀将上限制层17两侧刻蚀后形成脊形，将脊形中央突出部分以外 区域中的覆盖层18刻蚀掉，只有上限制层的脊形中央突出部分的上面保留覆盖层形成脊 形结构；4)在脊形两侧的非突出部分仍保留的上限制层17的上表面和脊形中央突出部分 的上限制层的两个侧面制作绝缘层21 ；5)在覆盖层18的上表面及绝缘层21上制作ρ型欧姆电极22 ；6)在衬底10的下表面制作η型欧姆电极23，完成器件的制作。本发明是对普通的脊形GaN基激光器的结构做了改进。其特征在于，在原来的GaN 基半导体激光器结构中的η型AlGaN/GaN超晶格光限制层和η型GaN波导层之间插入一层 具有量子级联辐射功能的η型AWaN/GaN多量子阱结构。该AlGaN/GaN多量子阱结构在激 光器通电时，发生电子的量子级联辐射而产生不同于在有源区中电子与空穴复合而发射的 蓝紫光的红外辐射。该红外辐射的光子能量可以通过改变AlGaN/GaN多量子阱结构参数在 一定的区间内变化，如能量以0. 17eV 0. 19eV范围内某一光子能量为中心的红外辐射带。 使P型GaN波导层、AWaN光限制层以及GaN覆盖层中镁受主杂质共振吸收该红外光而电 离，镁杂质的大量电离导致P型层中空穴浓度的大幅度提高。同时由于这种电离镁受主杂 质的方法，可以降低P型各层的镁的掺杂浓度，因而还会使P型各层的空穴迁移率增大。另 外，由于要实现电子在η型AlGaN/GaN多量子阱结构的级联辐射，就必须通过外加电场使一 个周期的电子的第一激发态与其前面一个周期的基态重合以实现电子的输运。因此量子级 联辐射层必然要有相应的压降，量子级联辐射层的周期越多，压降就越大，为了避免过大的 压降，可以选择2到4个周期的AlGaN/GaN多量子阱作为量子级联辐射层，使得量子级联辐 射层的引入不致产生过大的附加压降而又可以使P型各层的压降显著降低。从而降低激光器的工作电压，延长激光器的工作寿命。AlGaN/GaN多量子阱量子级联辐射层的制作，首先通过理论模拟确定各层的参数， 然后利用外延设备生长出器件结构并制作成半导体激光器管芯，最后通过测试对器件结 构进行评估。首先在AlGaN/GaN多量子阱区域自洽求解薛定谔方程和泊松方程，求出含有 不同Al组分、不同宽度的AWaN垒层，以及不同宽度的GaN阱层的AWaN/GaN多量子阱结 构的有源区中电子的基态能级和第一激发态能级，并根据GaN中镁受主杂质的电离能确定 AlGaN/GaN多量子阱结构参数，使得电子在第一激发态与基态之间跃迁产生的光子，可以 引起镁受主杂质的共振吸收而电离。然后利用分子束外延(MBE)或金属有机化学气相沉 积(MOCVD)等设备通过调整各层的生长参数生长出半导体激光器外延片，利用X射线衍射 (XRD)、透射电子显微镜(TEM)确定各层是否达到设计要求。最后将外延片通过刻蚀、蒸镀 绝缘层、蒸镀电极金属、解理、腔面镀膜以及封装等工艺制成半导体激光器管芯，再通过光 功率-电流(P-I)、I-V测试确定激光器的工作电压。
图1是本发明中GaN基激光器的材料结构示意图；图2是本发明中脊形GaN基激光器的器件结构示意具体实施例方式本发明提出的新型结构的GaN基半导体激光器的器件制备过程为以η型(0001) 面的氮化镓材料为衬底10，利用M0CVD、MBE或者其它生长GaN材料的设备生长出器件结构。 该结构包括η型AWaN/GaN超晶格下限制层11、η型AWaN/GaN多量子阱量子级联辐射层 12，η型GaN下波导层13、InGaN/GaN有源层14、AlGaN电子阻挡层15、ρ型GaN上波导层 16，Ρ型AKiaN/GaN超晶格上限制层17和P型GaN覆盖层18。用干法刻蚀等方法刻出对称 的脊形台阶结构，脊形长度方向沿氮化镓的[11-20]方向。蒸镀二氧化硅绝缘层。蒸镀ρ 型欧姆接触电极金属并热退火，实现P型欧姆接触电极。将衬底10减薄至200 μ m左右，在 氮化镓衬底10的下表面蒸镀η型欧姆接触电极金属。将外延片沿氮化镓的[11-20]方向 划片分割成长条，将长条沿氮化镓的(11-20)面解理成所设计腔长的激光器管芯。在激光 器管芯的两个腔面蒸镀介质反射膜。最后再压焊引出电极、封装成激光器器件。实施例1为了进一步说明本器件结构的效果，我们以工作波长为405nm的GaN基半导体激 光器为例说明该器件结构的制备过程。各层的材料及厚度见表1。具体如下利用MOCVD方 法在η型(0001)面的氮化镓衬底10上生长出器件结构。该结构包括η型Ala2Giia8N/GaN超 晶格下限制层12 (厚度为0. 76 μ m,GaN阱宽为2. OnnuAla2GEia8N垒宽为2. Onm，掺杂浓度为 3 X IO18Cm-3)、η型Ala3tlGiia7ciNAiaN多量子阱量子级联辐射层12 [该层共三个周期，每一个 周期自下往上依次为 Al0.30Ga0.70N(l. 9nm)/GaN(2. 6nm)/Al0.30Ga0.70N(l. 9nm)/GaN(1. 6nm)/ Al0.3oGa0.70N(l. 4nm)/GaN(l. 6nm)，掺杂浓度为 3 X 1017cnT3]、η 型 GaN 下波导层 13(厚度为 0. 08 μ m，掺杂浓度为5 X 1015cnT3)、η型Inai5Giia85NAiaN有源区层14 (多量子阱为5个周 期，InGaN阱宽为3nm, GaN垒宽为8nm，掺杂浓度为3X IO17CnT3)、P型Al0.2Ga0.8N电子阻挡 层15 (厚度为20nm，掺杂浓度为5 X IO15CnT3)、P型GaN上波导层16 (厚度为0. 08 μ m,掺杂浓度为3 X IO17cnT3)、P型Al0.16Ga0.84N/GaN超晶格上限制层17 (厚度为0. 6 μ m, GaN阱宽为 2. 5nm, Ala2Giia8N垒宽为2. 5nm，掺杂浓度为8. 0 X IO17CnT3)和P型GaN覆盖层18 (厚度为 0. 2 μ m，掺杂浓度为2. 4 X IO20Cm-3)。GaN基激光器器件结构各层的生长参数如反应室压力、 生长温度、III族与V族源的流量可以结合生长设备通过简单的实验找到适合生长所设计 结构的最佳值。用反应离子刻蚀方法刻出脊形中央突出部分宽度为3. 5 μ m的、对称的脊形 台阶结构，脊形长条沿氮化镓的[11-20]方向。蒸镀二氧化硅绝缘层，蒸镀ρ电极欧姆接触 电极金属并热退火实现欧姆接触电极。将衬底10减薄至200 μ m左右，在衬底的下表面蒸 镀η电极的欧姆接触电极金属。将外延片沿氮化镓的[11-20]方向划片分割成长条。将长 条沿氮化镓的(11-20)面解理成腔长为800 μ m的激光器管芯。在激光器管芯的前腔面蒸 镀一对Ti02/Si&反射膜，后腔面蒸镀三对Ti02/Si&反射膜。最后再压焊、封装成激光器器 件。我们通过自洽求解薛定谔方程和泊松方程计算了量子级联辐射层的有源区的能 级，有源区量子阱的基态和第一激发态能级间隔为0. 19eV，当电场强度为1.73X 105V/cm， 且有电流流过时，可实现级联辐射，发射中心能量为0. 19eV的红外辐射带，该辐射带能 引起GaN中镁杂质的共振吸收，导致大量杂质的电离。室温下，ρ型GaN波导层的空穴浓 度可以达到9. OX IO15CnT3以上，P型Alai6Giia84NAiaN超晶格上限制层的空穴浓度达到为 8. OX IO15CnT3以上和P型GaN覆盖层的空穴浓度达到6. OX 1018cm_3以上。使ρ型区的压降 由现在的约3. 0V,降低为约0. 3V，扣除量子级联辐射层的压降0. 58V，可以使激光器的工作 电压降低约2. IV，达到5. 4V。实施例2为了进一步说明本器件结构的效果，作为比较，我们以工作波长为405nm的不包 含AlGaN/GaN多量子阱量子级联辐射层的GaN基激光器为例予以说明。该GaN基激光器器 件结构除了不包含AWaN/GaN多量子阱量子级联辐射层且下限制层厚度增加为0. 8 μ m以 外，其它各层的参数、生长条件、器件尺寸以及制作过程与实施例1完全相同。经测试，该器 件的阈值电流为110mA，对应的工作电压为7. 5V。该器件在1. 1倍阈值电流下工作寿命仅 为20小时。实施例3为了说明本发明的应用价值，我们再以工作波长为450nm的GaN基半导体激 光器为例说明该器件结构的特点。与实施例1相比，各层的材料及厚度除了有源区 改为In0.3Ga0.7N/In0.02Ga0.98N多量子阱(多量子阱为3个周期，In0.3Ga0.7N阱宽为3nm, 1%O2Ga0.98N垒宽为5nm, Si杂质浓度为3X IO16CnT3)，量子级联辐射层为η型Al0.25Ga0.75N/ GaN多量子阱，共三个周期，每一个周期自下往上依次为Ala25Giia75N(2. lnm)/GaN(2. Snm)/ Al0.25Ga0.75N (2. lnm) /GaN (1. 8nm) /Al0.25Ga0.75N(1. 6nm) /GaN (1. 8nm)，掺杂浓度为 3 X IO17CnT3 外，其它各层的参数、生长条件、器件尺寸以及制作过程与实施例1完全相同。我们通过自洽求解薛定谔方程和泊松方程计算了量子级联辐射层的有源区的能 级，有源区中电子的基态和第一激发态能级间隔为0. 18eV，当电场强度为1.48X 105V/cm， 且有电流流过时，可实现量子级联辐射，发射中心能量为0. ISeV的红外辐射带，该辐射带 能引起GaN中镁杂质的共振吸收，导致大量杂质的电离。室温下，ρ型GaN波导层的空穴 浓度可以达到9. OX IO15CnT3以上，ρ型Alai6Giia84NAiaN超晶格上限制层的空穴浓度达到为8. OX IO15CnT3以上和P型GaN覆盖层的空穴浓度达到6. OX IO18CnT3以上。ρ型区的压降由 现在的约3. 0V,降低为约0. 3V，扣除量子级联辐射层的压降0. 55V，可以使激光器的工作电 压较不含有量子级联辐射层的相同波长的半导体激光器降低约2. IV。表1本发明中GaN基激光器的各层材料及参数
权利要求
1.一种氮化镓基半导体激光器，其特征在于，其中除η型欧姆电极制作在衬底的下表 面外，其它各层自下向上依次包括一衬底(10)，衬底(10)为η型(0001)面的氮化镓衬底； 一下限制层(11)，该下限制层(11)由AKiaN/GaN超晶格构成； 一量子级联辐射层(12)，该量子级联辐射层由2-4个周期组成； 其中量子级联辐射层为η型的Al^uGiiduN/GaN多量子阱结构，每一个周期自下而 上依次为宽度为1.9到2. 1纳米的AlGaN垒层；宽度为2. 6到2. 8纳米的GaN阱层；宽度为 1. 9到2. 1纳米的AWaN垒层；宽度为1. 6到1. 8纳米的GaN阱层；宽度为1. 4到1. 6纳米 的AlGaN垒层；宽度为1. 6到1. 8纳米的GaN阱层；-下波导层(13)； -有源层(14)； -电子阻挡层(15)； 一上波导层(16)；一上限制层(17)，该上限制层在刻蚀两侧后形成脊形，脊形分为中央突出部分以及两 侧非突出部分；一覆盖层(18)，该覆盖层刻蚀结束后，只有上限制层的脊形中央突出部分的上面保留覆盖层；-绝缘层(21)，该绝缘层制作在脊形两侧非突出部分仍保留的上限制层的上面和 脊形中央突出部分的上限制层的侧面；一 P型欧姆电极(22)，该ρ型欧姆电极制作在覆盖层(18)的上表面及绝缘层上； -η型欧姆电极(23)，该η型欧姆电极制作在衬底(10)的下表面。
2.根据权利要求1所述的一种氮化镓基半导体激光器的制作方法，其特征在于，包括 如下步骤1)取一衬底(10)；2)在衬底(10)上依次制作生长下限制层(11)、量子级联辐射层(12)、下波导层(13)、 有源层(14)、电子阻挡层(15)、上波导层(16)、上限制层(17)和覆盖层(18)；3)利用干法刻蚀将上限制层(17)两侧刻蚀后形成脊形，将脊形中央突出部分以外区 域中的覆盖层(18)刻蚀掉，只有上限制层的脊形中央突出部分的上面保留覆盖层形成脊 形结构；4)在脊形两侧的非突出部分仍保留的上限制层(17)的上表面和脊形中央突出部分的 上限制层的两个侧面制作绝缘层；5)在覆盖层(18)的上表面及绝缘层上制作ρ型欧姆电极02)；6)在衬底(10)的下表面制作η型欧姆电极(23)，完成器件的制作。
全文摘要
一种氮化镓基半导体激光器及其制作方法属于半导体激光器领域。该器件结构是在激光器的n型光限制层与n型波导层之间引入量子级联辐射层，并利用该层在激光器工作时产生的红外辐射，实现p型GaN波导层、p型AlGaN光限制层以及p型GaN覆盖层中镁受主杂质的电离，提高p型各层的载流子浓度，降低激光器的工作电压。该量子级联辐射层的平均Al组分与n型AlGaN光限制层接近，因此激光器光限制因子并无明显变化。虽然激光器工作时，n型层的压降会有所增加，但由于P型层压降的大幅度降低，将使激光器能够在较低的电压下工作。该激光器结构可降低激光器的串联电阻，进而降低激光器的工作电压，延长激光器的寿命。
文档编号H01S5/343GK102064471SQ20101057121
公开日2011年5月18日 申请日期2010年11月26日 优先权日2010年11月26日
发明者廛宇飞, 张书明, 朱建军, 李德尧, 苏雷, 许海军 申请人:北京化工大学