一种提高空穴注入的氮化镓基激光器

1.本公开涉及半导体光电子器件领域，具体涉及一种提高空穴注入的氮化镓基激光器。


背景技术：

2.gan基激光器的发光范围涵盖了紫外到可见光波段，在激光显示、光学存储、激光照明、生物检测、紫外固化等领域都有应用，具有巨大的经济价值和广阔的市场前景。自1995年日本日亚公司制备出世界首支gan基激光器以来，gan基激光器得到了快速的发展。2006年，德国欧司朗公司制备出脉冲激光功率为3.4w的gan基紫光激光器。2019年，日亚公司报道了输出功率为1.19w的绿光激光器。2021年，中科院半导体所成功制备出输出功率为6w的蓝光激光器。当前，多波段、高功率、系统集成是gan基激光器发展的趋势。
3.然而，在gan基激光器的发展道路上仍存在着很多的阻碍，其中之一就是低空穴注入效率。ingan、gan、algan材料之间由于晶格失配，激光器内部存在较大的极化电场。极化电场引起能带发生倾斜，增加了空穴的输运势垒，导致注入量子阱的难度增大。而且，空穴的迁移率较低，有效质量较大，在量子阱中的分布并不均匀。靠近p侧的量子阱中空穴分布较多而靠近n侧的空穴分布较少，导致量子阱的发光不均匀。同时，n侧量子阱缺少空穴会导致光的吸收增强，从而造成gan基激光器的光学损耗增加，斜率效率降低。另外，当空穴从p型侧向量子阱中传输时，会受到电子阻挡层的阻碍，减少了注入到量子阱中空穴的数量。部分空穴会与泄露到量子阱外的电子发生复合，导致非辐射复合效率增加，激光器的阈值电流随之增大。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种提高空穴注入的氮化镓基激光器，其设置空穴存储层不仅能作为空穴发射器为量子阱提供空穴，并缩短了部分空穴向量子阱传输的距离，降低了空穴的输运势垒，解决了gan基激光器中空穴注入困难的问题，空穴与泄露的电子发生非辐射复合的机率降低，抑制了激光器的泄露电流。
5.本发明提供了一种提高空穴注入的氮化镓基激光器，包括p型电极和n型电极，还包括：第一限制层，设置于所述p型电极和所述n型电极之间，用于限制光场；多量子阱，设置于所述第一限制层与所述n型电极之间，用于使电子和空穴在此处发生辐射复合发光；空穴存储层，设置于所述第一限制层与所述多量子阱之间，用于作为空穴发射器，为多量子阱提供更多空穴，并改善空穴从p型电极向多量子阱的注入效率。
6.可选地，还包括：第二限制层，设置于所述n型电极与所述多量子阱之间，用于限制光场；衬底，设置于所述n型电极与所述第二限制层之间；缓冲层，设置于所述衬底与所述多量子阱之间，用于降低衬底与第二限制层之间的晶格失配；第二波导层，设置于所述下限制层与所述多量子阱之间，用于传输光；第一波导层，设置于所述多量子阱与所述第一限制层之间，用于传输光；电子阻挡层，设置于所述第一波导层与所述第一限制层之间，用于降低
电子的泄露；欧姆接触层，设置于所述第一限制层与所述p型电极之间，用于提高欧姆接触。
7.可选地，所述空穴存储层所用材质为p型掺杂的in
x
ga
1-x
n，其中0≤x≤0.04。
8.可选地，所述多量子阱包括至少一个量子阱层和至少一个量子垒层；所述至少一个量子阱层所用材料为al
x
inyga
1-x-y
n，其中，0≤x≤0.4，0.06≤y≤0.45；所述至少一个量子垒层所用材料为inzga
l-z
n，其中，0≤x≤0.05。
9.可选地，所述n型电极所用材料为ti/al/ti/au；所述p型电极所用材质为pd/pt/au或ti/pt/au。
10.可选地，所述衬底所用材料为al2o3、aln或gan；所述缓冲层所用材料为gan或al
x
ga
1-x
n，其中，0≤x≤0.02。
11.可选地，所述第二限制层所用材料为n型掺杂的al
x
inyga
1-x-y
n或al
x
ga
1-x
n，其中，0.02≤x≤0.1，0≤y≤0.05；所述第一限制层所用材料为p型掺杂的al
x
inyga
1-x-y
n或al
x
ga
1-x
n，其中，0.02≤x≤0.1，0≤y≤0.05。
12.可选地，所述第二波导层所用材料为非故意掺杂或n型掺杂的in
x
ga
l-x
n，其中，0≤x≤0.05；所述第一波导层所用材料为非故意掺杂的in
x
ga
1-x
n，其中，0≤x≤0.05。
13.可选地，所述电子阻挡层所用材质为p型掺杂的al
x
ga
1-x
n或al
x
ga
1-x
n/alyga
1-y
n，其中，0.1≤x≤0.5，0≤y≤0.15；所述欧姆接触层所用材质为重掺杂的p型的in
x
ga
1-x
n，其中，0≤x≤0.02。
14.一种提高空穴注入的氮化镓基激光器的制备方法，包括：在衬底2的一侧依次生长缓冲层3、第二限制层4、第二波导层5、多量子阱6、空穴存储层7、第一波导层8、电子阻挡层9、第一限制层10和欧姆接触层11，在衬底2的另一侧制备n型电极1，在欧姆接触层11上制备p型电极12。
15.本发明中所公开的提高空穴注入的氮化镓基激光器，其设置空穴存储层不仅能作为空穴发射器为量子阱提供空穴，并缩短了部分空穴向量子阱传输的距离，通过调控能带，降低了电子阻挡层处的空穴有效势垒高度，降低了空穴的输运势垒，减少了空穴向量子阱输运过程中的障碍，更多的空穴注入到量子阱中，提高了量子阱发光的均匀性，解决了gan基激光器中空穴注入困难的问题，空穴与泄露的电子发生非辐射复合的机率降低，抑制了激光器的泄露电流，有助于缓解光场泄露到衬底，提高了对光场的限制能力，从而改善了gan基激光器的光电特性。
附图说明
16.图1示意性示出了根据本公开实施例的提高空穴注入的氮化镓基激光器的结构示意图；
17.图2示意性示出了根据本公开实施例的空穴在价带中传输过程的示意图；
18.图中，n型电极-1、衬底-2、缓冲层-3、第二限制层-4、第二波导层-5、多量子阱-6、空穴存储层-7、第一波导层-8、电子阻挡层-9、第一限制层-10、欧姆接触层-11、p型电极-12。
具体实施方式
19.以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性
的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
20.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
21.本公开的实施例提供一种提高空穴注入的氮化镓基激光器，包括p型电极12和n型电极1，还包括：
22.第一限制层10，设置于所述p型电极12和所述n型电极1之间，用于限制光场；
23.多量子阱6，设置于所述第一限制层10与所述n型电极1之间，载流子辐射复合发光区，用于使电子和空穴在此处发生辐射复合发光；
24.空穴存储层7，设置于所述第一限制层10与所述多量子阱6之间，用于作为空穴发射器，为多量子阱6提供更多空穴，并改善空穴从p型电极12向多量子阱6的注入效率。
25.第二限制层4，设置于所述n型电极1与所述多量子阱6之间，用于限制光场；
26.衬底2，设置于所述n型电极1与所述第二限制层4之间；
27.缓冲层3，设置于所述衬底2与所述多量子阱6之间，用于降低衬底2与第二限制层4之间的晶格失配；
28.第二波导层5，设置于所述下限制层4与所述多量子阱6之间，用于传输光；
29.第一波导层8，设置于所述多量子阱6与所述第一限制层10之间，用于传输光；
30.电子阻挡层9，设置于所述第一波导层8与所述第一限制层10之间，用于降低电子的泄露；
31.欧姆接触层11，设置于所述第一限制层10与所述p型电极12之间，用于提高欧姆接触。
32.在一些实施例中，所述空穴存储层7所用材质为p型掺杂的in
x
ga
1-x
n，其中0≤x≤0.04，空穴存储层7的厚度为2～12nm。空穴存储层可以在多量子阱6最靠近第一波导层8的一级量子垒层和第一波导层8之间、第一波导层8和电子阻挡层9之间、或电子阻挡层9和第一限制层10之间。
33.在一些实施例中，所述多量子阱6包括至少一个量子阱层和至少一个量子垒层。
34.在一些实施例中，所述至少一个量子阱层所用材料为al
x
inyga
1-x-y
n，其中，0≤x≤0.4，0.06≤y≤0.45，所述至少一个量子阱层的厚度为1～5nm，所述至少一个量子阱层的阱层个数为1～6个。
35.在一些实施例中，所述至少一个量子垒层所用材料为inzga
1-z
n，其中，0≤x≤0.05，所述至少一个量子垒层的厚度为7～16nm，所述至少一个量子垒层的垒层个数为2～7个。
36.在一些实施例中，所述n型电极1所用材料为ti/al/ti/au；所述n型电极1的厚度为200～500nm。n型表示掺杂si。
37.在一些实施例中，所述p型电极12所用材质为pd/pt/au或ti/pt/au，所述p型电极12的厚度为500～800nm。p型表示掺杂mg。
38.在一些实施例中，所述衬底2所用材料为al2o3、aln或gan。
39.在一些实施例中，所述缓冲层3所用材料为gan或al
x
ga
1-x
n，其中，0≤x≤0.02；所述缓冲层3的厚度为0.2～3.2μm。
40.在一些实施例中，所述第二限制层4所用材料为n型掺杂的al
x
inyga
l-x-y
n或al
x
ga
1-x
n，其中，0.02≤x≤0.1，0≤y≤0.05；所述第二限制层4的厚度为0.5～3.5μm。
41.在一些实施例中，所述第一限制层10所用材料为p型掺杂的al
x
inyga
1-x-y
n或al
x
ga
1-x
n，其中，0.02≤x≤0.1，0≤y≤0.05；所述第一限制层10的厚度为0.3～2.5μm。
42.在一些实施例中，所述第二波导层5所用材料为非故意掺杂或n型掺杂的in
x
ga
1-x
n，其中，0≤x≤0.05；所述第二波导层5的厚度为70～230nm。
43.在一些实施例中，所述第一波导层8所用材料为非故意掺杂的in
x
ga
1-x
n，其中，0≤x≤0.05，所述第一波导层8的厚度为50～210nm。
44.在一些实施例中，所述电子阻挡层9所用材质为p型掺杂的al
x
ga
1-x
n或al
x
ga
1-x
n/alyga
1-y
n，其中，0.1≤x≤0.5，0≤y≤0.15；所述电子阻挡层9的厚度为12～35nm。
45.在一些实施例中，所述欧姆接触层11所用材质为重掺杂的p型的in
x
ga
1-x
n，其中，0≤x≤0.02，所述欧姆接触层11的厚度为0.06～0.55μm。
46.图1示意性示出了根据本公开实施例的提高空穴注入的氮化镓基激光器的结构示意图。
47.在一个实施例中，一种提高空穴注入的氮化镓基激光器，如图1所示，包括p型电极12和n型电极1，n型电极1所用材料为ti/al/ti/au，厚度为300nm，n型表示掺杂si；p型电极12所用材质为pd/pt/au，厚度为600nm，p型表示掺杂mg，还包括：
48.第一限制层10，设置于p型电极12和n型电极1之间，用于限制光场；第一限制层10所用材料为p型掺杂的in
0.025
ga
0.975
n，厚度为0.45μm。
49.多量子阱6，设置于第一限制层10与n型电极1之间，载流子辐射复合发光区，用于使电子和空穴在此处发生辐射复合发光；多量子阱包括至少一个量子阱层和至少一个量子垒层；至少一个量子阱层所用材料为al0in
0.3
ga
0.7
n，厚度为3nm，阱层个数为2个；至少一个量子垒层所用材料为in
0.01
ga
0.99
n，厚度为13nm，垒层个数为3个。
50.图2示意性示出了根据本公开实施例的空穴在价带中传输过程的示意图。
51.如图2所示，黑色原点代表空穴，箭头代表空穴的传输方向。空穴从p型电极12侧，绕过电子阻挡层9的阻碍，向多量子阱6传输的过程。其中多量子阱6沿生长方向依次包括：第一个in
0.01
ga
0.99
n量子垒层6a，第一个al0in
0.3
ga
0.7
n量子阱层6b，第二个in
0.01
ga
0.99
n量子垒层6c，第二个al0in
0.3
ga
0.7
n量子阱层6d，最后一个in
0.01
ga
0.99
n量子垒层6e。
52.空穴存储层7，设置于第一限制层10与多量子阱6之间，用于作为空穴发射器，为多量子阱6提供更多空穴，并改善空穴从p型电极12向多量子阱6的注入效率；空穴存储层7所用材质为p型掺杂的in
0.02
ga
0.98
n，厚度为8nm。
53.第二限制层4，设置于n型电极1与多量子阱6之间，用于限制光场；第二限制层4所用材料为al
0.01
in
0.03
ga
0.96
n，掺杂方式为n型掺杂，厚度为1.3μm；
54.衬底2，设置于n型电极1与第二限制层4之间；衬底2所用材料为氮化镓，厚度为80μm。
55.缓冲层3，设置于衬底2与多量子阱6之间，用于降低衬底2与第二限制层4之间的晶
格失配；缓冲层3所用材料为氮化镓，掺杂方式为n型掺杂，厚度为1.3μm。
56.第二波导层5，设置于下限制层4与多量子阱6之间，用于传输光；第二波导层5所用材料为in
0.01
ga
0.99
n，非故意掺杂，厚度为130nm；
57.第一波导层8，设置于多量子阱6与第一限制层10之间，用于传输光；第一波导层8所用材料为非故意掺杂的in
0.025
ga
0.975
n，非故意掺杂，厚度为110nm。
58.电子阻挡层9，设置于第一波导层8与第一限制层10之间，用于降低电子的泄露；电子阻挡层9所用材质为p型掺杂的al
0.25
ga
0.75
n，厚度为25nm。
59.欧姆接触层11，设置于第一限制层10与p型电极12之间，用于提高欧姆接触；欧姆接触层11所用材质为重p型掺杂的gan，si的掺杂浓度为5
×
10
20
cm-3
。
60.进一步地，一种提高空穴注入的氮化镓基激光器的制备方法，包括：
61.在衬底2的一侧依次生长缓冲层3、第二限制层4、第二波导层5、多量子阱6、空穴存储层7、第一波导层8、电子阻挡层9、第一限制层10和欧姆接触层11，在衬底2的另一侧制备n型电极1，在欧姆接触层11上制备p型电极12。
62.以上的具体实施例，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，所应理解的是，以上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。