一种非对称双波导结构的激光二极管的制作方法

本实用新型一种非对称双波导结构的激光二极管，属于半导体发光器件技术领域。

背景技术：

常规的对称单波导结构的ingan绿光激光二极管的结构如图1所示，其中p型波导层和n型波导层以量子阱为中心位置对称地设置在有源层的两侧，采用这种常规结构的器件输出功率低，有源区和波导层的限制因子高。工艺上，可以通过采用窗口结构或镀制腔面钝化膜等工艺方法来提高腔面的损伤值。从器件的结构设计上，可以采用宽波导、大光腔的结构增加激光器的端面出射面积，从而从根本上减小腔面的光密度。但是，宽波导结构也就是增加波导层的厚度，它在增加激光出射面积的同时，也导致高阶模的产生，同时产生高阶模的限制因子和基模的成竞争关系不利于器件的高功率输出和光束质量的提高；宽波导同时也会产生较强的载流子泄漏和影响电光转换效率。因此，有必要对高功率半导体激光器的波导结构进行优化设计，在提高器件输出功率的同时，避免上述现象的发生。而且在激光器使用对称单波导结构，会使在载流子在有源区上方的p型波导层复合，降低了空穴的注入效率。

技术实现要素：

本实用新型一种非对称双波导结构的激光二极管，克服了现有技术存在的不足，提供了一种能够提高激光器的辐射负荷率和输出功率的双波导结构的激光二极管及其制备方法。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种非对称双波导结构的激光二极管，包括衬底以及在衬底上依次设置的n型限制层、第一n型波导层、第二n型波导层、有源层、电子阻挡层、p型波导层、p型限制层和电极接触层，有源层包括若干个量子阱层和量子垒层，相同层数的量子阱层和量子垒层从下往上交替层叠，有源层位于p型波导层和第一n型波导层之间中心位置的上方。

优选的，所述衬底为gan衬底。

优选的，所述量子阱层和所述量子垒层的层数都为3层，所述量子阱层为ingan量子阱层，所述量子垒层为alingan量子垒层。

优选的，所述第一n型波导层为n-gan波导层，厚度为30-70nm；所述第二n型波导层为n-inxga1-xn波导层，其中，0.01≤x≤0.2。

一种非对称双波导结构的激光二极管的制备方法，包括以下步骤：

衬底清洗步骤：在900-1200℃温度下，h2气氛中还原处理300s，然后对gan衬底表面进行氮化处理；

n型限制层生长步骤：采用三甲基镓作为镓源，三甲基铝为铝源，nh3作为氮源，h2作为载气，生长温度为1000-1200℃，生长时间为3600s，反应室压力为600mbar，生长厚度为500-1200nm的n-alxga1-xn限制层，其中0.01≤x≤0.2；

第一n型波导层生长步骤：采用三甲基镓作为镓源，nh3作为氮源，h2作为载气，生长温度为1000-1200℃，反应室压力为600mbar，时间为150-200s，生长厚度为30-70nm的n-gan波导层；

第二n型波导层生长步骤：以三乙基镓为镓源，三甲基铟为铟源，nh3为氮源，n2为载气，在温度为850-1050℃，反应室压力为400mbar，生长时间为100-500s，生长厚度为50-300nm的n-inxga1-xn波导层，其中0.01≤x≤0.2；

量子阱层生长步骤：以三乙基镓为镓源，三甲基铟为铟源，nh3为氮源，n2为载气，在温度为550-750℃，反应室压力为400mbar，生长时间为100-500s，生长的厚度为4-10nm的ingan量子阱层；

量子垒层生长步骤：采用三乙基镓为镓源，三甲基铟为铟源，三甲基铝为铝源，nh3作为氮源，n2为载气，sih4作为掺杂源，生长温度为500-900℃，反应室压力为400mbar、生长时间为300-400s，生长厚度为8-20nm的alingan量子垒层；

重复执行量子阱层和量子垒层的生长步骤2-3次，形成有源层；

电子阻挡层生长步骤：采用三甲基镓为镓源，三甲基铟为铟源，三甲基铝为铝源，二茂镁为镁源，nh3作为氮源，n2为载气，生长温度为700-1000℃，生长时间为100-350s，反应室压力为200mbar，生长厚度为50-200nm的p-alxinyga1-x-yn电子阻挡层，其中0.01≤x≤0.3，0.01≤y≤0.1；

p型波导层生长步骤：以三乙基镓为镓源，三甲基铟为铟源，三甲基铝为铝源，nh3为氮源，n2为载气，在温度为700-950℃，反应室压力为400mbar，生长时间为100-500s，生长厚度为30-150nm的p-aixinyga1-x-yn波导层，其中0.01≤x≤0.3，0.01≤y≤0.1；

p型限制层生长步骤：以三乙基镓为镓源，三甲基铟为铟源，三甲基铝为铝源，nh3为氮源，n2为载气，在温度为700-950℃，反应室压力为400mbar，生长时间为700-2000s，生长厚度为200-700nm的p-alxinyga1-x-yn限制层，其中0.01≤x≤0.1，0.01≤y≤0.3。

本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果。

本实用新型一种非对称双波导结构的激光二极管，能够很好的解决由于光学灾难性损伤引起的器件有源区与波导层的限制因子高的问题，从而降低激光器的载流子泄漏，降低了激光器的损耗，从而提高了激光器的辐射复合率和输出功率。

附图说明

图1为常规的单波导结构的ingan绿光激光二极管图。

图2为本实用新型实施例提供的一种非对称双波导结构绿光激光二极管的结构示意图。

图中，1-衬底，2-n型限制层，3-第一n型波导层，4-第二n型波导层，5-有源层，6-电子阻挡层，7-p型波导层，8-p型限制层，9-电极接触层，51-量子阱层，52-量子垒层。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的说明。

如图2所示，本实用新型一种非对称双波导结构的激光二极管，包括衬底1以及在衬底1上依次设置的n型限制层2、第一n型波导层3、第二n型波导层4、有源层5、电子阻挡层6、p型波导层7、p型限制层8和电极接触层9，有源层5包括若干个量子阱层51和量子垒层52，相同层数的量子阱层51和量子垒层52从下往上交替层叠，有源层5位于p型波导层7和第一n型波导层3之间中心位置的上方。

作为一种实施方式，衬底为gan衬底。n型限制层2为n-alxga1-xn限制层，其中0.01≤x≤0.2。第一n型波导层为3n-gan波导层。第二n型波导层4为n-inxga1-xn波导层，其中0.01≤x≤0.2。有源层5中，量子阱层51和量子垒层52的层数都为3层，量子阱层51为ingan量子阱层，量子垒层52为alingan量子垒层。电子阻挡层6为p-alxinyga1-x-yn电子阻挡层，其中0.01≤x≤0.3，0.01≤y≤0.1。p型波导层7为p-aixinyga1-x-yn波导层，其中0.01≤x≤0.3，0.01≤y≤0.1。p型限制层8为p-alxinyga1-x-yn限制层，其中0.01≤x≤0.1，0.01≤y≤0.3。

本实用新型还提供一种非对称双波导结构的激光二极管的制备方法，包括以下步骤：

衬底清洗步骤：在900-1200℃温度下，h2气氛中还原处理300s，然后对gan衬底表面进行氮化处理。该步骤在作用是对衬底表面清洗和淡化处理。

n型限制层生长步骤：采用三甲基镓作为镓源，三甲基铝为铝源，nh3作为氮源，h2作为载气，生长温度为1000-1200℃，生长时间为3600s，反应室压力为600mbar，生长厚度为500-1200nm的n-alxga1-xn限制层，其中0.01≤x≤0.2。该步骤在作用是限制光场层，并提供电子。

第一n型波导层生长步骤：采用三甲基镓作为镓源，nh3作为氮源，h2作为载气，生长温度为1000-1200℃，反应室压力为600mbar，时间为150-200s，生长厚度为30-70nm的n-gan波导层。该步骤在作用是提供光子传播的介质，调节光场分布。

第二n型波导层生长步骤：以三乙基镓为镓源，三甲基铟为铟源，nh3为氮源，n2为载气，在温度为850-1050℃，反应室压力为400mbar，生长时间为100-500s，生长厚度为50-300nm的n-inxga1-xn波导层，其中0.01≤x≤0.2。该步骤在作用是提供光子传播的介质，进一步调节光场分布。

量子阱层生长步骤：以三乙基镓为镓源，三甲基铟为铟源，nh3为氮源，n2为载气，在温度为550-750℃，反应室压力为400mbar，生长时间为100-500s，生长的厚度为4-10nm的ingan量子阱层。该步骤在作用是电子和空穴的复合层，提供光子。

量子垒层生长步骤：采用三乙基镓为镓源，三甲基铟为铟源，三甲基铝为铝源，nh3作为氮源，n2为载气，sih4作为掺杂源，生长温度为500-900℃，反应室压力为400mbar、生长时间为300-400s，生长厚度为8-20nm的alingan量子垒层。该步骤在作用是把电子和空穴限制在量子阱中。

重复执行量子阱层和量子垒层的生长步骤2-3次，形成有源层。

电子阻挡层生长步骤：采用三甲基镓为镓源，三甲基铟为铟源，三甲基铝为铝源，二茂镁为镁源，nh3作为氮源，n2为载气，生长温度为700-1000℃，生长时间为100-350s，反应室压力为200mbar，生长厚度为50-200nm的p-alxinyga1-x-yn电子阻挡层，其中0.01≤x≤0.3，0.01≤y≤0.1。该步骤在作用是限制电子泄漏。

p型波导层生长步骤：以三乙基镓为镓源，三甲基铟为铟源，三甲基铝为铝源，nh3为氮源，n2为载气，在温度为700-950℃，反应室压力为400mbar，生长时间为100-500s，生长厚度为30-150nm的p-aixinyga1-x-yn波导层，其中0.01≤x≤0.3，0.01≤y≤0.1。该步骤在作用是提供光子传播的介质。

p型限制层生长步骤：以三乙基镓为镓源，三甲基铟为铟源，三甲基铝为铝源，nh3为氮源，n2为载气，在温度为700-950℃，反应室压力为400mbar，生长时间为700-2000s，生长厚度为200-700nm的p-alxinyga1-x-yn限制层，其中0.01≤x≤0.1，0.01≤y≤0.3。该步骤在作用是限制光场层，并提供空穴。

电极接触层的生长步骤，同常规激光二极管中的电极接触层的生长步骤一样。

本实用新型采用非对称双波导结构不仅能降低量子阱区的限制因子，还能够提高激光器的输出功率。本实用新型非对称波导结构的激光二极管的量子阱的位置不再处在整个波导的中心位置，由于光场分布主要由波导层来决定，因此在波导层厚度不变的情况下，光场的变化很小。这就使得量子阱偏离光场中心，量子阱向p型区偏移后，使得光场与n型区的交叠增大，与p型区的交叠减小，这就降低了p型区的载流子对光子的吸收作用．从而使基模的限制因子发生改变。本实用新型非对称双波导结构的激光二极管，其限制因子会进一步降低。电子产生通过波导层，由于电子密度比较大而且波导层靠近量子阱区，第一n型波导层3和第二n型波导层4组成的双波导层结构可以缓冲层中电子的密度，减少载流子从量子阱中泄漏，使电子和空穴辐射复合的几率增大。非对称双波导结构不影响空穴的注入，光场远离p型层，减少了光的吸收损耗，提高了光的增益；同时使激光器有更小的限制因子，提高输出功率。

影响半导体激光器输出功率提高的最主要因素不是阈值电流和转换效率，而是与器件腔面的光学灾难性损伤功率密度有关；而对于相同量子阱宽度、前后腔反射率相同、宽度相同的器件来说，光学灾难性损伤功率密度就和有源区的限制因子密切相关，而且成反比关系。而对于常规的对称单波导结构的激光器来说，器件的波导结构限制了侧向光场，虽对横向光场没有多大的影响；但是较大的p型空穴光吸收系数及较小空穴迁移率导致光场与上波导层会产生重叠，使得器件的内损耗和限制因子增加。相对于常规的非对称单波导结构的激光器，本实用新型非对称双波导结构的激光二极管的光场远离了p型波导层7，远场垂直发散更小，光场强度增加；光场和p型限制层8重叠较少，有掺杂和自由载流子引起的损耗降低；而且有源层5和p型波导层7的限制因子也有一定的降低。n型波导层使用gan/ingan双波导，可使in组分有个过渡，从而使第二n型波导层4和量子垒阱界面的位错减少，提高阱垒界面的晶体质量。绿光激光二极管电子泄漏和p型杂质浓度非常高，是造成绿光激光二极管光吸收损耗大的重要原因。通过本实用新型非对称双波导层的结构设计，该结构可以使光场限制在第一和第二n型波导层两个波导层中，常规的对称单波导结构获得的灾难性光学损伤存在限制高峰值功率的输出；本实用新型在不影响电子和空穴注入的情况下，减少电子泄漏，让光场远离p型层，从而减小吸收损耗。本实用新型非对称双波导的激光二极管使反射镜前后窗口的限制因子有显著更高的降低，使基模更好的耦合，降低耦合损耗，提高光增益。

尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本实用新型，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本实用新型的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。