一种半导体激光器外延结构的制备方法及半导体激光器与流程

本发明涉及激光器，尤其涉及一种半导体激光器外延结构的制备方法及半导体激光器。

背景技术：

1、激光器在激光加工、激光照明、激光显示、激光通信、激光医疗、激光雷达、光谱分析等有着广泛的应用。近年来，半导体激光器研究受到众多研究院所及企业界的关注，但以gan基的半导体激光器诸如蓝光、绿光、紫光激光器，在光电转换效率以及可靠性等方面技术发展较慢，产业化也遇到诸多阻碍。

2、algan基激光器限制层材料因其极化效应及应力等造成载流子注入偏低、电子与空穴对称性差、电子泄露等问题，严重制约着激光器性能的提升。迄今为止，报道alxga1-xn基氮化物激光二极管的最短发射波长为336nm。在近紫外（320-400nm），上限制层的algan材料的al组分在20%或以上。若在较短波长，小于300nm波长，实现激光将需要al组分超过50%的alxga1-xn材料限制层。

3、特别是近年来对algan材料中点缺陷研究的不断升入，点缺陷控制已经成为业内比较关心的问题。hautakangas等通过正电子湮灭技术，证明mgga-vn复合缺陷存在，这类高密度的点缺陷会作为施主补偿p-algan，显著降低palgan中空穴浓度及迁移率，点缺陷的增殖与扩散对大功率激光器的性能影响较大，如点缺陷增加阈值电流，增加非辐射复合杂质，对器件的可靠性影响也较明显。同时，algan外延材料还容易引入c、h、o等杂质，并会转变为深能级中心，影响器件性能。

4、对于现有的algan基激光器的制备过程中，上限制层材料因其极化效应及应力等造成载流子注入偏低、电子与空穴对称性差、电子泄露等问题，严重制约着激光器性能的提升，因此对于上限制层的生长质量改进成尤为值得关注。

技术实现思路

1、本发明提供了一种半导体激光器外延结构的制备方法及半导体激光器，以减少上限制层中的点缺陷，降低材料位错密度，进而提高器件可靠性。

2、根据本发明的一方面，提供了一种半导体激光器外延结构的制备方法，包括：

3、提供衬底；

4、在所述衬底一侧生长n型下限制层；

5、在所述n型下限制层远离所述衬底一侧生长n型下波导层；

6、在所述n型下波导层远离所述衬底一侧生长量子阱层；

7、在所述量子阱层远离所述衬底一侧生长p型上波导层；

8、在所述p型上波导层远离所述衬底一侧生长p型电子阻挡层；

9、在所述p型电子阻挡层远离所述衬底一侧生长p型上限制层，所述p型上限制层包括至少三个上限制层分部，其中所述p型上限制层生长过程中靠近所述p型上波导层一侧的所述上限制层分部中五族源与三族源的摩尔比小于远离所述p型上波导层一侧的所述上限制层分部中五族源与三族源的摩尔比；

10、在所述p型上限制层远离所述衬底一侧生长p型接触层，完成半导体激光器外延结构制备。

11、可选的，在所述p型电子阻挡层远离所述衬底一侧生长p型上限制层，包括：

12、提供氮源、铝源、镓源和镁源，所述氮源和所述铝源交替开启，以在所述p型电子阻挡层远离所述衬底一侧生长p型上限制层。

13、可选的，所述氮源和所述铝源交替开启，包括：

14、当所述氮源开启预设时间时，所述铝源关闭所述预设时间；或者，当所述氮源关闭预设时间时，所述铝源开启所述预设时间。

15、可选的，所述预设时间为1-5s。

16、可选的，p型上限制层至少包括依次设置的第一上限制层分部、第二上限制层分部和第三上限制层分部；

17、在所述p型电子阻挡层远离所述衬底一侧生长p型上限制层，所述p型上限制层包括至少三个上限制层分部，其中所述p型上限制层生长过程中靠近所述p型上波导层一侧的五族源与三族源的摩尔比小于远离所述p型上波导层一侧的五族源与三族源的摩尔比，包括：

18、在所述p型电子阻挡层远离所述衬底一侧以第一生长周期和第一五族源与三族源的摩尔比生长第一上限制层分部；

19、在所述第一上限制层分部远离所述衬底一侧以第二生长周期和第二五族源与三族源的摩尔比生长第二上限制层分部；

20、在所述第二上限制层分部远离所述衬底一侧以第三生长周期和第三五族源与三族源的摩尔比生长第三上限制层分部，其中，所述第一五族源与三族源的摩尔比小于所述第二五族源与三族源的摩尔比，所述第二五族源与三族源的摩尔比小于所述第三五族源与三族源的摩尔比。

21、可选的，所述第一上限制层分部的厚度为50-300nm，所述第二上限制层分部的厚度为50-200nm和所述第三上限制层分部的厚度为50-150nm。

22、可选的，所述第一生长周期、所述第二生长周期和所述第三生长周期为5~100个。

23、可选的，所述p型上限制层的材料为p型铝镓氮材料，掺杂镁浓度为1e+18cm-3~8e+18cm-3,铝的组分为0.1~0.3。

24、可选的，所述p型上限制层的生长温度为950℃-1150℃。。

25、根据本发明的另一方面，提供了一种半导体激光器，包括上述方面中任一项所述的半导体激光器外延结构的制备方法。

26、本发明实施例的技术方案，通过一种半导体激光器外延结构的制备方法，包括：提供衬底；在衬底一侧生长n型下限制层；在n型下限制层远离衬底一侧生长n型下波导层；在n型下波导层远离衬底一侧生长量子阱层；在量子阱层远离衬底一侧生长p型上波导层；在p型上波导层远离衬底一侧生长p型电子阻挡层；在p型电子阻挡层远离衬底一侧生长p型上限制层，p型上限制层包括至少三个上限制层分部，其中p型上限制层生长过程中靠近p型上波导层一侧的上限制层分部中五族源与三族源的摩尔比小于远离p型上波导层一侧的上限制层分部中五族源与三族源的摩尔比，五族源与三族源交替存在；在p型上限制层远离衬底一侧生长p型接触层，完成半导体激光器外延结构制备。以实现减少氮空位，减少p型上限制层中的点缺陷，降低材料位错密度，提高器件可靠性。

27、应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

技术特征：

1.一种半导体激光器外延结构的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的半导体激光器外延结构的制备方法，其特征在于，在所述p型电子阻挡层远离所述衬底一侧生长p型上限制层，包括：

3.根据权利要求2所述的半导体激光器外延结构的制备方法，其特征在于，所述氮源和所述铝源交替开启，包括：

4.根据权利要求3所述的半导体激光器外延结构的制备方法，其特征在于，所述预设时间为1-5s。

5.根据权利要求1所述的半导体激光器外延结构的制备方法，其特征在于，p型上限制层至少包括依次设置的第一上限制层分部、第二上限制层分部和第三上限制层分部；

6.根据权利要求5所述的半导体激光器外延结构的制备方法，其特征在于，所述第一上限制层分部的厚度为50-300nm，所述第二上限制层分部的厚度为50-200nm和所述第三上限制层分部的厚度为50-150nm。

7.根据权利要求5所述的半导体激光器外延结构的制备方法，其特征在于，所述第一生长周期、所述第二生长周期和所述第三生长周期为5~100个。

8.根据权利要求1所述的半导体激光器外延结构的制备方法，其特征在于，所述p型上限制层的材料为p型铝镓氮材料，掺杂镁浓度为1e+18cm-3~8e+18cm-3,铝的组分为0.1~0.3。

9.根据权利要求1所述的半导体激光器外延结构的制备方法，其特征在于，所述p型上限制层的生长温度为950℃-1150℃。

10.一种半导体激光器，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的半导体激光器外延结构的制备方法。

技术总结
本发明公开了一种半导体激光器外延结构的制备方法及半导体激光器，包括：提供衬底；在衬底一侧依次生长n型下限制层、n型下波导层、量子阱层、P型上波导层、P型电子阻挡层、P型上限制层和P型接触层；其中P型上限制层分至少三个上限制层分部生长，生长过程中靠近P型上波导层一侧的上限制层分部中五族源与三族源的摩尔比小于远离P型上波导层一侧的上限制层分部中五族源与三族源的摩尔比；其中五族源和三族源交替存在，以实现减少氮空位，以减少P型上限制层中的点缺陷，降低材料位错密度，提高器件可靠性。

技术研发人员：郭丽彬,周大勇,杨慧永,祝曾伟,顾俊,赵文超
受保护的技术使用者：材料科学姑苏实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16