一种提高氮化镓基激光器性能的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体光电子器件技术领域，特别是一种提高性能的氮化镓基激光器设计和制作方法。
【背景技术】
[0002]随着半导体光电子器件的迅速发展，氮化镓半导体激光器应运而生。氮化镓激光器，尤其是蓝紫光波段，相对于红光及红外激光器来说，能够提供更小的光斑尺寸和更大的聚焦深度，从而在更高分辨、更快速度的激光打印以及大密度存储系统中有着广泛的应用。另外，蓝光激光器结合现在已有的红光、绿光激光器，在投影显示及全色打印领域中，具有很广的前景。因而，人们对氮化镓激光器性能有着较高的要求。
[0003]氮化镓基激光器材料层主要分为三部分:单量子阱或多量子阱形成的有源区、有源区一侧为有源区提供电子的N区、有源区另一侧为有源区提供空穴的P区。通过施加外加偏压驱动电子和空穴在垂直于结平面的方向上注入到有源区进行复合并产生光。通过侧面两端的理解镜面形成反馈腔，使得电子空穴复合产生的光在腔内不断谐振并且形成波前平行于镜面的驻波。如果有源区内的光增益超过了激光器结构里的光损耗，就会产生放大的受激辐射，激光便会从镜面端面发射出来。对于普通的氮化镓基蓝紫光激光器而言，由于激射波长较短，量子阱深度较小，对载流子的束缚能力较弱，从η区注入的有效质量较小的电子很容易跃过有源区注入到P区，与P区的空穴发生非辐射复合，形成较大的电子泄露电流。为了降低氮化镓基激光器的电子泄露，传统的做法就是在有源区和P区之间插入禁带宽度更大的铝镓氮，通过引入较大的导带带阶，阻挡电子泄露到P区。
[0004]电子阻挡层铝镓氮的引入，虽然能降低电子泄露，但是也存在两方面的负面效果。第一，由于电子阻挡层铝镓氮存在较强的极化，使最后一个量子皇的导带向下弯曲，这使得电子准费米能级容易进入导带，降低了电子有效势皇。第二，由于电子阻挡层较大的带隙，使价带引入了带阶，阻碍了空穴的注入。近年来，针对这两个负面效果，人们做了许多研究，比如，改善材料生长质量提高空穴的迀移率，引入渐变组分的电子阻挡层结构提高电子有效势皇。但这些方案中，只单方面的改进了其中一个负面效果，对另一个负面效果不作处理，甚至加剧了另一个的负面效果。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于，提出一种氮化镓基激光器及其制备方法，用于提高所述氮化镓基激光器的性能。
[0006]根据本发明一方面，其提供了一种氮化镓基激光器的制备方法，包括以下步骤:
[0007]步骤1:在氮化镓衬底上依次制作η型限制层、η型波导层、量子阱有源区、电子阻挡层、插入层、P型波导层、P型限制层和P型接触层；
[0008]步骤2:将P型接触层和P型限制层湿法腐蚀或干法刻蚀成脊型；
[0009]步骤3:在制作成的所述脊型上生长一层氧化模，并采用光刻的方法制作P型欧姆电极；
[0010]步骤4:将氮化镓衬底减薄、清洗，并在上面制作η型欧姆电极；
[0011]步骤5:进行解理、镀膜，最后封装在管壳上，制成氮化镓激光器。
[0012]根据本发明另一方面，其提供了一种氮化镓基激光器，其包括:
[0013]依次生长在氮化镓衬底上的η型限制层、η型波导层、量子阱有源区、电子阻挡层、P型波导层、P型限制层和P型接触层；
[0014]其中，在所述电子阻挡层与P型波导层之间还具有一插入层。
[0015]10、如权利要求9所述的氮化镓基激光器，其中，所述插入层的材料为掺杂铟镓氮，其厚度为2-15nm，铟组分为0.005-0.05。
[0016]本发明的关键在于:第一，铟镓氮插入层铟组分的选择。铟组分过低，该插入层的极化程度较弱，对激光器性能改善较弱。铟组分过高，过多的空穴积累在插入层，造成激光器性能恶化。第二，铟镓氮插入层厚度的选择。插入层厚度太薄，改善作用较弱。厚度太厚，空穴浓度积累，造成空穴过多的浪费。另外，铟镓氮插入层厚度也受临界厚度的限制，太厚，材料生长困难，材料质量较差。
【附图说明】
[0017]图1是本发明提出的一种氮化镓基激光器的结构示意图。
[0018]图2(a)是传统氮化镓基激光器结构在生长方向的能带图，其中(a)图是参考结构的能带图，(b)图是引入铟镓氮插入层的新结构能带图。
[0019]图3是本发明中氮化镓基激光器在120mA时电子电流随位置的分布示意图。
【具体实施方式】
[0020]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0021]本发明提出了一种氮化镓基激光器，其包括:
[0022]在所述氮化镓基激光器的电子阻挡层与P型波导层之间具有一层插入层；
[0023]所述插入层的材料为掺杂铟镓氮，其厚度为2-15nm，铟组分为0.005-0.05。
[0024]本发明提出的上述激光器，由于插入层的引入，能带结构上带来两方面的好处:第一，使空穴容易注入。该铟镓氮插入层的极化方向是从P区指向η区，造成插入层价带向上弯曲，空穴准费米能级更容易进入价带，使注入的空穴面对的势皇降低，最终使空穴容易注入。第二，电子有效势皇增大。铟镓氮插入层的极化使电子阻挡层与插入层界面积累更多的负电荷，促使电子阻挡层的极化增强，导致电子阻挡层的总电场减弱，使电子阻挡层能带倾斜程度减小，最终使η区能带整体下降，电子有效势皇增加，电子泄露降低。
[0025]本发明还提出了一种氮化镓基激光器的制造方法，如图1所示，其包括:
[0026]步骤1:在氮化镓衬底10上依次制作η型限制层11、η型波导层12、量子阱有源区13、电子阻挡层14、插入层15、P型波导层16、P型限制层17和ρ型接触层18 ；
[0027]步骤2:将P型接触层18和P型限制层17湿法腐蚀或干法刻蚀成脊型；
[0028]步骤3:在制作成的脊型上生长一层氧化模，并采用光刻的方法制作P型欧姆电极19 ；
[0029]步骤4:将氮化镓衬底10减薄、清洗，并在上面制作η型欧姆电极20 ;
[0030]步骤5:进彳丁解理、链I旲，最后封装在管壳上，制成一种性能提尚的氣化嫁激光器，完成制备。
[0031]其中，衬底10的材料为C面蓝宝石、SiC或GaN，该衬底10的厚度为100-1000 μ m。
[0032]其中，η型限制层11的材料为掺Si的η型铝镓氮，其铝组分为0.06-0.15，其厚度为 0.2-1.5 μ??ο
[0033]其中，η型波导层12的材料为掺Si的η型氮化镓或铟镓氮，铟组分为0-0.1，厚度为 0.1-1.2 μ??ο
[0034]其中，量子讲有源区的13量子讲个数为1-3个，量子讲的材料为铟镓氮，量子讲厚度为2-5nm，铟组分为0.1-0.2，量子皇材料氮化镓或铟镓氮，量子皇的厚度7_20nm。
[0035]其中，电子阻挡层14的材料为掺Mg的铝镓氮，厚度为10-30nm，铝组分为
0.1-0.3 ο
[0036]其中，插入层15的材料为掺Mg的铟镓氮，厚度为2-15nm，铟组分为0.005-0.05。
[0037]其中，ρ型波导层16的材料为掺Mg的铟镓氮或氮化镓，厚度0.1-0.8 μ m，铟组分为 0.01-0.10
[0038]图2是激光器结构在生长方向的能带图。图2(a)图是参考结构的能带图。图2 (b)图是引入铟镓氮插入层的新结构能带图。可以看出，引入铟镓氮插入层后，使电子阻挡层与插入层界面积累更多的的电子，增强了插入层的极化，电子阻挡层的总电场削弱，使其能带倾斜减弱，最终使η区能带相对ρ区整体下降，电子有效势皇增加，即电子有效势皇由原来的184meV变为215meV。另外，插入层极化会使该层价带向上弯曲，使空穴更容易进入价带，使空穴有效势皇降低，即由原来的195meV变为176meV，空穴更容易注入了。
[0039]图3是激光器的在120mA时电子电流随位置的分布。红色曲线使新结构电子电流的分布，黑色曲线是参考结构的电子电流分布。由于引入铟镓氮插入层后，η区能带整体下降，注入到量子阱的电子电流变多。由于空穴变得容易注入，电子有效势皇增加，使新结构的电子泄露电流变得更小。
[0040]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】
1.一种氮化镓基激光器的制备方法，包括以下步骤: 步骤1:在氮化镓衬底上依次制作η型限制层、η型波导层、量子阱有源区、电子阻挡层、插入层、P型波导层、P型限制层和P型接触层； 步骤2:将P型接触层和P型限制层湿法腐蚀或干法刻蚀成脊型； 步骤3:在制作成的所述脊型上生长一层氧化模，并采用光刻的方法制作P型欧姆电极； 步骤4:将氮化镓衬底减薄、清洗，并在上面制作η型欧姆电极； 步骤5:进行解理、镀膜，最后封装在管壳上，制成氮化镓激光器。2.根据权利要求1所述的方法，其中，衬底的材料为C面蓝宝石、SiC或GaN，该衬底的厚度为 100-1000 μ m。3.根据权利要求1所述的方法，其中，η型限制层的材料为掺Si的η型铝镓氮，其铝组分为 0.06-0.15，其厚度为 0.2-1.5 μ m。4.根据权利要求1所述的方法，其中，η型波导层的材料为掺Si的η型氮化镓或铟镓氮，铟组分为0-0.1，厚度为0.1-1.2 μ m。5.根据权利要求1所述的方法，其中，量子阱有源区的量子阱个数为1-3个，量子阱的材料为铟镓氮，量子阱厚度为2-5nm，铟组分为0.1-0.2，量子皇材料为氮化镓或铟镓氮，量子皇的厚度为7-20nmo6.根据权利要求1所述的方法，其中，电子阻挡层的材料为掺Mg的铝镓氮，厚度为10-30nm，铝组分为 0.1-0.3。7.根据权利要求1所述的方法，其中，插入层的材料为掺Mg的铟镓氮，厚度为2-15nm，铟组分为0.005-0.05。8.根据权利要求1所述的方法，其中，P型波导层的材料为掺Mg的铟镓氮或氮化镓，厚度 0.1-0.8 μm，铟组分为 0.01-0.1。9.一种氮化镓基激光器，其包括: 依次生长在氮化镓衬底上的η型限制层、η型波导层、量子阱有源区、电子阻挡层、P型波导层、P型限制层和P型接触层； 其中，在所述电子阻挡层与P型波导层之间还具有一插入层。10.如权利要求9所述的氮化镓基激光器，其中，所述插入层的材料为掺杂铟镓氮，其厚度为2-15nm，铟组分为0.005-0.05。
【专利摘要】本发明公开了一种氮化镓基激光器及其制备方法。所述方法包括以下步骤：步骤1：在氮化镓衬底上依次制作n型限制层、n型波导层、量子阱有源区、电子阻挡层、插入层、p型波导层、p型限制层和p型接触层；步骤2：将P型接触层和P型限制层湿法腐蚀或干法刻蚀成脊型；步骤3：在制作成的所述脊型上生长一层氧化模，并采用光刻的方法制作p型欧姆电极；步骤4：将氮化镓衬底减薄、清洗，并在上面制作n型欧姆电极；步骤5：进行解理、镀膜，最后封装在管壳上，制成氮化镓激光器。本发明提出的上述激光器，由于插入层的引入，能带结构上带来两方面的好处：第一，使空穴容易注入。第二，电子有效势垒增大。
【IPC分类】H01S5/22, H01S5/343, H01S5/323
【公开号】CN105048285
【申请号】CN201510548632
【发明人】李翔, 赵德刚, 江德生, 刘宗顺, 陈平, 朱建军
【申请人】中国科学院半导体研究所
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年8月31日