氮化镓基激光器

1.本公开涉及半导体激光器技术领域，特别涉及一种氮化镓基激光器。


背景技术：

2.氮化镓(gan)基半导体材料包括gan、氮化铟(inn)、氮化铝(aln)及其三元、四元合金化合物，禁带宽度从0.7ev到6.2ev连续可调，发光光谱覆盖了从红外到深紫外波段，是制备gan基紫外激光器的优选材料。gan基紫外激光器由于其独特的高空间和实践相干性，具备光束质量高、调制速度快、功率密度高等优点，可广泛应用于精密激光加工，高密度存储，医学诊断，杀菌消毒，气体传感等多方领域。
3.然而，对于algan紫外激光器，随着algan材料中al组分的增加，材料外延和器件制备的难度越来越大。一方面是外延生长工艺的不完善，随着al组分增加，生长过程中存在着较为严重的晶格不匹配现象，使得高质量的algan材料生长比较困难，从而造成激光器的内部损耗大。另一方面由于掺杂剂的高活化能，难以在p型algan中实现高的p型导电性，掺杂效率低。掺杂剂受主在p-algan中的电离能随着al组分的增加而增强，导致p-algan的电阻率很大，激光器的工作电压十分高，使得电流注入条件下器件阈值增加以及效率降低。这些问题限制了gan基紫外激光器的性能提升。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本公开提供一种氮化镓基激光器，包括：n型电极，所述n型电极上形成有依次叠设的衬底、缓冲层、n型铝镓氮下限制层、n型铝镓氮下波导层、有源区、p型铝镓氮上波导层、p型电子阻挡层、p型铝镓氮上限制层、p型欧姆接触层和p型电极；其中，所述p型铝镓氮上限制层为渐变掺杂，沿所述p型电子阻挡层指向所述p型欧姆接触层方向，渐变掺杂的浓度逐渐增大。
5.根据本公开的实施例，其中，所述p型铝镓氮上限制层为镁的渐变掺杂，沿所述p型电子阻挡层指向所述p型欧姆接触层方向，镁的渐变掺杂浓度呈线性变化逐渐增大。
6.3.根据权利要求2所述的氮化镓基激光器，其中，沿所述p型电子阻挡层指向所述p型欧姆接触层方向，镁的渐变掺杂浓度从2
×
10
24
/cm3线性变化至2
×
10
25
/cm3。
7.根据本公开的实施例，其中，所述n型电极的材料为ti/al/ti/au材料。
8.根据本公开的实施例，其中，所述缓冲层为n-gan缓冲层。
9.根据本公开的实施例，其中，所述有源区由的量子垒层和量子阱层交替叠设而成，所述有源区最外侧两层为量子垒层。
10.根据本公开的实施例，其中，所述量子垒层和量子阱层的材料均为铝镓氮，所述量子垒层中铝与镓的含量与所述量子阱层中铝与镓的含量不同。
11.根据本公开的实施例，其中，所述p型电子阻挡层为超晶格结构。
12.根据本公开的实施例，其中，所述p型电子阻挡层的材料由不同组分的铝镓氮交替生长多个周期形成。
13.根据本公开的实施例，其中，所述p型欧姆接触层的材料为氮化镓，所述p型电极的材料为pd/pt/au。
附图说明
14.通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
15.图1示意性示出了本公开实施例提供的氮化镓基激光器的结构图。
16.图2示意性示出了本公开实施例提供的氮化镓基激光器的功率-电流曲线图。
具体实施方式
17.为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
18.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。
19.在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
20.在本公开的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的子系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
21.贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
22.类似地，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。
23.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者
隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
24.在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
25.本公开的目的在于提供一种基于渐变掺杂的高效率gan基紫外激光器，通过在量子阱附近的p型限制层采用mg渐变掺杂的algan层，优化p型限制层掺杂浓度分布可以大大降低器件的串联电阻，从而提高器件的电光转换效率。下面结合附图进行详细介绍。
26.图1示意性示出了本公开实施例提供的氮化镓基激光器的结构图。
27.如图1所示，该氮化镓基激光器例如可以包括：n型电极1，n型电极1上形成有依次叠设的衬底2、缓冲层3、n型铝镓氮下限制层4、n型铝镓氮下波导层5、有源区6、p型铝镓氮上波导层7、p型电子阻挡层8、p型铝镓氮上限制层9、p型欧姆接触层10和p型电极11。
28.在本公开实施例中，n型电极1可以为ti/al/ti/au材料，也即n型电极1由ti、al、ti、au叠设而成，各层的厚度例如可以为70/50/70/200nm，具体根据实际需求设置，本公开不做限制。
29.在本公开实施例中，衬底2可以选择gan衬底，其厚度可以为50μm～150μm，优选为100μm。
30.在本公开实施例中，缓冲层3例如可以为n-gan缓冲层。
31.在本公开实施例中，n型铝镓氮下限制层4的材料例如可以优选为al
0.55
ga
0.45
n，厚度优选为2μm。
32.在本公开实施例中，n型铝镓氮下波导层5的材料例如可以优选为al
0.5
ga
0.5
n，厚度优选为120nm。
33.在本公开实施例中，有源区6可以由的量子垒层和量子阱层交替叠设而成，有源区最外侧两层为量子垒层。量子垒层和量子阱层的材料均为铝镓氮，量子垒层中铝与镓的含量与所述量子阱层中铝与镓的含量不同。
34.示例性的，有源区6由三层algan量子垒层和两层gan量子阱层交替叠设组成。三层algan量子垒层均优选为al
0.3
ga
0.7
n，单层量子垒层的厚度优选为10nm。两层量子阱均优选为al
0.2
ga
0.8
n，单层量子阱层的厚度优选为3nm。
35.在本公开实施例中，p型铝镓氮上波导层7的材料例如可以优选为al
0.5
ga
0.5
n，厚度优选为120nm。
36.在本公开实施例中，p型电子阻挡层8为超晶格结构。具体的，p型电子阻挡层8的材料由不同组分的铝镓氮交替生长多个周期形成。
37.示例性的，p型电子阻挡层8的材料有al
0.65
ga
0.35
n和al
0.75
ga
0.25
n交替生长20个周期形成。
38.在本公开实施例中，p型铝镓氮上限制层9为渐变掺杂，沿p型电子阻挡层8指向p型欧姆接触层10方向，渐变掺杂的浓度逐渐增大。
39.具体的，p型铝镓氮上限制层9例如可以为镁的渐变掺杂，沿p型电子阻挡层8指向p型欧姆接触层10方向，镁的渐变掺杂浓度呈线性变化逐渐增大。优选地，沿p型电子阻挡层8
指向p型欧姆接触层10方向，镁的渐变掺杂浓度从2
×
10
24
/cm3线性变化至2
×
10
25
/cm3。其中，p型铝镓氮上限制层9中铝的组分优选为0.55，厚度优选为2.3μm。
40.在本公开实施例中，p型欧姆接触层10的材料例如可以优选为gan，厚度优选为120nm。
41.在本公开实施例中，p型电极11的材料优选为pd/pt/au。厚度优选为30nm/50nm/80nm。
42.为了更好地说明本公开实施例提供的基于渐变掺杂的氮化镓基激光器的性能优异，下面提供实验数据进行证明。
43.图2示意性示出了本公开实施例提供的氮化镓基激光器的功率-电流曲线图。
44.如图2所示，其中，曲线l1表示p型上限制层的mg的固定掺杂浓度为2
×
10
25
/cm3的功率-电流曲线图，曲线l2表示p型上限制层的mg的渐变掺杂浓度由1
×
10
25
/cm3线性变化至3
×
10
25
/cm3，曲线l3表示p型上限制层的mg的渐变掺杂浓度由2
×
10
24
/cm3线性变化至2
×
10
25
/cm3。曲线对应的拐点表示不同掺杂方式氮化镓基激光器的阈值电流。对比曲线l1、曲线l2和曲线l3可以看出，p型上限制层中采用mg进行渐变掺杂的方式可以极大改善氮化镓基激光器的阈值电流和输出功率，提高氮化镓基激光器的电光转换效率。
45.根据本公开实施例提供的氮化镓基激光器，沿p型电子阻挡层指向p型欧姆接触层方向，p型上限制层采用mg渐变掺杂的结构设计，通过合理设置p型上限制层中mg掺杂的含量，可以明显降低氮化镓基激光器串联电阻，抑制电子泄露，减小阈值电流，同时，渐变掺杂可以减小在高al组分中mg激活较难的生长压力，使得mg有效激活数目增多，以改善p型层欧姆接触，进而改善阈值电流和输出功率，结合其他结构层的合理设计，从而提高氮化镓基激光器的电光转换效率，得到高性能的提高氮化镓基激光器的电光转换效率。
46.以上所述的具体实施例，对本公开的目的、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，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

技术特征：
1.一种氮化镓基激光器，包括：n型电极(1)，所述n型电极(1)上形成有依次叠设的衬底(2)、缓冲层(3)、n型铝镓氮下限制层(4)、n型铝镓氮下波导层(5)、有源区(6)、p型铝镓氮上波导层(7)、p型电子阻挡层(8)、p型铝镓氮上限制层(9)、p型欧姆接触层(10)和p型电极(11)；其中，所述p型铝镓氮上限制层(9)为渐变掺杂，沿所述p型电子阻挡层(8)指向所述p型欧姆接触层(10)方向，渐变掺杂的浓度逐渐增大。2.根据权利要求1所述的氮化镓基激光器，其中，所述p型铝镓氮上限制层(9)为镁的渐变掺杂，沿所述p型电子阻挡层(8)指向所述p型欧姆接触层(10)方向，镁的渐变掺杂浓度呈线性变化逐渐增大。3.根据权利要求2所述的氮化镓基激光器，其中，沿所述p型电子阻挡层(8)指向所述p型欧姆接触层(10)方向，镁的渐变掺杂浓度从2
×
10
24
/cm3线性变化至2
×
10
25
/cm3。4.根据权利要求1所述的氮化镓基激光器，其中，所述n型电极(1)的材料为ti/al/ti/au材料。5.根据权利要求1所述的氮化镓基激光器，其中，所述缓冲层(3)为n-gan缓冲层。6.根据权利要求1所述的氮化镓基激光器，其中，所述有源区(6)由的量子垒层和量子阱层交替叠设而成，所述有源区最外侧两层为量子垒层。7.根据权利要求6所述的氮化镓基激光器，其中，所述量子垒层和量子阱层的材料均为铝镓氮，所述量子垒层中铝与镓的含量与所述量子阱层中铝与镓的含量不同。8.根据权利要求1所述的氮化镓基激光器，其中，所述p型电子阻挡层(8)为超晶格结构。9.根据权利要求8所述的氮化镓基激光器，其中，所述p型电子阻挡层(8)的材料由不同组分的铝镓氮交替生长多个周期形成。10.根据权利要求1所述的氮化镓基激光器，其中，所述p型欧姆接触层(10)的材料为氮化镓，所述p型电极(11)的材料为pd/pt/au。

技术总结
本公开提供一种氮化镓基激光器，包括：N型电极(1)，所述N型电极(1)上形成有依次叠设的衬底(2)、缓冲层(3)、N型铝镓氮下限制层(4)、N型铝镓氮下波导层(5)、有源区(6)、P型铝镓氮上波导层(7)、P型电子阻挡层(8)、P型铝镓氮上限制层(9)、P型欧姆接触层(10)和P型电极(11)；其中，所述P型铝镓氮上限制层(9)为渐变掺杂，沿所述P型电子阻挡层(8)指向所述P型欧姆接触层(10)方向，渐变掺杂的浓度逐渐增大。氮化镓基激光器的阈值电流和输出功率得到明显改善，电光转换效率高。光转换效率高。光转换效率高。


技术研发人员：黄渝婕 赵德刚 杨静 梁锋 陈平 刘宗顺
受保护的技术使用者：中国科学院半导体研究所
技术研发日：2022.01.27
技术公布日：2023/8/8