[發(fā)明專利]GaN基紫外激光器晶圓、激光器芯片及激光器及其制備方法

在審

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• 申請日: 2017-06-20
• 公開（公告）號: CN107069433A
• 公開（公告）日: 2017-08-18
• 發(fā)明（設計）人: 邢瑤;趙德剛;江德生;劉宗順;陳平;朱建軍;楊靜
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H01S5/343
• 分類號: H01S5/343;H01S5/34
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司11021
• 代理人: 任巖

技術領域

本發(fā)明屬于半導體光電子器件技術領域，更具體地涉及一種GaN基紫外激光器晶圓、激光器芯片及激光器及其制備方法。

背景技術

隨著半導體光電子器件的迅速發(fā)展，氮化鎵基激光器因其優(yōu)越的性能被廣泛研究和應用。由于氮化鎵具有較寬的禁帶寬度，因此它的發(fā)光波長可以覆蓋整個可見光光譜，具有很大的可調(diào)性；另外，氮化鎵基激光器具有發(fā)光效率高，熱導率高，化學穩(wěn)定性好的特點，可廣泛應用于工業(yè)加工領域、醫(yī)學治療領域、軍事領域以及理論研究領域。但目前為止，對氮化鎵基激光器的研究制備比較成熟的是藍紫光波段，而紫外激光器還處于研究階段。

氮化鎵基紫外激光器材料層主要分為三部分：單量子阱或多量子阱形成的有源區(qū)、有源區(qū)一側(cè)為有源區(qū)提供電子的n區(qū)、有源區(qū)另一側(cè)為有源區(qū)提供空穴的p區(qū)。通過施加外加偏壓驅(qū)動電子和空穴在垂直于結(jié)平面的方向上注入激光器結(jié)構(gòu)，進入有源區(qū)的大部分載流子進行復合并產(chǎn)生光，而另一部分載流子由于近紫外激光器結(jié)構(gòu)中量子阱比較淺而泄漏到量子阱外，造成載流子的損失，從而導致激光器性能下降。通過側(cè)面兩端的解理鏡面形成反饋腔，使得電子空穴復合產(chǎn)生的光在腔內(nèi)不斷諧振并且形成波前平行于鏡面的駐波。如果有源區(qū)內(nèi)的光增益超過了激光器結(jié)構(gòu)里的光損耗，就會產(chǎn)生放大的受激輻射，激光便會從鏡面端面發(fā)射出來。

為了提高激光器的性能、降低閾值電流以及增大光輸出功率，必須降低載流子的泄漏。

發(fā)明內(nèi)容

基于以上問題，本發(fā)明的主要目的在于提出一種GaN基紫外激光器晶圓、激光器芯片及激光器及其制備方法，用于解決以上技術問題的至少之一。

為了實現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提出了一種GaN基紫外激光器晶圓，包括疊置形成于GaN襯底正面上的n型限制層、n型波導層、有源區(qū)、u型波導層、p型限制層和p型接觸層，其中：

在n型波導層和有源區(qū)之間還形成有一n型空穴阻擋層；

在u型波導層和p型限制層之間還形成有一p型電子阻擋層；

該GaN基紫外激光器晶圓為脊型結(jié)構(gòu)。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述n型空穴阻擋層為n型摻雜結(jié)構(gòu)，摻雜濃度為5×10¹⁸cm^-3；p型電子阻擋層為p型摻雜結(jié)構(gòu)，摻雜濃度為5×10¹⁹cm^-3；u型波導層無摻雜。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述n型空穴阻擋層的主體材料包括AlGaN或InAlGaN；優(yōu)選地，AlGaN材料中Al的原子個數(shù)百分比為5％～25％；InAlGaN材料中In的原子個數(shù)百分比為0～15％，Al的原子個數(shù)百分比為20％～40％；優(yōu)選地，n型空穴阻擋層的厚度為5～30nm。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述p型電子阻擋層的主體材料包括AlGaN或InAlGaN；優(yōu)選地，AlGaN材料中Al的原子個數(shù)百分比為10％～30％；InAlGaN材料中In的原子個數(shù)百分比為0～15％，Al的原子個數(shù)百分比為0～40％；優(yōu)選地，p型電子阻擋層的厚度為5～30nm。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述有源區(qū)為量子阱有源區(qū)，其中的量子阱個數(shù)為1～5個，每個量子阱的厚度為1～10nm。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述量子阱的主體材料為GaN或InGaN；相應地，量子阱有源區(qū)中的量子壘的主體材料為GaN或InGaN。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述GaN襯底的厚度為0.5～2μm；n型限制層的厚度為0.5～2μm；n型波導層的厚度為0.03～0.15μm；u型波導層的厚度為0.03～0.15μm；p型限制層的厚度為0.05～0.12μm；p型接觸層的厚度為0.02～0.05μm。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述n型限制層的主體材料為Al原子個數(shù)百分比2％～10％的AlGaN；n型波導層的主體材料為GaN或In原子個數(shù)百分比0～2％的InGaN；u型波導層的主體材料為GaN或In原子個數(shù)百分比0.1％～2％的InGaN；p型限制層的主體材料為Al原子個數(shù)百分比5％～12％的AlGaN；p型接觸層的主體材料為GaN。

為了實現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明提出了一種上述的GaN基紫外激光器晶圓的制備方法，包括以下步驟：

步驟1、在GaN襯底上依次生長n型限制層、n型波導層、n型空穴阻擋層、有源區(qū)、u型波導層、p型電子阻擋層、p型限制層和p型接觸層；

步驟2、部分的刻蝕u型波導層、p型電子阻擋層、p型限制層和p型接觸層，形成脊型結(jié)構(gòu)；