[發明專利]基于漸變鋁鎵氮電子阻擋異質結的高功率激光二極管

在審

• 申請號: 202110088818.3
• 申請日: 2021-01-22
• 公開（公告）號: CN114825047A
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發明（設計）人: 李曙琨;胡曉東;郎睿;雷孟錸;陳煥卿
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H01S5/343
• 分類號: H01S5/343;H01S5/34
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 李稚婷

本發明公開了一種基于漸變鋁鎵氮電子阻擋異質結的高功率激光二極管，該激光二極管是在襯底上從下到上依次層疊設置的n型下限制層、下波導層、有源區、上波導層、p型漸變Al_xGa_1?xN層和p型GaN接觸層，其中p型漸變Al_xGa_1?xN層由下到上Al組分含量x從0.1～0.2的某一數值線性漸變至0。本發明的激光二極管中，漸變AlGaN層同時承載著光場限制層以及電子阻擋層的作用，相比于電子阻擋層加限制層的傳統激光器結構，本發明的漸變層結構通過摻雜調制實現了更高的電子勢壘，且具有更大的勢壘厚度，利于提高激光二極管的功率，在大功率工作條件下既具有更好的電子阻擋作用，漏電流明顯減小，又同時具有更好的空穴注入效果，從而提升了器件效率。

技術領域

本發明涉及半導體激光二極管，尤其涉及一種氮化鎵基半導體激光二極管。

背景技術

氮化鎵(GaN)基半導體激光二極管(LD)具有效率高、閾值低、體積小、易于集成等優點，在照明、顯示、信息存儲以及生物化學等領域有著廣泛的應用。

當前GaN基激光器正朝向高功率方向發展，然而在提升功率過程中激光器面臨效率驟降(Efficiency Droop)的難題。一般認為造成激光器效率下降的重要原因之一是漏電流的增大，其物理起源是空穴注入效果變差以及高能量電子泄漏至p型區域。

針對電子向p區泄露的問題，目前廣泛采用的解決方案是在p型鋁鎵氮(AlGaN)限制層前增加幾到十幾納米的高Al組分電子阻擋層EBL(electron-blocking layer)，從而形成一個針對電子的GaN/AlGaN異質結勢壘。然而這一設計會帶來一系列原理以及技術上的困難：

1.由于EBL層Al組分明顯高于p型限制層，在兩層之間會形成異質結，阻擋電子的同時也對空穴電流有阻擋作用，降低了空穴注入效率；

2.由于EBL層非常薄，部分電子會通過量子隧穿效應越過勢壘層，從而導致漏電。盡管增加EBL層Al組分或厚度可以增強對電子的阻擋作用，但也會增加空穴注入的難度，并導致過高的串聯電阻；

3.EBL層一般要采用15％甚至更高Al組分的AlGaN，對于通常的藍光LD，如此高Al組分，同時精確保證數納米的厚度給生長帶來了困難；

4.EBL層需要較高水平的p型摻雜以便于空穴注入，而在如此高的Al組分以及極小的厚度下實現有效的摻雜與激活是非常困難的。

發明內容

為了解決上述困難，本發明提供了一種基于漸變組分AlGaN層的電子阻擋異質結高功率激光二極管，通過單層的漸變AlGaN層代替了電子阻擋層和限制層的雙層結構。

本發明提供的激光二極管包括襯底和在襯底上從下到上依次層疊設置的n型下限制層、下波導層、有源區、上波導層、p型漸變Al_xGa_1-xN層、p型GaN接觸層，其中p型漸變Al_xGa_1-xN層靠近n區側Al組分較高，靠近接觸層側Al組分漸變至0，即p型漸變Al_xGa_1-xN層由下到上Al組分含量x從0.1～0.2的某一數值線性漸變至0。

本發明的激光二極管外延結構中，在上波導層上用單層p型漸變Al_xGa_1-xN層代替傳統結構中的“EBL+上限制層”。在本發明的實施例中，所述p型漸變Al_xGa_1-xN層的Al組分含量x由下到上從0.15線性漸變至0，該漸變層中Mg摻雜濃度優選為1E17/cm³～1E20/cm³。

所述p型漸變Al_xGa_1-xN層的厚度優選為300～600nm。