CN111817137A - 一种限制增强型GaN基深紫外激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种限制增强型GaN基深紫外激光器，自下往上依次是N型电极、衬底、N型下限制层、N型AlxGa1‑xN下波导层、有源区、P型AlxGa1‑xN上波导层、P型电子阻挡层、P型上限制层、P型GaN欧姆接触层和P型电极；所述N型AlxGa1‑xN下波导层和P型AlxGa1‑xN上波导层均为Al组分渐变型，利用N型AlxGa1‑xN下波导层和P型AlxGa1‑xN上波导层中的Al组分渐变设计引导光场靠近有源区，降低光学损耗，增强量子阱对载流子的限制，抑制电子泄露，改善阈值和输出功率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器件技术领域，尤其是一种限制增强型GaN基深紫外激光器。
背景技术
GaN基半导体材料包含GaN、InN、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。相比于传统的固体、气体紫外激光器，GaN基紫外激光器具有响应速率快、寿命长、效率高、体积小、功耗低、节能环保、稳定性好等优良特性，在紫外固化、数据存储、材料加工、消毒杀菌、紫外光刻、生物检测等领域都有广泛的应用，是当前国内外研究的新热点。
然而，制备高性能的GaN基深紫外激光器却存在一定的困难。为了得到波长更短、能量更高的紫外激光器，需要增加AlGaN层中Al的含量。但高Al组分的AlGaN材料因其晶胞的非中心对称，会在晶体内部产生强的自发极化，而强的极化场则导致电子和空穴的波函数发生空间分离，降低了载流子的辐射复合率。同时，AlGaN材料在外延生长过程中由于缺乏晶格匹配的衬底会产生大量的位错和残余应变，造成晶圆弯曲、开裂，极大地增加了光学损耗，严重降低了晶体的质量。此外，对于GaN基紫外激光器而言，Mg通常被用作P型掺杂剂。但Mg受主的激活能较高，且随着AlGaN材料中Al组分的增加其激活能会相应增大，这会导致P型掺杂的难度增加，空穴的导电率降低，从而影响空穴向有源区传输，增加了GaN基深紫外激光器的吸收损耗和阈值电流。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种限制增强型GaN基深紫外激光器，本发明在量子阱附近的波导层采用Al组分渐变的AlGaN层，不仅可以有效的限制光场，而且还能增强载流子在量子阱中的限制、减少电子泄露，有望降低激光器的阈值、提高输出功率。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种限制增强型GaN基深紫外激光器，自下往上依次是N型电极、衬底、N型下限制层、N型AlxGa1-xN下波导层、有源区、P型AlxGa1-xN上波导层、P型电子阻挡层、P型上限制层、P型欧姆接触层和P型电极；其中，所述N型AlxGa1-xN下波导层（4）和P型AlxGa1-xN上波导层（6）的材料均为AlxGa1-xN；在N型AlxGa1-xN下波导层（4）中，自下往上AlxGa1-xN材料的x从0.6逐渐降低到0.5；在P型AlxGa1-xN上波导层（6）中，自下往上AlxGa1-xN材料的x从0.5逐渐增加到0.6；利用N型AlxGa1-xN下波导层和P型AlxGa1-xN上波导层中的Al的摩尔组分渐变设计引导光场靠近有源区，降低光学损耗，增强量子阱对载流子的限制，抑制电子泄露，改善阈值和输出功率。
进一步， N型AlxGa1-xN下波导层的厚度为120nm。 P型AlxGa1-xN上波导层的厚度为120nm。
进一步，所述有源区由3层AlGaN量子垒层和2层AlGaN量子阱层交替组成。
进一步，3层AlGaN量子垒层均为Al0.5Ga0.5N，单层量子垒的厚度为11nm。
进一步，2层AlGaN量子阱层均为Al0.4Ga0.6N，单层量子阱的厚度为2.5nm。
进一步，所述P型电子阻挡层的材料为Al0.7Ga0.3N，厚度为20nm。
进一步，所述P型上限制层的材料为Al0.55Ga0.45N，其中Al组分含量为0.55，厚度为2.3 μm。
进一步，所述P型欧姆接触层的厚度为60nm。
进一步，所述P型电极的组成材料为Pd/Pt/Au，厚度为80nm/80nm/560nm。
进一步，所述N 型下限制层的材料为Al0.55Ga0.45N，厚度为2μm。
进一步，所述衬底为AlN衬底，厚度为100 μm。
有益效果
本发明在的下波导层和上波导层均采用Al组分渐变的铝镓氮结构设计，通过调节下波导层和上波导层中Al组分含量，改变波导层的折射率，使其与有源区的折射率差逐渐增大，增强对光场的限制作用的同时，减少了光场在P型层的分布，降低了光学损耗。
另外，通过调节波导层的Al组分，使其与限制层、电子阻挡层之间的晶格相匹配，有利于减弱器件内部的极化效应，缓解能带弯曲，增加有源区附近的电子势垒高度，更多的电子限制于量子阱内，抑制了电子的泄露，改善阈值和输出功率；由于晶格匹配，器件内部的位错和裂纹大大减少，非辐射复合中心明显降低，GaN基深紫外器的质量得到改善，从而实现高性能的GaN基深紫外激光器。
附图说明
图1为本发明一种限制增强型GaN基深紫外激光器的结构示意图。
图2为本发明下波导层、有源区及上波导层的能带（导带）示意图。
图中，1、N型电极，2、衬底，3、N型下限制层，4、N型AlxGa1-xN下波导层，5、有源区，5a、第一个AlGaN量子垒层，5b、第一个AlGaN量子阱层，5c、第二个AlGaN量子垒层，5d、第二个AlGaN量子阱层，5e、第三个AlGaN量子垒层，6、P型AlxGa1-xN上波导层，7、P型电子阻挡层，8、P型上限制层，9、P型欧姆接触层，10、P型电极。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示的一种限制增强型GaN基深紫外激光器，自下往上依次是N型电极1、衬底2、N型下限制层3、N型AlxGa1-xN下波导层4、有源区5、P型AlxGa1-xN上波导层6、P型电子阻挡层7、P型上限制层8、P型欧姆接触层9和P型电极10。更具体地：
N型电极1为Ti/Al/Ti/Au材料，厚度为 70/150/70/200nm。
衬底2为AlN衬底，厚度为100 μm。
AlN衬底2上生长N 型下限制层3，的材料为Al0.55Ga0.45N，厚度为2μm。
N 型下限制层3上生长N型AlxGa1-xN下波导层4，所述N型AlxGa1-xN下波导层4的材料为AlxGa1-xN ；且N型AlxGa1-xN下波导层4为Al组分渐变型，具体是自下往上AlxGa1-xN材料的x从0.6逐渐降低到0.5（即越靠近有源区，Al组分越低），厚度为120nm。
如图2所示N型AlxGa1-xN下波导层4上生长有源区5，有源区5由第一个AlGaN量子垒层5a、第一个AlGaN量子阱层5b、第二个AlGaN量子垒层5c、第二个AlGaN量子阱层5d和第三个AlGaN量子垒层5e依次排布，其中，第一个AlGaN量子阱层5b和第二个AlGaN量子阱层5d均为Al0.4Ga0.6N，单层量子阱的厚度为2.5nm。第一个AlGaN量子垒层5a、第二个AlGaN量子垒层5c和第三个AlGaN量子垒层5e均为Al0.5Ga0.5N，单层量子垒的厚度为11nm。
有源区5上生长P型AlxGa1-xN上波导层6，P型AlxGa1-xN上波导层6的材料为AlxGa1- xN，且P型AlxGa1-xN上波导层6为Al组分渐变型，具体是自下往上AlxGa1-xN材料的x从0.5逐渐增加到0.6（即越远离有源区，Al组分越高），厚度为120nm。
P型AlxGa1-xN上波导层6上生长P型电子阻挡层7，P型电子阻挡层7的材料为Al0.7Ga0.3N，厚度为20nm。
P型电子阻挡层7上生长P型上限制层8，P型上限制层8的材料为Al0.55Ga0.45N，厚度为2.3 μm。
所述P型上限制层8上生长P型欧姆接触层9，厚度为60nm，P型欧姆接触层9采用GaN。P型欧姆接触层9上面为P型电极10，组成材料为Pd/Pt/Au，厚度为80nm/80nm/560nm。
结合图2所示的N型AlxGa1-xN下波导层4、有源区5及P型AlxGa1-xN上波导层6的能带（导带）示意图。由于N型AlxGa1-xN下波导层4的Al组分逐渐降低，相应地，电子的有效势垒高度也随着增加。由于P型AlxGa1-xN上波导层6的Al组分逐渐增加，则电子的有效势垒高度也随着降低。有源区5内量子垒层5a、5c和5e的Al组分均低于靠近有源区的N型AlxGa1-xN下波导层4和P型AlxGa1-xN上波导层6中的Al组分，量子垒层5a、5c和5e的Al组分均高于量子阱层5b和5d的Al组分，相应地，量子阱中电子的有效势垒高度最低。这既可以增强量子阱对载流子的限制，减少电子泄露，又可以将光限制于有源区，降低光学损耗。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种限制增强型GaN基深紫外激光器，其特征在于，自下往上依次是N型电极（1）、衬底（2）、N型下限制层（3）、N型AlxGa1-xN下波导层（4）、有源区（5）、P型AlxGa1-xN上波导层（6）、P型电子阻挡层（7）、P型上限制层（8）、P型欧姆接触层（9）和P型电极（10）；其中，所述N型AlxGa1-xN下波导层（4）和P型AlxGa1-xN上波导层（6）的材料均为AlxGa1-xN；在N型AlxGa1-xN下波导层（4）中，自下往上AlxGa1-xN材料的x从0.6逐渐降低到0.5；在P型AlxGa1-xN上波导层（6）中，自下往上AlxGa1-xN材料的x从0.5逐渐增加到0.6，利用N型AlxGa1-xN下波导层（4）和P型AlxGa1-xN上波导层（6）中的Al的摩尔组分渐变设计引导光场靠近有源区，降低光学损耗，增强量子阱对载流子的限制，抑制电子泄露，改善阈值和输出功率。
2.根据权利要求1所述的一种限制增强型GaN基深紫外激光器，其特征在于， N型AlxGa1-xN下波导层（4）的厚度为120nm； P型AlxGa1-xN上波导层（6）的厚度为120nm。
3.根据权利要求1所述的一种限制增强型GaN基深紫外激光器，其特征在于，所述有源区（5）由3层AlGaN量子垒层和2层AlGaN量子阱层交替组成； 3层AlGaN量子垒层均为Al0.5Ga0.5N，单层量子垒的厚度为11nm； 2层AlGaN量子阱层均为Al0.4Ga0.6N，单层量子阱的厚度为2.5nm。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种限制增强型GaN基深紫外激光器，其特征在于，所述P型电子阻挡层（7）的材料为Al0.7Ga0.3N，厚度为20nm。
5.根据权利要求4所述的一种限制增强型GaN基深紫外激光器，其特征在于，所述P型上限制层（8）的材料为Al0.55Ga0.45N，厚度为2.3 μm。
6.根据权利要求5所述的一种限制增强型GaN基深紫外激光器，其特征在于，所述P型欧姆接触层（9）的厚度为60nm。
7.根据权利要求6所述的一种限制增强型GaN基深紫外激光器，其特征在于，所述P型电极（10）的组成材料为Pd/Pt/Au，厚度为80nm/80nm/560nm。
8.根据权利要求7所述的一种限制增强型GaN基深紫外激光器，其特征在于，所述N 型下限制层（3）的材料为Al0.55Ga0.45N，厚度为2μm。
9.根据权利要求8所述的一种限制增强型GaN基深紫外激光器，其特征在于，所述衬底（2）为AlN衬底，厚度为100 μm。
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