CN114142345A - 一种氮化镓基激光器制备方法和氮化镓基激光器 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种氮化镓基激光器制备方法和氮化镓基激光器，其中，氮化镓基激光器制备方法包括：在衬底的上表面制作n型限制层；在第一预设生长环境中在n型限制层的上表面制作下波导层；在下波导层的上表面制作量子阱有源区；在第二预设生长环境中在量子阱有源区的上表面制作上波导层；在上波导层的上表面依次制作p型电子阻挡层、p型限制层、p型欧姆接触层和p型欧姆电极；在衬底的下表面制作n型欧姆接触电极，完成激光器的制备。本公开提供的氮化镓基激光器制备方法通过使上波导层和下波导层的生长环境不同，达到增强氮化镓基激光器的光场限制，提高载流子迁移率，降低电阻率，降低杂质浓度的目的。
Description
技术领域
本公开涉及氮化镓半导体器件制造与外延生长领域，尤其涉及一种氮化镓基激光器制备方法和氮化镓基激光器。
背景技术
对于长波长(＞500nm)GaN基激光器来说，随着波长的增大，AlGaN限制层与GaN波导层之间折射率差降低，导致光场限制减弱，衬底漏模增大等问题。采用InGaN波导层能够增大波导层的折射率，从而增大折射率差。但是，由于激光器外延结构中的上下波导层所面临问题不同，对InGaN波导层的性能要求侧重点也不同，采用完全相同的条件进行外延并不能获得最佳的激光器性能。
公开内容
鉴于上述问题，本公开提供了一种氮化镓基激光器制备方法和氮化镓基激光器。
根据本公开的第一个方面，提供了一种氮化镓基激光器制备方法，该方法包括：
在衬底的上表面制作n型限制层；
在第一预设生长环境中在上述n型限制层的上表面制作下波导层；
在上述下波导层的上表面制作量子阱有源区；
在第二预设生长环境中在上述量子阱有源区的上表面制作上波导层；
在上述上波导层的上表面依次制作p型电子阻挡层、p型限制层、p型欧姆接触层和p型欧姆电极；
在上述衬底的下表面制作n型欧姆接触电极，完成上述激光器的制备。
可选地，上述下波导层的材料包括铟组分为2％-5％的n型铟镓氮材料，上述下波导层的厚度为0.05-0.12μm。
可选地，上述上波导层的材料包括不掺杂的铟镓氮和轻掺杂的铟镓氮中任一种，上述上波导层的厚度为0.05-0.15μm。
可选地，上述第一预设生长环境包括：生长温度为800℃～900℃，三甲基铟流量为：2.8～8.0μmol/min。
可选地，上述第二预设生长环境包括：生长温度为：700℃～830℃，铟和镓的摩尔流量比大于0.75，生长速率小于0.025nm/s。
可选地，上述衬底的材料包括氮化镓，上述衬底的厚度为0.3-4μm。
可选地，上述在上述上波导层上表面依次制作p型电子阻挡层、p型限制层、p型欧姆接触层和p型欧姆电极，具体包括：
在上述上波导层上表面依次制作p型电子阻挡层、p型限制层和p型欧姆接触层；
将上述p型电子阻挡层、p型限制层和p型欧姆接触层刻蚀为预设形状；
在上述p型欧姆接触层上表面制作p型欧姆电极。
可选地，上述n型限制层的材料包括铝组分为7％-15％的n型铝镓氮材料，上述n型限制层的厚度为0.6-2.5μm；
上述p型限制层的材料包括铝组分为7％-15％的p型铝镓氮材料，上述p型限制层的厚度为0.45-0.65μm。
可选地，上述p型电子阻挡层的材料包括铝组分为5％-30％的重掺杂的铝镓氮材料，上述p型电子阻挡层的厚度为0.01-0.025μm。
本公开的第二方面提供了一种氮化镓基激光器，采用如上述的氮化镓基激光器制备方法制作而成，包括：
衬底；
n型限制层，形成于上述衬底的上表面；
下波导层，形成于上述n型限制层的上表面；
量子阱有源区，形成于述下波导层的上表面；
上波导层，形成于上述量子阱有源区的上表面；
p型电子阻挡层，形成于上述上波导层的上表面；
p型限制层，形成于上述p型电子阻挡层的上表面；
p型欧姆接触层，形成于上述p型限制层的上表面；
p型欧姆电极，形成于上述p型欧姆接触层的上表面；
n型欧姆接触电极，形成于上述衬底的下表面；
上述p型电子阻挡层、p型限制层和p型欧姆接触层为预设形状。
本公开提供的氮化镓基激光器制备方法，通过控制上波导层和下波导层的生长环境，使上波导层和下波导层的生长环境不同，例如采用高温高铟源流量的生长窗口生长下波导层，能够改善量子阱有源区的形貌，采用高铟/镓比进行铟镓氮材料上波导层的生长，既可以避免量子阱有源区高温下退化，又可以提高上波导层的载流子迁移率，降低电阻率，同时减弱杂质发光，达到增强氮化镓基激光器的光场限制，提高载流子迁移率，降低电阻率，降低杂质浓度的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开中的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1示意性示出了本公开一实施例提供的一种氮化镓基激光器制备方法的流程示意图；
图2示意性示出了本公开一实施例提供的在衬底上制作n型限制层的示意图；
图3示意性示出了本公开一实施例提供的在n型限制层上制作下波导层的示意图；
图4示意性示出了本公开一实施例提供的在下波导层上制作量子阱有源区的示意图；
图5示意性示出了本公开一实施例提供的在量子阱有源区上制作上波导层的示意图；
图6A示意性示出了本公开一实施例提供的在上波导层上制作p型电子阻挡层、p型限制层和p型欧姆接触层的示意图；
图6B示意性示出了本公开一实施例提供将p型电子阻挡层、p型限制层和p型欧姆接触层刻蚀为预设形状的示意图；
图6C示意性示出了本公开一实施例提供的在p型欧姆接触层上制作p型欧姆电极的示意图；
图7示意性示出了本公开一实施例提供的制作n型欧姆接触电极的示意图；以及
图8示意性示出了采用本公开提供的氮化镓基激光器制备方法制备的氮化镓基激光器和传统氮化镓基激光器的性能对比图。
附图标记说明：
1：衬底；2：n型限制层；3：下波导层；4：量子阱有源区；5：上波导层；6：p型电子阻挡层；7：p型限制层；8：p型欧姆接触层；9：p型欧姆电极；10：n型欧姆接触电极。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
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。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
本领域技术人员还应理解，实质上任意表示两个或更多可选项目的转折连词和/或短语，无论是在说明书、权利要求书还是附图中，都应被理解为给出了包括这些项目之一、这些项目任一方、或两个项目的可能性。例如，短语“A或B”应当被理解为包括“A”或“B”、或“A和B”的可能性。
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本公开。
本公开中，术语“为(数值参数)”表示该参数的取值为在该数值参数的表示范围之内任意取值。关于“组分”、“温度”“材料”等由实施例公开的内容可以根据实际需要进行组合或者适应性调整。关于术语“组分”在此进行说明，以“铝组分”为例，例如，铝组分为10％的n型铝镓氮材料表示材料中铝和镓的原子数量比为1：9。
图1示意性示出了本公开一实施例提供的一种氮化镓基激光器制备方法的流程示意图，图2-图7示意性示出了本公开一实施例提供的一种氮化镓基激光器的制备过程示意图。
下面将结合具体的实施例对图1、图2-图7对氮化镓基激光器的制备过程进行详细说明，应当理解，以下说明仅是示例性的，以帮助本领域技术人员更好地理解本公开的方案，并非用以限定本公开的保护范围。
如图1所示，在本公开一实施例中，上述氮化镓基激光器制备方法包括操作S110-操作S160。
在操作S110，在衬底1的上表面制作n型限制层2。
如图2所示，在衬底1上制作n型限制层2，衬底1的材料可以是硅、蓝宝石、氮化镓等等，具体地可根据需求进行选择，本实施例中以氮化镓为例，当衬底1的材料选择氮化镓时，衬底1的厚度为0.3-4μm，n型限制层2的材料可以选择n型铝镓氮材料，本实施例中选择铝组分为7％-15％的n型铝镓氮材料，此时，n型限制层2的厚度为0.6-2.5μm。
在操作S120，在第一预设生长环境中在上述n型限制层2的上表面制作下波导层3。
如图3所示，在n型限制层2上制作下波导层3，下波导层3的材料可以选择n型铟镓氮材料，具体地，本实施例选择铟组分为2％-5％的n型铟镓氮材料，当选择铟组分为2％-5％的n型铟镓氮材料时，下波导层3的厚度为0.05-0.12μm。不同的生长环境中生长出的下波导层3有明显的不同，可以通过控制温度、流量等控制下波导层3的生长环境，对下波导层3的生长环境进行控制和选择，可以得到更符合需求的下波导层3，例如，在高铟源流量下生长下波导层3，则能够获得粗糙度更低，位错露头更少的表面形貌的下波导层3，在本实施例中，上述生长下波导层3的第一预设生长环境为生长温度为800℃～900℃，三甲基铟流量为：2.8～8.0μmol/min。
在操作S130，在上述下波导层3的上表面制作量子阱有源区4。
如图4所示，在下波导层3上制作量子阱有源区4。
在操作S140，在第二预设生长环境中在上述量子阱有源区4的上表面制作上波导层5。
如图5所示，在量子阱有源区4的上制作上波导层5，上波导层5的材料可以选择铟镓氮，具体地，本实施例中的上波导层5可以是不掺杂的铟镓氮或者轻掺杂的铟镓氮，同时上波导层5的厚度控制在0.05-0.15μm，同下波导层3一样，控制上波导层5的生长环境也可以得到不同的上波导层5，本实施例中，生长上波导层5的第二预设生长环境选择将生长温度控制在700℃～830℃，铟和镓的摩尔流量比大于0.75，生长速率小于0.025nm/s。
在操作S150，在上述上波导层5的上表面依次制作p型电子阻挡层6、p型限制层7、p型欧姆接触层8和p型欧姆电极9。
在本实施例中，在上述上波导层5的上表面依次制作p型电子阻挡层6、p型限制层7、p型欧姆接触层8和p型欧姆电极9时，是先在上述上波导层5的上表面依次制作p型电子阻挡层6、p型限制层7和p型欧姆接触层8，如图6A所示，然后将上述p型电子阻挡层6、p型限制层7和p型欧姆接触层8刻蚀为预设形状，例如脊形，如图6B所示，再在上述p型欧姆接触层8的上表面制作p型欧姆电极9，如图6C所示。p型电子阻挡层6和p型限制层7的材料都可以是铝镓氮材料，本实施例中，p型电子阻挡层6的材料选择铝组分为5％-30％的重掺杂的铝镓氮材料，并且将p型电子阻挡层6的厚度控制在0.01-0.025μm。p型限制层7的材料选择铝组分为7％-15％的p型铝镓氮材料，且厚度为0.45-0.65μm。
在操作S160，在上述衬底1的下表面制作n型欧姆接触电极10，完成上述激光器的制备。
图7示意性示出了本公开一实施例提供的制作n型欧姆接触电极的示意图，如图7所示，在本实施例中，在衬底1的下表面制作n型欧姆接触电极10，n型欧姆接触电极10和n型限制层2位于衬底1的相对面。
在本实施例中，针对氮化镓基激光器来说，采用完全相同的条件进行外延并不能获得最佳的激光器性能，例如长波长(波长＞500nm)氮化镓基激光器，因此，在制作时，控制上波导层5和下波导层3的生长环境，使上波导层5和下波导层3的生长环境不同，具体地，制作时，是先生长下波导层3，再在下波导层3上表面生长量子阱有源区4，因此，采用高温生长下波导层3不会造成量子阱有源区4退化，同时，通过实验得知在高铟源流量下能够获得具有粗糙度更低，位错露头更少的表面形貌下波导层3，因此，当下波导层3的材料为铟镓氮材料时，采用高温高铟源流量的生长窗口，本实施例中下波导层3的第一预设生长环境为生长温度为800℃～900℃，三甲基铟流量为：2.8～8.0μmol/min，具体地，对于铟组分小于4％的铟镓氮材料，生长温度范围为800℃～880℃，三甲基铟流量范围为2.8～8.0μmol/min。对于上波导层5而言，由于空穴的注入难度大于电子，因此上波导层5的载流子迁移率，杂质和缺陷密度更为重要，同时，因为上波导层5是生长在量子阱有源区4的表面，因此，为了避免量子阱有源区4在高温下退化，上波导层5的生长环境的温度不适合过高，因此本实施例中选择采用高铟/镓比进行上波导层5的生长，可提高上波导层5的载流子迁移率，降低电阻率，同时，低生长温度下杂质发光也会减弱(生长温度降低一般会导致杂质浓度和杂志发光增强，不利于激光器性能)，本实施例中上波导层5的第二预设生长环境为生长温度控制在700℃～830℃，铟和镓的摩尔流量比大于0.75，生长速率小于0.025nm/s，具体地，对于铟组分小于4％的铟镓氮材料，生长温度范围为750℃～830℃，铟和镓的摩尔流量比大于0.75，生长速率小于0.025nm/s。本公开提供的氮化镓基激光器的制备方法控制上波导层5和下波导层3的生长环境，使上波导层5生长的第二预设生长环境和下波导层3生长的第一预设环境不同，不仅能够改善量子阱有源区4的形貌，还能够增强氮化镓基激光器的光场限制，提高载流子迁移率，降低电阻率，降低杂质浓度。
需要说明的是，上述各步骤中示出的工艺方法、工艺参数、各层的尺寸和厚度等等只是示例性说明，本公开实施例的方案并不限于此。
在本公开实施例中，通过控制上波导层5和下波导层3的生长环境，使上波导层5和下波导层3的生长环境不同，例如采用高温高铟源流量的生长窗口生长下波导层3，能够改善量子阱有源区4形貌，采用高铟/镓比进行铟镓氮材料上波导层5的生长，既可以避免量子阱有源区4温下退化，又可以提高上波导层5的载流子迁移率，降低电阻率，同时减弱杂质发光，达到增强氮化镓基激光器的光场限制，提高载流子迁移率，降低电阻率，降低杂质浓度的目的。
本公开另一实施例提供了一种氮化镓基激光器，采用前述氮化镓基激光器的制备方法制备得到。具体地，如图7所示，在本公开一实施例中，上述氮化镓基激光器包括：衬底1；n型限制层2，形成于上述衬底1的上表面；下波导层3，形成于上述n型限制层2的上表面；量子阱有源区4，形成于述下波导层3的上表面；上波导层5，形成于上述量子阱有源区4的上表面；p型电子阻挡层6，形成于上述上波导层5的上表面；p型限制层7，形成于上述p型电子阻挡层6的上表面；p型欧姆接触层8，形成于上述p型限制层7的上表面；p型欧姆电极9，形成于上述p型欧姆接触层8的上表面；n型欧姆接触电极10，形成于上述衬底1的下表面；上述p型电子阻挡层6、p型限制层7和p型欧姆接触层8为预设形状。
采用差异化生长环境制作氮化镓基激光器的上波导层5和下波导层3，使得生长在下波导层3上的量子阱有源区4的形貌的得到改善，同时，又提高了生长在量子阱有源区4的上表面的上波导层5的载流子迁移率，降低电阻率，同时减弱杂质发光，使氮化镓基激光器的光场限制增强，载流子迁移率提高，电阻率降低，杂质浓度降低。
图8示意性示出了采用本公开提供的氮化镓基激光器制备方法制备的氮化镓基激光器和传统氮化镓基激光器的性能对比图，如图8所示，采用本公开提供的氮化镓基激光器制备方法制备的激光器随着电流的增大，光功率也在增大，且光功率变化十分明显，而传统方法制备的氮化镓基激光器的光功率虽然也随着电流的增大而增大，但光功率的变化曲线平缓，远小于采用本公开提供的氮化镓基激光器制备方法制备得到的氮化镓基激光器。
综上所述，本公开提供了一种氮化镓基激光器制备方法和氮化镓基激光器。该氮化镓基激光器制备方法通过上波导层和下波导层的生长环境，使上波导层和下波导层的生长环境不同，从而达到改善量子阱有源区的形貌，提高上波导层的载流子迁移率，降低电阻率，同时减弱杂质发光的目的，使最终制备得到的氮化镓基激光器的光场限制增强，载流子迁移率提高，电阻率降低，杂质浓度降低。
附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的***、方法的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的***来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。
Claims (10)
1.一种氮化镓基激光器制备方法，其特征在于，包括：
在衬底(1)的上表面制作n型限制层(2)；
在第一预设生长环境中在所述n型限制层(2)的上表面制作下波导层(3)；
在所述下波导层(3)的上表面制作量子阱有源区(4)；
在第二预设生长环境中在所述量子阱有源区(4)的上表面制作上波导层(5)；
在所述上波导层(5)的上表面依次制作p型电子阻挡层(6)、p型限制层(7)、p型欧姆接触层(8)和p型欧姆电极(9)；
在所述衬底(1)的下表面制作n型欧姆接触电极(10)，完成所述激光器的制备。
2.根据权利要求1所述的氮化镓基激光器制备方法，其特征在于，所述下波导层(3)的材料包括铟组分为2％-5％的n型铟镓氮材料，所述下波导层(3)的厚度为0.05-0.12μm。
3.根据权利要求1所述的氮化镓基激光器制备方法，其特征在于，所述上波导层(5)的材料包括不掺杂的铟镓氮和轻掺杂的铟镓氮中任一种，所述上波导层(5)的厚度为0.05-0.15μm。
4.根据权利要求2所述的氮化镓基激光器制备方法，其特征在于，所述第一预设生长环境包括：生长温度为800℃～900℃，三甲基铟流量为：2.8～8.0μmol/min。
5.根据权利要求3所述的氮化镓基激光器制备方法，其特征在于，所述第二预设生长环境包括：生长温度为：700℃～830℃，铟和镓的摩尔流量比大于0.75，生长速率小于0.025nm/s。
6.根据权利要求1所述的氮化镓基激光器制备方法，其特征在于，所述衬底(1)的材料包括氮化镓，所述衬底(1)的厚度为0.3-4μm。
7.根据权利要求1所述的氮化镓基激光器制备方法，其特征在于，所述在所述上波导层(5)的上表面依次制作p型电子阻挡层(6)、p型限制层(7)、p型欧姆接触层(8)和p型欧姆电极(9)，具体包括：
在所述上波导层(5)上表面依次制作p型电子阻挡层(6)、p型限制层(7)和p型欧姆接触层(8)；
将所述p型电子阻挡层(6)、p型限制层(7)和p型欧姆接触层(8)刻蚀为预设形状；
在所述p型欧姆接触层(8)上表面制作p型欧姆电极(9)。
8.根据权利要求1所述的氮化镓基激光器制备方法，其特征在于，
所述n型限制层(2)的材料包括铝组分为7％-15％的n型铝镓氮材料，所述n型限制层(2)的厚度为0.6-2.5μm；
所述p型限制层(7)的材料包括铝组分为7％-15％的p型铝镓氮材料，所述p型限制层(7)的厚度为0.45-0.65μm。
9.根据权利要求1所述的氮化镓基激光器制备方法，其特征在于，所述p型电子阻挡层(6)的材料包括铝组分为5％-30％的重掺杂的铝镓氮材料，所述p型电子阻挡层(6)的厚度为0.01-0.025μm。
10.一种氮化镓基激光器，采用如权利要求1-9任一项所述的氮化镓基激光器制备方法制作而成，其特征在于，包括：
衬底(1)；
n型限制层(2)，形成于所述衬底(1)的上表面；
下波导层(3)，形成于所述n型限制层(2)的上表面；
量子阱有源区(4)，形成于述下波导层(3)的上表面；
上波导层(5)，形成于所述量子阱有源区(4)的上表面；
p型电子阻挡层(6)，形成于所述上波导层(5)的上表面；
p型限制层(7)，形成于所述p型电子阻挡层(6)的上表面；
p型欧姆接触层(8)，形成于所述p型限制层(7)的上表面；
p型欧姆电极(9)，形成于所述p型欧姆接触层(8)的上表面；
n型欧姆接触电极(10)，形成于所述衬底(1)的下表面；
所述p型电子阻挡层(6)、p型限制层(7)和p型欧姆接触层(8)为预设形状。
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