本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，具體地講，涉及一種InGaN/GaN量子阱激光器及其制作方法。

背景技術(shù)：

GaN基半導(dǎo)體激光器，通常采用InGaN/GaN量子阱作為有源區(qū)。由于In-N鍵能弱，分解溫度低，但是Ga-N鍵能強，分解溫度高，導(dǎo)致最優(yōu)的InGaN量子阱的生長溫度與最佳的GaN量子壘的生長溫度有較大的差別。因此我們通常采用雙溫生長的方法生長InGaN/GaN量子阱有源區(qū)，即InGaN量子阱層采用較低溫度生長(一般低于750℃)，GaN壘層采用較高溫度生長(一般高于900℃)。但是在由較低的量子阱生長溫度升高至較高的壘溫的過程中，InGaN量子阱層往往發(fā)生分解。

為了解決InGaN量子阱層發(fā)生分解的問題，現(xiàn)有的技術(shù)方案是在生長完低溫InGaN量子阱后，生長一層薄層的GaN蓋層，之后再升溫至量子壘的溫度。這樣，GaN蓋層可以保護InGaN層在升溫過程中不分解。

但是對于InGaN/GaN綠光量子阱，由于InGaN量子阱層有更高的In組分，在采用MOCVD的方法生長時，需要更低的溫度與更高的In/Ga比。由于低溫下原子遷移率低，InGaN的AFM(原子力顯微鏡)形貌一般是一些沿臺階分布的量子點或者二維島狀的形貌，二維島的高度大約為1～2個單原子層。在這種二維島的形貌之上再生長GaN蓋層，導(dǎo)致GaN蓋層的質(zhì)量很差。并且高In組分的InGaN量子阱有源區(qū)本身InGaN相分離嚴(yán)重，再生長質(zhì)量較差的低溫GaN蓋層后，升溫到壘溫以及高溫壘生長過程中，會導(dǎo)致InGaN量子阱層的分解。在隨后生長激光器結(jié)構(gòu)的高溫p型AlGaN限制層時，也會導(dǎo)致InGaN/GaN量子阱有源區(qū)發(fā)生熱退化，在熒光顯微鏡照片中有很多發(fā)光暗斑。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的一目的在于提供一種InGaN/GaN量子阱激光器，其包括：襯底；在所述襯底上的低溫GaN緩沖層；在所述低溫GaN緩沖層上的高溫n型GaN層；在所述高溫n型GaN層上的n型AlGaN光限制層；在所述n型AlGaN光限制層上的n型InGaN下波導(dǎo)層；在所述n型InGaN下波導(dǎo)層上的InGaN/GaN量子阱有源區(qū)；在所述InGaN/GaN量子阱有源區(qū)上的u型InGaN上波導(dǎo)層；在所述u型InGaN上波導(dǎo)層上的p型AlGaN電子阻擋層；在所述p型AlGaN電子阻擋層上的p型AlGaN/GaN光限制層；在所述p型AlGaN/GaN光限制層上的p型GaN歐姆接觸層。

進一步地，所述InGaN/GaN量子阱有源區(qū)包括至少一個InGaN/GaN量子阱；當(dāng)所述InGaN/GaN量子阱的數(shù)量為至少兩個時，所述至少兩個InGaN/GaN量子阱層疊在所述n型InGaN下波導(dǎo)層上；所述InGaN/GaN量子阱包括依序?qū)盈B的u型InGaN量子阱層、u型InGaN插入蓋層、u型GaN蓋層以及u型GaN量子壘層；所述u型InGaN插入蓋層中的In組分小于所述u型InGaN量子阱層中的In組分。

進一步地，所述u型InGaN插入蓋層中的In組分均勻；或者所述u型InGaN插入蓋層中的In組分隨著所述u型InGaN插入蓋層的厚度的增加而逐漸減小。

進一步地，所述u型InGaN插入蓋層的厚度為0.3nm～1nm。

進一步地，采用n型AlGaN/GaN光限制層代替所述n型AlGaN光限制層；所述n型AlGaN/GaN光限制層包括層疊在所述高溫n型GaN層上的多個n型AlGaN/GaN超晶格；每個n型AlGaN/GaN超晶格包括依序?qū)盈B的n型AlGaN層和n型GaN層。

進一步地，所述n型InGaN下波導(dǎo)層和所述u型InGaN上波導(dǎo)層分別采用GaN層代替和/或采用厚度為200nm～1000nm的p型AlGaN層代替所述p型AlGaN/GaN光限制層和/或采用摻Mg濃度至少為1×10²⁰cm^-3的p型InGaN層替代所述p型GaN歐姆接觸層。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種InGaN/GaN量子阱激光器的制作方法，其包括：在襯底上生長形成低溫GaN緩沖層；在所述低溫GaN緩沖層上生長形成高溫n型GaN層；在所述高溫n型GaN層上生長形成n型AlGaN光限制層；在所述n型AlGaN光限制層上生長形成n型InGaN下波導(dǎo)層；在所述n型InGaN下波導(dǎo)層上生長形成InGaN/GaN量子阱有源區(qū)；在所述InGaN/GaN量子阱有源區(qū)上生長形成u型InGaN上波導(dǎo)層；在所述u型InGaN上波導(dǎo)層上生長形成p型AlGaN電子阻擋層；在所述p型AlGaN電子阻擋層上生長形成p型AlGaN/GaN光限制層；在所述p型AlGaN/GaN光限制層上生長形成p型GaN歐姆接觸層。

進一步地，在所述n型InGaN下波導(dǎo)層上生長形成InGaN/GaN量子阱有源區(qū)的方法中，生長形成InGaN/GaN量子阱有源區(qū)的具體方法為：在所述n型InGaN下波導(dǎo)層上生長形成至少一個InGaN/GaN量子阱；其中，當(dāng)所述InGaN/GaN量子阱的數(shù)量為至少兩個時，所述至少兩個InGaN/GaN量子阱層疊在所述n型InGaN下波導(dǎo)層上；生長形成每個InGaN/GaN量子阱的具體方法為：依序生長形成u型InGaN量子阱層、u型InGaN插入蓋層、u型GaN蓋層以及u型GaN量子壘層；其中，所述u型InGaN插入蓋層中的In組分小于所述u型InGaN量子阱層的In組分。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明采用1～2個單原子層厚度(即厚度為0.3nm～1nm)的In_xGa_1-xN插入蓋層可以使表面二維島狀的形貌變得平整，從而In組分分布更加均勻，并且使之后形成的GaN蓋層有更好的質(zhì)量，在升溫過程中保證InGaN量子阱不會發(fā)生分解，并且在之后的高溫生長p型AlGaN/GaN光限制層的過程中不會發(fā)生熱退化。

附圖說明

通過結(jié)合附圖進行的以下描述，本發(fā)明的實施例的上述和其它方面、特點和優(yōu)點將變得更加清楚，附圖中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的InGaN/GaN量子阱激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的一個In_xGa_1-xN/GaN量子阱的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是采用傳統(tǒng)的GaN蓋層的InGaN/GaN量子阱激光器和本發(fā)明的實施例的InGaN/GaN量子阱激光器的熒光顯微鏡圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例的InGaN/GaN量子阱激光器的制備方法的流程圖；

圖5是根據(jù)本發(fā)明的實施例的每個InGaN/GaN量子阱的生長示意圖。

具體實施方式

以下，將參照附圖來詳細描述本發(fā)明的實施例。然而，可以以許多不同的形式來實施本發(fā)明，并且本發(fā)明不應(yīng)該被解釋為限制于這里闡述的具體實施例。相反，提供這些實施例是為了解釋本發(fā)明的原理及其實際應(yīng)用，從而使本領(lǐng)域的其他技術(shù)人員能夠理解本發(fā)明的各種實施例和適合于特定預(yù)期應(yīng)用的各種修改。

在本發(fā)明的術(shù)語中，p型表示摻Mg，u型表示不摻雜，n型表示摻Si等。

圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的InGaN/GaN量子阱激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。

參照圖1，根據(jù)本發(fā)明的實施例的InGaN/GaN量子阱激光器包括：襯底1；生長在襯底1上的低溫GaN緩沖層2a；生長在低溫GaN緩沖層2a上的高溫n型GaN層2b；生長在高溫n型GaN層2b上的n型AlGaN光限制層3；生長在n型AlGaN光限制層3上的n型InGaN下波導(dǎo)層4；生長在n型InGaN下波導(dǎo)層4上的InGaN/GaN量子阱有源區(qū)5；生長在InGaN/GaN量子阱有源區(qū)5上的u型InGaN上波導(dǎo)層6；生長在u型InGaN上波導(dǎo)層6上的p型AlGaN電子阻擋層7；生長在p型AlGaN電子阻擋層7上的p型AlGaN/GaN光限制層8；生長在p型AlGaN/GaN光限制層8上的p型GaN歐姆接觸層9。

襯底1為藍寶石、硅、碳化硅、氮化鎵或砷化鎵等材料。

低溫GaN緩沖層2a在溫度為500℃的條件下在襯底1上生長形成，其厚度為10～20nm。

高溫n型GaN層2b的厚度不超過5000nm，其電子濃度在10¹⁷cm^-3到10¹⁹cm^-3之間。

n型Al_xGa_1-xN光限制層3的厚度在800nm～1500nm之間，其Al組分為5％～10％，其電子濃度在10¹⁷cm^-3到10¹⁹cm^-3之間。

n型In_xGa_1-xN下波導(dǎo)層4的厚度在60nm～140nm之間，其In組分為3％～6％，其電子濃度在10¹⁷cm^-3到10¹⁸cm^-3之間。

InGaN/GaN量子阱有源區(qū)5由至少一個In_xGa_1-xN/GaN量子阱構(gòu)成。作為一種優(yōu)選的實施方式，InGaN/GaN量子阱有源區(qū)5由一個或兩個或三個或四個或五個或六個In_xGa_1-xN/GaN量子阱構(gòu)成。因此，當(dāng)InGaN/GaN量子阱有源區(qū)5由至少兩個In_xGa_1-xN/GaN量子阱構(gòu)成時，該至少兩個In_xGa_1-xN/GaN量子阱層疊生長在n型In_xGa_1-xN下波導(dǎo)層4上。

每個In_xGa_1-xN/GaN量子阱的具體結(jié)構(gòu)請參照圖2，圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的一個In_xGa_1-xN/GaN量子阱的結(jié)構(gòu)示意圖。

參照圖2，In_xGa_1-xN/GaN量子阱從下到上(即從n型In_xGa_1-xN下波導(dǎo)層4到u型In_xGa_1-xN上波導(dǎo)層6)包括層疊的u型In_xGa_1-xN量子阱層51、u型In_xGa_1-xN插入蓋層52、u型GaN蓋層53以及u型GaN量子壘層54；其中，u型In_xGa_1-xN插入蓋層52中的In組分小于u型In_xGa_1-xN量子阱層51中的In組分。

具體地，u型In_xGa_1-xN量子阱層51的厚度在1nm到5nm之間，其In組分為20％～35％；u型In_xGa_1-xN插入蓋層52的厚度在0.3nm到1nm之間，其In組分為5％～10％；u型GaN蓋層53的厚度在1nm到4nm之間；u型GaN量子壘層54的厚度在5nm到20nm之間。

此外，在本實施例中，在u型In_xGa_1-xN插入蓋層52中，In組分可以為均勻的，或者In組分也可以隨著u型In_xGa_1-xN插入蓋層52的厚度的增加而逐漸減小，例如線性減小。

繼續(xù)參照圖1，u型In_xGa_1-xN上波導(dǎo)層6的厚度為50nm～100nm，其In組分為2％～4％。

p型In_xGa_1-xN電子阻擋層7的厚度為10nm～30nm，其In組分為10％～30％，其空穴濃度在10¹⁷cm^-3到10¹⁹cm^-3之間。

p型Al_xGa_1-xN/GaN光限制層8由10個～500個中的任意數(shù)量個p型Al_xGa_1-xN/GaN超晶格構(gòu)成，所述10個～500個中的任意數(shù)量個p型Al_xGa_1-xN/GaN超晶格層疊生長在p型In_xGa_1-xN電子阻擋層7上。每個p型Al_xGa_1-xN/GaN超晶格從下到上(即從p型In_xGa_1-xN電子阻擋層7到p型GaN歐姆接觸層9)包括層疊的p型Al_xGa_1-xN層和p型GaN層。這里，p型Al_xGa_1-xN層的空穴濃度在10¹⁷cm^-3到10¹⁹cm^-3之間，其Al組分為10％～30％，其厚度為200nm～1000nm。

p型GaN歐姆接觸層9的厚度為10nm～30nm，其Mg的摻雜濃度在10¹⁹cm^-3到10²¹cm^-3之間，其空穴濃度在10¹⁷cm^-3到10¹⁹cm^-3之間，其厚度為200nm～1000nm。

綜上，在本實施例中，采用1～2個單原子層厚度(即厚度為0.3nm～1nm)的In_xGa_1-xN插入蓋層52可以使表面二維島狀的形貌變得平整，從而InGaN量子阱中In組分分布更加均勻，并且使之后形成的GaN蓋層53有更好的質(zhì)量，在升溫過程中保證每個周期的InGaN量子阱不會發(fā)生分解，并且在之后的高溫生長p型AlGaN/GaN光限制層8的過程中不會發(fā)生熱退化。

圖3是采用傳統(tǒng)的GaN蓋層的InGaN/GaN量子阱激光器和本發(fā)明的實施例的InGaN/GaN量子阱激光器的熒光顯微鏡圖。在圖3中，(a)圖表示采用傳統(tǒng)的GaN蓋層的InGaN/GaN量子阱激光器的熒光顯微鏡圖；(b)圖表示本發(fā)明的實施例的InGaN/GaN量子阱激光器的熒光顯微鏡圖。在(a)圖和(b)圖中，黑點表示此處的量子阱不發(fā)光，即發(fā)生了熱退化，無黑點的位置表示沒有發(fā)生熱退還，這樣可以看出，本發(fā)明的實施例的InGaN/GaN量子阱激光器可抑制有源區(qū)的熱退化效應(yīng)。

以下對根據(jù)本發(fā)明的實施例的InGaN/GaN量子阱激光器的制備方法進行說明。圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例的InGaN/GaN量子阱激光器的制備方法的流程圖。

參照圖4，一并參照圖1，根據(jù)本發(fā)明的實施例的InGaN/GaN量子阱激光器的制備方法包括以下步驟S410～步驟S490。

在步驟S410中，在襯底1上生長形成低溫GaN緩沖層2a。具體地，在溫度為500℃的條件下在襯底1上生長形成厚度為10～20nm的低溫GaN緩沖層2a。

在步驟S420中，在低溫GaN緩沖層2a上生長形成高溫n型GaN層2b。具體地，在低溫GaN緩沖層2a上生長形成厚度不超過5000nm且電子濃度在10¹⁷cm^-3到10¹⁹cm^-3之間的高溫n型GaN層2b。

在步驟S430中，在高溫n型GaN層2b上生長形成n型AlGaN光限制層3。具體地，在高溫n型GaN層2b上生長形成厚度在800nm～1500nm之間且電子濃度在10¹⁷cm^-3到10¹⁹cm^-3之間且Al組分為5％～10％的n型Al_xGa_1-xN光限制層3。

在步驟S440中，在n型AlGaN光限制層3上生長形成n型InGaN下波導(dǎo)層4。具體地，在n型AlGaN光限制層3上生長形成厚度在60nm～140nm之間且In組分為3％～6％且電子濃度在10¹⁷cm^-3到10¹⁸cm^-3之間n型In_xGa_1-xN下波導(dǎo)層4。

在步驟S450中，在n型InGaN下波導(dǎo)層4上生長形成InGaN/GaN量子阱有源區(qū)5。

生長形成InGaN/GaN量子阱有源區(qū)5的方法包括：在n型InGaN下波導(dǎo)層4上依次生長形成至少一個InGaN/GaN量子阱。作為一種優(yōu)選的實施方式，InGaN/GaN量子阱有源區(qū)5由一個或兩個或三個或四個或五個或六個In_xGa_1-xN/GaN量子阱構(gòu)成。當(dāng)InGaN/GaN量子阱的數(shù)量為至少兩個時，所述至少兩個InGaN/GaN量子阱層疊生長在n型InGaN下波導(dǎo)層4上。

進一步地，參照圖2，生長形成每個InGaN/GaN量子阱的具體方法為：依序生長形成u型InGaN量子阱層51、u型InGaN插入蓋層52、u型GaN蓋層53以及u型GaN量子壘層54；其中，u型InGaN插入蓋層52中的In組分小于u型InGaN量子阱層51的In組分。

具體地，圖5是根據(jù)本發(fā)明的實施例的每個InGaN/GaN量子阱的生長示意圖。參照圖5，u型InGaN量子阱層51和u型InGaN插入蓋層52采用兩路銦源TMIn_1和TMIn_2生長。u型InGaN量子阱層51、u型InGaN插入蓋層52和u型GaN蓋層53的鎵源采用TEGa。u型GaN量子壘層54的鎵源可以用TEGa或TMGa。u型InGaN量子阱層51、u型InGaN插入蓋層52和u型GaN蓋層53的生長溫度一致，u型GaN量子壘層54的生長溫度較高。在整個InGaN/GaN量子阱有源區(qū)5生長過程中，采用N₂做載氣，NH₃作為氮源。

這樣，可生長形成厚度在1nm到5nm之間且In組分為20％～35％的u型In_xGa_1-xN量子阱層51。可生長形成厚度在0.3nm到1nm之間且In組分為5％～10％的u型In_xGa_1-xN插入蓋層52?？缮L形成厚度在1nm到4nm之間的u型GaN蓋層53?？缮L形成厚度在5nm到20nm之間的u型GaN量子壘層54。

此外，在本實施例中，在u型In_xGa_1-xN插入蓋層52中，In組分可以為均勻的，或者In組分也可以隨著u型In_xGa_1-xN插入蓋層52的厚度的增加而逐漸減小，例如線性減小。

在步驟S460中，在InGaN/GaN量子阱有源區(qū)5上生長形成u型InGaN上波導(dǎo)層6。具體地，在InGaN/GaN量子阱有源區(qū)5上生長形成厚度為50nm～100nm且In組分為2％～4％的u型In_xGa_1-xN上波導(dǎo)層6。

在步驟S470中，在u型InGaN上波導(dǎo)層6上生長形成p型AlGaN電子阻擋層7。具體地，在u型InGaN上波導(dǎo)層6上生長形成厚度為10nm～30nm且In組分為10％～30％且空穴濃度在10¹⁷cm^-3到10¹⁹cm^-3之間的p型AlGaN電子阻擋層7。

在步驟S480中，在p型AlGaN電子阻擋層7上生長形成p型AlGaN/GaN光限制層8。具體地，在p型AlGaN電子阻擋層7上層疊生長形成由10個～500個中的任意數(shù)量個p型Al_xGa_1-xN/GaN超晶格構(gòu)成的p型AlGaN/GaN光限制層8。每個p型Al_xGa_1-xN/GaN超晶格從下到上(即從p型In_xGa_1-xN電子阻擋層7到p型GaN歐姆接觸層9)包括層疊的p型Al_xGa_1-xN層和p型GaN層。這里，p型Al_xGa_1-xN層的空穴濃度在10¹⁷cm^-3到10¹⁹cm^-3之間，其Al組分為10％～30％。

在步驟S490中，在p型AlGaN/GaN光限制層8上生長形成p型GaN歐姆接觸層9。具體地，在p型AlGaN/GaN光限制層8上生長形成厚度為10nm～30nm且Mg的摻雜濃度在10¹⁹cm^-3到10²¹cm^-3之間的p型GaN歐姆接觸層9。

作為本發(fā)明的另一實施方式，與上述的實施例不同的是，可采用n型AlGaN/GaN光限制層代替圖1中的n型AlGaN光限制層3。相應(yīng)地，在步驟S420中，在高溫n型GaN層2b上生長形成n型AlGaN/GaN光限制層。

其中，所述n型AlGaN/GaN光限制層包括層疊在所述高溫n型GaN層2b上的多個n型AlGaN/GaN超晶格；每個n型AlGaN/GaN超晶格包括依序?qū)盈B的n型AlGaN層和n型GaN層。

作為本發(fā)明的又一實施方式，與上述的各實施例不同的是，圖1中的n型InGaN下波導(dǎo)層4和u型InGaN上波導(dǎo)層6分別采用GaN層代替。相應(yīng)地，在步驟S430中，在n型AlGaN光限制層3上生長形成GaN層。在步驟S460中，在InGaN/GaN量子阱有源區(qū)5上生長形成GaN層。

作為本發(fā)明的又一實施方式，與上述的各實施例不同的是，可采用厚度為200nm～1000nm的p型AlGaN層代替p型AlGaN/GaN光限制層8。相應(yīng)地，在步驟S480中，在p型AlGaN電子阻擋層7上生長形成厚度為200nm～1000nm的p型AlGaN層。

作為本發(fā)明的又一實施方式，與上述的各實施例不同的是，可采用重摻Mg的p型InGaN層替代p型GaN歐姆接觸層9。相應(yīng)地，在步驟S490中，在p型AlGaN/GaN光限制層8上生長形成摻Mg濃度至少為1×10²⁰cm^-3的p型InGaN層。

綜上所述，根據(jù)本發(fā)明的實施例，采用1～2個單原子層厚度(即厚度為0.3nm～1nm)的In_xGa_1-xN插入蓋層52可以使表面二維島狀的形貌變得平整，從而In組分分布更加均勻，并且使之后形成的GaN蓋層53有更好的質(zhì)量，在升溫過程中保證InGaN量子阱不會發(fā)生分解，并且在之后的高溫生長p型AlGaN/GaN光限制層8的過程中不會發(fā)生熱退化。

雖然已經(jīng)參照特定實施例示出并描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解：在不脫離由權(quán)利要求及其等同物限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可在此進行形式和細節(jié)上的各種變化。