一种基于氮化镓单晶衬底的激光二极管及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于氮化镓单晶衬底的激光二极管及其制备方法，所述激光二极管包括从下到上依次层叠设置的GaN单晶衬底、n型GaN层、n型限制层、下波导层、复合量子阱有源区、电子阻挡层、上波导层、p型限制层和p型GaN层。本发明专利技术设计和优化氮化镓基激光器高量子效率应力调控有源区结构，新型光波导层结构以及新型限制层结构，在低位错密度GaN单晶衬底上制备激光二极管，突破GaN基激光器的外延制备技术难点，得到高可靠性高量子效率GaN基激光器。

A laser diode based on GaN single crystal substrate and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种基于氮化镓单晶衬底的激光二极管及其制备方法
本专利技术涉及激光二极管
，更具体地，涉及一种基于氮化镓单晶衬底的激光二极管及其制备方法。
技术介绍
III-V族氮化物半导体材料，是继硅，砷化镓之后的第三代半导体材料，包含了氮化镓(GaN)，氮化铝(AlN)和氮化铟(InN)及它们的合金，是直接带隙半导体，具有禁带宽度大(范围为0.7-6.2eV)、击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强以及耐化学腐蚀等优点。这些光电性质上的优势使III-V族氮化物材料在光电子领域(如LED和LD)具有极强的竞争优势，处于不可替代的地位，是制作从紫外到绿光波段半导体激光器的理想材料。GaN基绿光激光器有着巨大的科研价值、经济价值及市场前景。GaN基绿光激光器是激光显示三基色光源之一,在激光电影、激光电视、激光投影、激光照明、生物医学、材料加工、光通讯、光存储、医疗与美容、科研与国防、仪器和探测、图像纪录、娱乐等领域具有重要应用价值和广阔的市场前景。GaN基绿光激光器目前最引人注目的应用领域是激光显示，是目前国内外氮化物器件研究领域的热点。随着激光显示技术的快速发展，对GaN基激光器的需求变得更加迫切。然而，目前GaN基激光器量子效率较低，寿命、可靠性及稳定性等方面还需要进一步改进。中国专利申请201610183087.X公开了一种应力调控波导层绿光激光器外延片，该绿光激光器外延片的衬底为GaN，其光限制因子以及量子效率不够高，难以满足当下的需求。因此，需要开发出量子效率较高的GaN基激光二极管。>
技术实现思路
本专利技术为克服上述现有技术所述的绿激光器量子效率较低的缺陷，提供一种基于氮化镓单晶衬底的激光二极管，提供的激光二极管量子效率较高，寿命较长。本专利技术的另一目的在于提供上述基于氮化镓单晶衬底的激光二极管的制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种基于氮化镓单晶衬底的激光二极管，包括从下到上依次层叠设置的GaN单晶衬底、n型GaN层、n型限制层、下波导层、复合量子阱有源区、电子阻挡层、上波导层、p型限制层和p型GaN层；所述复合量子阱有源区包括从下到上依次层叠设置的浅阱和发光区，所述浅阱为2～6个周期的Inx1Ga1-x1N/GaN超晶格结构，所述浅阱的阱层厚度为2～3nm，所述浅阱的垒层厚度为2～5nm；所述发光区为2～6个周期的复合势垒层/InxGa1-xN/复合势垒层结构，复合势垒层为Inx2Ga1-x2N/GaN/Inx2Ga1-x2N结构，复合势垒层总厚度为5～11nm，InxGa1-xN阱层厚度为3～5nm；复合势垒层中Inx2Ga1-x2N厚度为0.5～1nm，复合势垒层中Inx2Ga1-x2N对称地分布在GaN上下两侧，复合势垒层中GaN厚度为4～9nm；In组分含量x1、x2、x满足0＜x2＜x1＜x＜1。本申请中，量子阱有源区浅阱结构可以有效改善水平方向电流扩展，同时起到储蓄电子的效果。发光区复合势垒结构可以有效减少发光区阱垒之间的晶格失配以及热失配所产生的压电极化场，提高电子空穴复合发光效率。优选地，所述n型限制层为三梯度n-AlGaN/GaN超晶格复合限制层，包括从下到上依次层叠设置的n型限制层第一梯度、n型限制层第二梯度和n型限制层第三梯度；所述n型限制层第一梯度为30～50个周期的n-Aly1Ga1-y1N/GaN超晶格，n型限制层第一梯度中n-Aly1Ga1-y1N和GaN厚度均为3nm；所述n型限制层第二梯度为30～50个周期的n-Aly2Ga1-y2N/GaN超晶格，n型限制层第二梯度中n-Aly2Ga1-y2N和GaN厚度均为2.5nm；所述n型限制层第三梯度为30～50个周期的n-Aly3Ga1-y3N/GaN超晶格，n型限制层第三梯度中n-Aly3Ga1-y3N和GaN厚度均为2nm；Al组分含量y1、y2、y3满足0.05＜y1＜y2＜y3＜0.15；SiH4作为n型掺杂源，Si掺杂浓度为1018～1019cm-3。优选地，所述下波导层为u-GaN+15个周期的n-Inx3Ga1-x3N/GaN超晶格+n-GaN复合结构，所述下波导层的u-GaN厚度为15～25nm，所述下波导层的n-Inx3Ga1-x3N/GaN超晶格的阱层厚度为2～2.5nm，所述下波导层的n-Inx3Ga1-x3N/GaN超晶格的垒层的厚度为2～2.5nm，所述下波导层的n-GaN的厚度为25～40nm；In组分含量x3小于有源区中In组分x；SiH4作为n型掺杂源，Si掺杂浓度为1018～1019cm-3。优选地，所述电子阻挡层包括从下到上依次层叠设置的电子阻挡层第一梯度和电子阻挡层第二梯度，所述电子阻挡层第一梯度为u-GaN+4～6个周期的u-AlGaN/InGaN超晶格，所述电子阻挡层第一梯度的u-GaN厚度为5～6nm，所述电子阻挡层第一梯度的AlGaN层厚度为1.5～2.0nm，所述电子阻挡层第一梯度的InGaN层厚度为2～2.5nm；所述电子阻挡层第二梯度为u-GaN+8～10个周期的p-AlGaN/InGaN超晶格，所述电子阻挡层第二梯度的u-GaN的厚度为4～5nm，所述电子阻挡层第二梯度中AlGaN层厚度为2～3nm，所述电子阻挡层第二梯度中InGaN层厚度为3～4nm。优选地，所述上波导层为p-GaN+p-Inx4Ga1-x4N/GaN超晶格复合结构，所述上波导层中p-GaN厚度为25～40nm，所述上波导层的p-Inx4Ga1-x4N/GaN超晶格中阱层厚度为2～2.5nm，所述上波导层的p-Inx4Ga1-x4N/GaN超晶格中垒层厚度为2～2.5nm；In组分含量x4小于有源区中In组分x；二茂镁作为p型掺杂源，Mg掺杂浓度为1017～1018cm-3。优选地，所述p型限制层为三梯度p-AlGaN/GaN超晶格复合限制层，包括从下到上依次层叠设置的p型限制层第一梯度、p型限制层第二梯度和p型限制层第三梯度；所述p型限制层第一梯度为30～50个周期的p-Alz1Ga1-z1N/GaN超晶格，p型限制层第一梯度中n-Alz1Ga1-z1N和GaN厚度均为2nm；所述p型限制层第二梯度为30～50个周期的n-Alz2Ga1-z2N/GaN超晶格，p型限制层第二梯度中n-Alz2Ga1-z2N和GaN厚度均为2.5nm；所述p型限制层第三梯度为30～50个周期的n-Alz3Ga1-z3N/GaN超晶格，p型限制层第三梯度中n-Alz3Ga1-z3N和GaN厚度均为3nm；Al组分含量z1、z2、z3满足0.05＜z3＜z2＜z1＜0.15；二茂镁作为p型掺杂源，Mg掺杂浓度为1017～1018cm-3。优选地，所述p型GaN层的厚度为100～150nm；二茂镁作为p型掺杂源，Mg掺杂浓度为1017～1018cm-3。优选地，所述n型GaN层的厚度为2～4μm；SiH4作为n型掺杂源，Si掺杂浓度为1018～1019cm-3。本专利技术还保护上述激光二极管的制备方法，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于氮化镓单晶衬底的激光二极管，其特征在于，包括从下到上依次层叠设置的GaN单晶衬底(101)、n型GaN层(102)、n型限制层(103)、下波导层(104)、复合量子阱有源区(105)、电子阻挡层(106)、上波导层(107)、p型限制层(108)和p型GaN层(109)；/n所述复合量子阱有源区(105)包括从下到上依次层叠设置的浅阱和发光区，所述浅阱为2～6个周期的In

【技术特征摘要】
1.一种基于氮化镓单晶衬底的激光二极管，其特征在于，包括从下到上依次层叠设置的GaN单晶衬底(101)、n型GaN层(102)、n型限制层(103)、下波导层(104)、复合量子阱有源区(105)、电子阻挡层(106)、上波导层(107)、p型限制层(108)和p型GaN层(109)；
所述复合量子阱有源区(105)包括从下到上依次层叠设置的浅阱和发光区，所述浅阱为2～6个周期的Inx1Ga1-x1N/GaN超晶格结构，所述浅阱的阱层厚度为2～3nm，所述浅阱的垒层厚度为2～5nm；所述发光区为2～6个周期的复合势垒层/InxGa1-xN/复合势垒层结构，复合势垒层为Inx2Ga1-x2N/GaN/Inx2Ga1-x2N结构，复合势垒层总厚度为5～11nm，InxGa1-xN阱层厚度为3～5nm；复合势垒层中Inx2Ga1-x2N厚度为0.5～1nm，复合势垒层中Inx2Ga1-x2N对称地分布在GaN上下两侧，复合势垒层中GaN厚度为4～9nm；In组分含量x1、x2、x满足0＜x2＜x1＜x＜1。


2.根据权利要求1所述的激光二极管，其特征在于，所述n型限制层(103)为三梯度n-AlGaN/GaN超晶格复合限制层，包括从下到上依次层叠设置的n型限制层第一梯度、n型限制层第二梯度和n型限制层第三梯度；所述n型限制层第一梯度为30～50个周期的n-Aly1Ga1-y1N/GaN超晶格，n型限制层第一梯度中n-Aly1Ga1-y1N和GaN厚度均为3nm；所述n型限制层第二梯度为30～50个周期的n-Aly2Ga1-y2N/GaN超晶格，n型限制层第二梯度中n-Aly2Ga1-y2N和GaN厚度均为2.5nm；所述n型限制层第三梯度为30～50个周期的n-Aly3Ga1-y3N/GaN超晶格，n型限制层第三梯度中n-Aly3Ga1-y3N和GaN厚度均为2nm；Al组分含量y1、y2、y3满足0.05＜y1＜y2＜y3＜0.15；SiH4作为n型掺杂源，Si掺杂浓度为1018～1019cm-3。


3.根据权利要求2所述的激光二极管，其特征在于，所述下波导层(104)为u-GaN+15个周期的n-Inx3Ga1-x3N/GaN超晶格+n-GaN复合结构，所述下波导层的u-GaN厚度为15～25nm，所述下波导层的n-Inx3Ga1-x3N/GaN超晶格的阱层厚度为2～2.5nm，所述下波导层的n-Inx3Ga1-x3N/GaN超晶格的垒层的厚度为2～2.5nm，所述下波导层的n-GaN的厚度为25～40nm；In组分含量x3小于有源区中In组分x；SiH4作为n型掺杂源，Si掺杂浓度为1018～1019cm-3。


4.根据权利要求3所述的激光二极管，其特征在于，所述电子阻挡层(106)包括从下到上依次层叠设置的电子阻挡层第一梯度和电子阻挡层第二梯度，所述电子阻挡层第一梯度为u-GaN+4～6个周期的u-AlGaN/InGaN超晶格，所述电子阻挡层第一梯度的u-GaN厚度为5～6nm，所述电子阻挡层第一梯度的AlGaN层厚度为1.5～2.0nm，所述电子阻挡层第一梯度的InGaN层厚度为2～2.5nm；
所述电子阻挡层第二梯度为u-GaN+8～10个周期的p-AlGaN/InGaN超晶格，所述电子阻挡层第二梯度的u-GaN的厚度为4～5nm，所述电子阻挡层第二梯度中AlGaN层厚度为2～3nm，所述电子阻挡层第二梯度中InGaN层厚度为3～4nm。


5.根据权利要求4所述的激光二极管，其特征在于，所述上波导层(107)为p-GaN+p-Inx4Ga1-x4N/GaN超晶格复合结构，所述上波导层中p-GaN厚度为25～40nm，所述上波导层的p-Inx4Ga1-x...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾传宇，凌东雄，王红成，吕伟，王春华，康晓娇，胡西多，
申请(专利权)人：东莞理工学院，
类型：发明
国别省市：广东;44