[go: up one dir, main page]

CN118589300A - 紫外激光器及其制备方法 - Google Patents

紫外激光器及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN118589300A
CN118589300A CN202410914332.4A CN202410914332A CN118589300A CN 118589300 A CN118589300 A CN 118589300A CN 202410914332 A CN202410914332 A CN 202410914332A CN 118589300 A CN118589300 A CN 118589300A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
electron blocking
hole blocking
blocking sub
sub
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202410914332.4A
Other languages
English (en)
Inventor
高茂林
杨静
梁锋
赵德刚
许并社
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanxi Zhejiang University Institute Of New Materials And Chemical Industry
Institute of Semiconductors of CAS
Original Assignee
Shanxi Zhejiang University Institute Of New Materials And Chemical Industry
Institute of Semiconductors of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanxi Zhejiang University Institute Of New Materials And Chemical Industry, Institute of Semiconductors of CAS filed Critical Shanxi Zhejiang University Institute Of New Materials And Chemical Industry
Priority to CN202410914332.4A priority Critical patent/CN118589300A/zh
Publication of CN118589300A publication Critical patent/CN118589300A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/3407—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers characterised by special barrier layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/34346—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser characterised by the materials of the barrier layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S2304/00—Special growth methods for semiconductor lasers

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

本发明提供一种紫外激光器及其制备方法，紫外激光器包括从下至上依次层叠设置的N电极层、衬底、下限制层、下波导层、空穴阻挡层、多量子阱层、上波导层、电子阻挡层、上限制层、欧姆接触层以及P电极层；本发明通过设置Al组分梯度渐变的空穴阻挡层，能够减少空穴泄露到n侧；通过设置Al组分梯度渐变的电子阻挡层，优化电子阻挡层的有效势垒高度，不仅能够减少电子泄漏到p侧，还能使空穴更容易经过电子阻挡层注入有源区，提高了空穴的注入，从而可以提高紫外激光器的输出功率以及获得更低的阈值电流。此外，由于渐变组分使得折射率发生变化，能够使光场偏离p侧，从而提升了紫外激光器的光电性能。

Description

紫外激光器及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件技术领域，具体涉及一种紫外激光器及其制备方法。
背景技术
AlGaN基紫外激光器具有3.4~6.2eV的大可调的带隙、化学稳定性好、寿命长、运行稳定等特点，主要应用于空气和水净化、杀菌、需要紫外光线辐射的消毒设备以及高密度光信息存储等领域。
与典型的InGaN蓝光激光器和绿光激光器相比，紫外激光器的量子阱较浅，导致更多的电子泄漏到p型区。然而，大量电子从有源区泄漏到p型区中，与一部分空穴复合，使得注入有源区的空穴变少，导致载流子损耗。在相关技术中，通过在紫外激光器的生长过程中增加一层电子阻挡层，从而阻挡电子泄露到p型区，但电子阻挡层的组分较高，会导致能带弯曲，对空穴的注入有影响。另外，对于可见光波段的GaN基激光器，因其量子阱较深，一般只有电子阻挡层而没有空穴阻挡层，故挨着可见光波段的紫外激光器在空穴阻挡层方面的设计相对较少。但又由于紫外激光器的量子阱太浅，空穴更容易越过量子阱的势垒到n侧，使得紫外激光器的输出功率低以及阈值电流高。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了提高输出功率以及降低阈值电流的紫外激光器及其制备方法。
根据本发明的第一个方面，提供了一种紫外激光器，包括从下至上依次层叠设置的N电极层、衬底、下限制层、下波导层、空穴阻挡层、多量子阱层、上波导层、电子阻挡层、上限制层、欧姆接触层以及P电极层；其中，所述空穴阻挡层包括从下至上依次层叠设置的第一空穴阻挡子层、第二空穴阻挡子层、第三空穴阻挡子层以及第四空穴阻挡子层；所述第一空穴阻挡子层的材料为AlaGa1-aN；所述第二空穴阻挡子层的材料为Alx1Ga1-x1N，在所述第二空穴阻挡子层中，从下至上Alx1Ga1-x1N材料的x1从a逐渐降低到b，0<b<a<1；所述第三空穴阻挡子层的材料为AlbGa1-bN；所述第四空穴阻挡子层的材料为Alx2Ga1-x2N，在所述第四空穴阻挡子层中，从下至上Alx2Ga1-x2N材料的x2从b逐渐降低到c，0<c<b；所述电子阻挡层包括从下至上依次层叠设置的第一电子阻挡子层、第二电子阻挡子层、第三电子阻挡子层以及第四电子阻挡子层；所述第一电子阻挡子层的材料为Alx3Ga1-x3N，在所述第一电子阻挡子层中，从下至上Alx3Ga1-x3N材料的x3从d逐渐增加到e，0<d<e<1；所述第二电子阻挡子层的材料为AleGa1-eN；所述第三电子阻挡子层的材料为Alx4Ga1-x4N，在所述第三电子阻挡子层中，从下至上Alx4Ga1-x4N材料的x4从e逐渐增加到f，e<f<1；所述第四电子阻挡子层的材料为AlfGa1- fN。
根据本发明的实施例，a=0.25，b=0.15，c=0.07，d=0.08，e=0.15，f=0.35。
根据本发明的实施例，在垂直于所述衬底所在平面的方向上，所述第一空穴阻挡子层、所述第二空穴阻挡子层、所述第三空穴阻挡子层、所述第四空穴阻挡子层、所述第一电子阻挡子层、所述第二电子阻挡子层、所述第三电子阻挡子层以及所述第四电子阻挡子层的厚度均大于等于4纳米且小于等于6纳米。
根据本发明的实施例，在垂直于所述衬底所在平面的方向上，所述第一空穴阻挡子层、所述第二空穴阻挡子层、所述第三空穴阻挡子层、所述第四空穴阻挡子层、所述第一电子阻挡子层、所述第二电子阻挡子层、所述第三电子阻挡子层以及所述第四电子阻挡子层的厚度均相等。
根据本发明的实施例，所述多量子阱层至少包括层叠设置的三个量子垒层和设置在相邻两个所述量子垒层之间的量子阱层。
根据本发明的第二个方面，提供了一种紫外激光器的制备方法，包括：
在衬底上形成下限制层；
在所述下限制层远离所述衬底的一侧形成下波导层；
在所述下波导层远离所述下限制层的一侧形成空穴阻挡层，所述空穴阻挡层包括从下至上依次层叠设置的第一空穴阻挡子层、第二空穴阻挡子层、第三空穴阻挡子层以及第四空穴阻挡子层，所述第一空穴阻挡子层的材料为AlaGa1-aN，所述第二空穴阻挡子层的材料为Alx1Ga1-x1N，在所述第二空穴阻挡子层中，从下至上Alx1Ga1-x1N材料的x1从a逐渐降低到b，0<b<a<1，所述第三空穴阻挡子层的材料为AlbGa1-bN，所述第四空穴阻挡子层的材料为Alx2Ga1-x2N，在所述第四空穴阻挡子层中，从下至上Alx2Ga1-x2N材料的x2从b逐渐降低到c，0<c<b；
在所述空穴阻挡层远离所述下波导层的一侧形成多量子阱层；
在所述多量子阱层远离所述空穴阻挡层的一侧形成上波导层；
在所述上波导层远离所述多量子阱层的一侧形成电子阻挡层，所述电子阻挡层包括从下至上依次层叠设置的第一电子阻挡子层、第二电子阻挡子层、第三电子阻挡子层以及第四电子阻挡子层，所述第一电子阻挡子层的材料为Alx3Ga1-x3N，在所述第一电子阻挡子层中，从下至上Alx3Ga1-x3N材料的x3从d逐渐增加到e，0<d<e<1，所述第二电子阻挡子层的材料为AleGa1-eN，所述第三电子阻挡子层的材料为Alx4Ga1-x4N，在所述第三电子阻挡子层中，从下至上Alx4Ga1-x4N材料的x4从e逐渐增加到f，e<f<1，所述第四电子阻挡子层的材料为AlfGa1-fN；
在所述电子阻挡层远离所述上波导层的一侧形成上限制层；
在所述上限制层远离所述电子阻挡层的一侧形成欧姆接触层；
在所述衬底远离所述下限制层的一侧形成N电极层；
在所述欧姆接触层远离所述上限制层的一侧形成P电极层。
根据本发明的实施例，a=0.25，b=0.15，c=0.07，d=0.08，e=0.15，f=0.35。
根据本发明的实施例，在垂直于所述衬底所在平面的方向上，所述第一空穴阻挡子层、所述第二空穴阻挡子层、所述第三空穴阻挡子层、所述第四空穴阻挡子层、所述第一电子阻挡子层、所述第二电子阻挡子层、所述第三电子阻挡子层以及所述第四电子阻挡子层的厚度均大于等于4纳米且小于等于6纳米。
根据本发明的实施例，在垂直于所述衬底所在平面的方向上，所述第一空穴阻挡子层、所述第二空穴阻挡子层、所述第三空穴阻挡子层、所述第四空穴阻挡子层、所述第一电子阻挡子层、所述第二电子阻挡子层、所述第三电子阻挡子层以及所述第四电子阻挡子层的厚度均相等。
根据本发明的实施例，所述多量子阱层至少包括层叠设置的三个量子垒层和设置在相邻两个所述量子垒层之间的量子阱层。
本发明的有益效果：本发明实施例提供的紫外激光器包括从下至上依次层叠设置的N电极层、衬底、下限制层、下波导层、空穴阻挡层、多量子阱层、上波导层、电子阻挡层、上限制层、欧姆接触层以及P电极层；其中，空穴阻挡层包括从下至上依次层叠设置的第一空穴阻挡子层、第二空穴阻挡子层、第三空穴阻挡子层以及第四空穴阻挡子层；第一空穴阻挡子层的材料为AlaGa1-aN；第二空穴阻挡子层的材料为Alx1Ga1-x1N，在第二空穴阻挡子层中，从下至上Alx1Ga1-x1N材料的x1从a逐渐降低到b，0<b<a<1；第三空穴阻挡子层的材料为AlbGa1-bN；第四空穴阻挡子层的材料为Alx2Ga1-x2N，在第四空穴阻挡子层中，从下至上Alx2Ga1-x2N材料的x2从b逐渐降低到c，0<c<b；电子阻挡层包括从下至上依次层叠设置的第一电子阻挡子层、第二电子阻挡子层、第三电子阻挡子层以及第四电子阻挡子层；第一电子阻挡子层的材料为Alx3Ga1-x3N，在第一电子阻挡子层中，从下至上Alx3Ga1-x3N材料的x3从d逐渐增加到e，0<d<e<1；第二电子阻挡子层的材料为AleGa1-eN；第三电子阻挡子层的材料为Alx4Ga1-x4N，在第三电子阻挡子层中，从下至上Alx4Ga1-x4N材料的x4从e逐渐增加到f，e<f<1；第四电子阻挡子层的材料为AlfGa1-fN；本发明通过设置Al组分梯度渐变的空穴阻挡层，能够减少空穴泄露到n侧；通过设置Al组分梯度渐变的电子阻挡层，优化电子阻挡层的有效势垒高度，不仅能够减少电子泄漏到p侧，还能使空穴更容易经过电子阻挡层注入有源区，提高了空穴的注入，从而可以提高紫外激光器的输出功率以及获得更低的阈值电流。此外，由于渐变组分使得折射率发生变化，能够使光场偏离p侧，从而提升了紫外激光器的光电性能。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示意性示出了根据本发明实施例的紫外激光器的结构示意图；
图2示意性示出了根据本发明实施例的空穴阻挡层和电子阻挡层的Al组分变化示意图；
图3示意性示出了根据本发明的具有Al组分梯度渐变的空穴阻挡层和电子阻挡层的紫外激光器与根据参考样品的具有Al组分固定的空穴阻挡层和电子阻挡层的紫外激光器的功率电流对比图；以及
图4示意性示出了根据本发明实施例的紫外激光器的制备方法流程图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本发明的实施例。
如图1所示，为根据本发明实施例的紫外激光器的结构示意图，所述紫外激光器包括从下至上依次层叠设置的N电极层11、衬底12、下限制层13、下波导层14、空穴阻挡层15、多量子阱层16、上波导层17、电子阻挡层18、上限制层19、欧姆接触层20以及P电极层21。
其中，所述空穴阻挡层15包括从下至上依次层叠设置的：第一空穴阻挡子层、第二空穴阻挡子层、第三空穴阻挡子层以及第四空穴阻挡子层；所述第一空穴阻挡子层的材料为AlaGa1-aN；所述第二空穴阻挡子层的材料为Alx1Ga1-x1N，在所述第二空穴阻挡子层中，从下至上Alx1Ga1-x1N材料的x1从a逐渐降低到b，0<b<a<1；所述第三空穴阻挡子层的材料为AlbGa1-bN；所述第四空穴阻挡子层的材料为Alx2Ga1-x2N，在所述第四空穴阻挡子层中，从下至上Alx2Ga1-x2N材料的x2从b逐渐降低到c，0<c<b。即第一空穴阻挡子层的Al组分固定为a，第二空穴阻挡子层的Al组分从a渐变到b，第三空穴阻挡子层的Al组分固定为b，第四空穴阻挡子层的Al组分从b渐变到c，因此，空穴阻挡层15的Al组分梯度渐变。
其中，所述电子阻挡层18包括从下至上依次层叠设置的：第一电子阻挡子层、第二电子阻挡子层、第三电子阻挡子层以及第四电子阻挡子层；所述第一电子阻挡子层的材料为Alx3Ga1-x3N，在所述第一电子阻挡子层中，从下至上Alx3Ga1-x3N材料的x3从d逐渐增加到e，0<d<e<1；所述第二电子阻挡子层的材料为AleGa1-eN；所述第三电子阻挡子层的材料为Alx4Ga1-x4N，在所述第三电子阻挡子层中，从下至上Alx4Ga1-x4N材料的x4从e逐渐增加到f，e<f<1；所述第四电子阻挡子层的材料为AlfGa1-fN。即第一电子阻挡子层的Al组分从d渐变到e，第二电子阻挡子层的Al组分固定为e，第三电子阻挡子层的Al组分从e渐变到f，第四电子阻挡子层的Al组分固定为f，因此，电子阻挡层18的Al组分梯度渐变。
可以理解的是，本发明通过设置Al组分梯度渐变的空穴阻挡层15，能够对空穴进行阻挡，减少空穴泄露到n侧（即靠近N电极层11的一侧）；通过设置Al组分梯度渐变的电子阻挡层18，与Al组分固定的电子阻挡层相比，优化电子阻挡层18的有效势垒高度，不仅能够减少电子泄漏到p侧（即靠近P电极层21的一侧），还能使空穴更容易经过电子阻挡层18注入有源区（即多量子阱层16所在的区域），提高了空穴的注入，从而可以提高紫外激光器的输出功率以及获得更低的阈值电流。
具体的，紫外激光器的输出功率是指紫外激光器每秒向外发射的光量，通常用瓦特(W)来表示。本发明通过使更多的空穴能注入有源区，可以提高电子与空穴复合产生的光量，即提高了紫外激光器的输出功率。由于电子与空穴复合的更多，使得载流子浓度变高，需要的开启电流变小，因此，降低了紫外激光器的阈值电流。此外，由于渐变组分使得折射率发生变化，能够使光场偏离p侧，更靠近有源区，从而提升了紫外激光器的光电性能。
需要说明的是，在其他实施例中，空穴阻挡层15的Al组分也可以先从a渐变到b，然后固定为b，然后从b渐变到c，再固定为c；电子阻挡层18的Al组分也可以先固定为d，然后从d渐变到e，然后固定为e，再从e渐变到f，本发明不以此为限。
如图2所示，为根据本发明实施例的空穴阻挡层15和电子阻挡层18的Al组分变化示意图，在一些实施例中，a=0.25，b=0.15，c=0.07，d=0.08，e=0.15，f=0.35。即本发明实施例的空穴阻挡层15的Al组分先固定为0.25，然后从0.25渐变到0.15，然后固定为0.15，再从0.15渐变到0.07；电子阻挡层18的Al组分先从0.08渐变到0.15，然后固定为0.15，然后从0.15渐变到0.35，再固定为0.35。参考样品的空穴阻挡层的Al组分固定为0.08，电子阻挡层的Al组分固定为0.35。
具体的，本发明实施例的空穴阻挡层15是由n型Al0.25Ga0.75N层、Al组分由25%渐变到15%（Al0.25→0.15Ga0.75→0.85N）的渐变层、n型Al0.15Ga0.85N层、Al组分由15%渐变到7%（Al0.15→0.07Ga0.85→0.93N）的渐变层构成。电子阻挡层18是由Al组分由8%渐变到15%（Al0.08→ 0.15Ga0.92→0.85N）的渐变层、p型Al0.15Ga0.85N层、Al组分由15%渐变到35%（Al0.15→0.35Ga0.85→ 0.65N）的渐变层、p型Al0.35Ga0.65N层构成。
继续参阅图1，在一些实施例中，在垂直于所述衬底12所在平面的方向上，所述第一空穴阻挡子层、所述第二空穴阻挡子层、所述第三空穴阻挡子层、所述第四空穴阻挡子层、所述第一电子阻挡子层、所述第二电子阻挡子层、所述第三电子阻挡子层以及所述第四电子阻挡子层的厚度均大于等于4纳米且小于等于6纳米。
可以理解的是，本实施例通过将第一空穴阻挡子层、第二空穴阻挡子层、第三空穴阻挡子层、第四空穴阻挡子层、第一电子阻挡子层、第二电子阻挡子层、第三电子阻挡子层以及第四电子阻挡子层的厚度控制在4~6纳米，可以避免厚度过大导致的晶格变大。
在一些实施例中，在垂直于所述衬底12所在平面的方向上，所述第一空穴阻挡子层、所述第二空穴阻挡子层、所述第三空穴阻挡子层、所述第四空穴阻挡子层、所述第一电子阻挡子层、所述第二电子阻挡子层、所述第三电子阻挡子层以及所述第四电子阻挡子层的厚度均相等，例如厚度均等于5纳米。
在一些实施例中，所述多量子阱层16至少包括层叠设置的三个量子垒层和设置在相邻两个所述量子垒层之间的量子阱层，即所述多量子阱层16可以包括交替设置的三个量子垒层和两个量子阱层。其中，量子垒层可以为Al0.07Ga0.93N，量子垒层的单层的厚度可以为6纳米；量子阱层可以为GaN，量子阱层的单层的厚度可以为10纳米。
在一些实施例中，所述衬底12为n型GaN衬底，厚度可以为1微米。所述下限制层13为n型掺杂的Al0.2Ga0.8N层，掺杂元素为Si，掺杂浓度可以为5×1018 cm-3，厚度可以为0.6微米。所述下波导层14为非故意掺杂的Al0.08Ga0.92N层，厚度可以为80纳米。所述上波导层17为非故意掺杂的Al0.08Ga0.92N层，厚度可以为80纳米。所述上限制层19为p型掺杂的Al0.2Ga0.8N层，掺杂元素为Mg，掺杂浓度可以为5×1018 cm-3，厚度可以为0.5微米。所述欧姆接触层20为重p型掺杂的GaN层，掺杂元素为Mg，掺杂浓度可以为1×1020 cm-3，厚度可以为20纳米。所述N电极层11的材料可以为Ti/Al/Ti/Au。所述P电极层21的材料可以为Pd/Pt/Au。
如图3所示，为根据本发明的具有Al组分梯度渐变的空穴阻挡层和电子阻挡层的紫外激光器与根据参考样品的具有Al组分固定的空穴阻挡层和电子阻挡层的紫外激光器的功率电流对比图，从图3可以看出，采用具有Al组分梯度渐变的空穴阻挡层和电子阻挡层的紫外激光器能够降低阈值电流，在输入电流为120mA下，由参考样品的46.66mA下降到本发明的39.45mA，下降了约15.5%。采用具有Al组分梯度渐变的空穴阻挡层和电子阻挡层的紫外激光器还能够增加输出功率，在输入电流为120mA下，由参考样品的147.88mW增加到171.51mW，增长了约16%。且斜率效率也明显大于参考样品的斜率效率。
如图4所示，为根据本发明实施例的紫外激光器的制备方法流程图，所述紫外激光器的制备方法包括步骤S1~步骤S10。
在步骤S1中，在衬底上形成下限制层。
在步骤S2中，在所述下限制层远离所述衬底的一侧形成下波导层。
在步骤S3中，在所述下波导层远离所述下限制层的一侧形成空穴阻挡层，所述空穴阻挡层包括从下至上依次层叠设置的第一空穴阻挡子层、第二空穴阻挡子层、第三空穴阻挡子层以及第四空穴阻挡子层，所述第一空穴阻挡子层的材料为AlaGa1-aN，所述第二空穴阻挡子层的材料为Alx1Ga1-x1N，在所述第二空穴阻挡子层中，从下至上Alx1Ga1-x1N材料的x1从a逐渐降低到b，0<b<a<1，所述第三空穴阻挡子层的材料为AlbGa1-bN，所述第四空穴阻挡子层的材料为Alx2Ga1-x2N，在所述第四空穴阻挡子层中，从下至上Alx2Ga1-x2N材料的x2从b逐渐降低到c，0<c<b。
在步骤S4中，在所述空穴阻挡层远离所述下波导层的一侧形成多量子阱层。
在步骤S5中，在所述多量子阱层远离所述空穴阻挡层的一侧形成上波导层。
在步骤S6中，在所述上波导层远离所述多量子阱层的一侧形成电子阻挡层，所述电子阻挡层包括从下至上依次层叠设置的第一电子阻挡子层、第二电子阻挡子层、第三电子阻挡子层以及第四电子阻挡子层，所述第一电子阻挡子层的材料为Alx3Ga1-x3N，在所述第一电子阻挡子层中，从下至上Alx3Ga1-x3N材料的x3从d逐渐增加到e，0<d<e<1，所述第二电子阻挡子层的材料为AleGa1-eN，所述第三电子阻挡子层的材料为Alx4Ga1-x4N，在所述第三电子阻挡子层中，从下至上Alx4Ga1-x4N材料的x4从e逐渐增加到f，e<f<1，所述第四电子阻挡子层的材料为AlfGa1-fN。
在步骤S7中，在所述电子阻挡层远离所述上波导层的一侧形成上限制层。
在步骤S8中，在所述上限制层远离所述电子阻挡层的一侧形成欧姆接触层。
在步骤S9中，在所述衬底远离所述下限制层的一侧形成N电极层。
在步骤S10中，在所述欧姆接触层远离所述上限制层的一侧形成P电极层。
可以理解的是，本发明通过设置Al组分梯度渐变的空穴阻挡层，能够对空穴进行阻挡，减少空穴泄露到n侧（即靠近N电极层的一侧）；通过设置Al组分梯度渐变的电子阻挡层，与Al组分固定的电子阻挡层相比，优化电子阻挡层的有效势垒高度，不仅能够减少电子泄漏到p侧（即靠近P电极层的一侧），还能使空穴更容易经过电子阻挡层注入有源区（即多量子阱层所在的区域），提高了空穴的注入，从而可以提高紫外激光器的输出功率以及获得更低的阈值电流。此外，由于渐变组分使得折射率发生变化，能够使光场偏离p侧，更靠近有源区，从而提升了紫外激光器的光电性能。
在一些实施例中，a=0.25，b=0.15，c=0.07，d=0.08，e=0.15，f=0.35。即本发明实施例的空穴阻挡层是由n型Al0.25Ga0.75N层、Al组分由25%渐变到15%（Al0.25→0.15Ga0.75→0.85N）的渐变层、n型Al0.15Ga0.85N层、Al组分由15%渐变到7%（Al0.15→0.07Ga0.85→0.93N）的渐变层构成。电子阻挡层是由Al组分由8%渐变到15%（Al0.08→0.15Ga0.92→0.85N）的渐变层、p型Al0.15Ga0.85N层、Al组分由15%渐变到35%（Al0.15→0.35Ga0.85→0.65N）的渐变层、p型Al0.35Ga0.65N层构成。
在一些实施例中，在垂直于所述衬底所在平面的方向上，所述第一空穴阻挡子层、所述第二空穴阻挡子层、所述第三空穴阻挡子层、所述第四空穴阻挡子层、所述第一电子阻挡子层、所述第二电子阻挡子层、所述第三电子阻挡子层以及所述第四电子阻挡子层的厚度均大于等于4纳米且小于等于6纳米。
可以理解的是，本实施例通过将第一空穴阻挡子层、第二空穴阻挡子层、第三空穴阻挡子层、第四空穴阻挡子层、第一电子阻挡子层、第二电子阻挡子层、第三电子阻挡子层以及第四电子阻挡子层的厚度控制在4~6纳米，可以避免厚度过大导致的晶格变大。
在一些实施例中，在垂直于所述衬底所在平面的方向上，所述第一空穴阻挡子层、所述第二空穴阻挡子层、所述第三空穴阻挡子层、所述第四空穴阻挡子层、所述第一电子阻挡子层、所述第二电子阻挡子层、所述第三电子阻挡子层以及所述第四电子阻挡子层的厚度均相等，例如厚度均等于5纳米。
在一些实施例中，所述多量子阱层至少包括层叠设置的三个量子垒层和设置在相邻两个所述量子垒层之间的量子阱层，即所述多量子阱层可以包括交替设置的三个量子垒层和两个量子阱层。其中，量子垒层可以为Al0.07Ga0.93N，量子垒层的单层的厚度可以为6纳米；量子阱层可以为GaN，量子阱层的单层的厚度可以为10纳米。
在一些实施例中，本发明提供的一种紫外激光器的制备方法可以具体包括：
步骤1：采用金属有机化学气相沉积法（MOCVD）生长GaN衬底，在氢气氛围中对GaN衬底进行预处理，形成n型GaN衬底。
步骤2：采用MOCVD在n型GaN衬底上生长下限制层，具体的，以三甲基镓、三甲基铝和氨作为前驱体，分别提供Ga、Al和N源，在n型GaN衬底上以H2为载气生长AlGaN下限制层，其生长温度在700~1100℃之间。
步骤3：在AlGaN下限制层上以H2为载气，外延生长AlGaN下波导层，其生长温度在700~1100℃之间。
步骤4：在AlGaN下波导层上以H2为载气，通过程序设置，自动调控不同的流量和时间，来外延生长具有Al组分梯度渐变的空穴阻挡层，外延生长的厚度例如为20纳米，其生长温度在700~1100℃之间，其中，Al组分梯度渐变的过程可以参考图2。
步骤5：在空穴阻挡层上外延生长GaN/AlGaN多量子阱层，具体的，以H2为载气，交替外延生长AlGaN量子垒层和GaN量子阱层，其生长温度在700~900℃之间。
步骤6：在GaN/AlGaN多量子阱层上以H2为载气，外延生长上波导层，其生长温度在700~1100℃之间。
步骤7：在上波导层上，以H2为载气，通过程序设置，自动调控不同的流量和时间，来外延生长具有Al组分梯度渐变的电子阻挡层，外延生长的厚度例如为20纳米，其生长温度在700~1100℃之间，其中，Al组分梯度渐变的过程可以参考图2。
步骤8：在具有Al组分梯度渐变的电子阻挡层上，以H2为载气，高温生长AlGaN上限制层。
步骤9：在上限制层上，以H2为载气，高温生长GaN欧姆接触层。
步骤10：在n型GaN衬底下面，采用磁控溅射技术，蒸镀N电极层，材料可以为Ti/Al/Ti/Au。
步骤11：在GaN欧姆接触层上，同样采用磁控溅射技术，蒸镀P电极层，材料可以为Pd/Pt/Au，即完成具有Al组分梯度渐变的空穴阻挡层和电子阻挡层的紫外激光器的制备。
以上对本发明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，而并非为了限制本发明的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种紫外激光器，其特征在于，包括从下至上依次层叠设置的：N电极层、衬底、下限制层、下波导层、空穴阻挡层、多量子阱层、上波导层、电子阻挡层、上限制层、欧姆接触层以及P电极层；
其中，所述空穴阻挡层包括从下至上依次层叠设置的：第一空穴阻挡子层、第二空穴阻挡子层、第三空穴阻挡子层以及第四空穴阻挡子层；所述第一空穴阻挡子层的材料为AlaGa1-aN；所述第二空穴阻挡子层的材料为Alx1Ga1-x1N，在所述第二空穴阻挡子层中，从下至上Alx1Ga1-x1N材料的x1从a逐渐降低到b，0<b<a<1；所述第三空穴阻挡子层的材料为AlbGa1-bN；所述第四空穴阻挡子层的材料为Alx2Ga1-x2N，在所述第四空穴阻挡子层中，从下至上Alx2Ga1-x2N材料的x2从b逐渐降低到c，0<c<b；
所述电子阻挡层包括从下至上依次层叠设置的：第一电子阻挡子层、第二电子阻挡子层、第三电子阻挡子层以及第四电子阻挡子层；所述第一电子阻挡子层的材料为Alx3Ga1- x3N，在所述第一电子阻挡子层中，从下至上Alx3Ga1-x3N材料的x3从d逐渐增加到e，0<d<e<1；所述第二电子阻挡子层的材料为AleGa1-eN；所述第三电子阻挡子层的材料为Alx4Ga1-x4N，在所述第三电子阻挡子层中，从下至上Alx4Ga1-x4N材料的x4从e逐渐增加到f，e<f<1；所述第四电子阻挡子层的材料为AlfGa1-fN。
2.根据权利要求1所述的紫外激光器，其特征在于，a=0.25，b=0.15，c=0.07，d=0.08，e=0.15，f=0.35。
3.根据权利要求1所述的紫外激光器，其特征在于，在垂直于所述衬底所在平面的方向上，所述第一空穴阻挡子层、所述第二空穴阻挡子层、所述第三空穴阻挡子层、所述第四空穴阻挡子层、所述第一电子阻挡子层、所述第二电子阻挡子层、所述第三电子阻挡子层以及所述第四电子阻挡子层的厚度均大于等于4纳米且小于等于6纳米。
4.根据权利要求3所述的紫外激光器，其特征在于，在垂直于所述衬底所在平面的方向上，所述第一空穴阻挡子层、所述第二空穴阻挡子层、所述第三空穴阻挡子层、所述第四空穴阻挡子层、所述第一电子阻挡子层、所述第二电子阻挡子层、所述第三电子阻挡子层以及所述第四电子阻挡子层的厚度均相等。
5.根据权利要求1所述的紫外激光器，其特征在于，所述多量子阱层至少包括层叠设置的三个量子垒层和设置在相邻两个所述量子垒层之间的量子阱层。
6.一种紫外激光器的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底上形成下限制层；
在所述下限制层远离所述衬底的一侧形成下波导层；
在所述下波导层远离所述下限制层的一侧形成空穴阻挡层，所述空穴阻挡层包括从下至上依次层叠设置的第一空穴阻挡子层、第二空穴阻挡子层、第三空穴阻挡子层以及第四空穴阻挡子层，所述第一空穴阻挡子层的材料为AlaGa1-aN，所述第二空穴阻挡子层的材料为Alx1Ga1-x1N，在所述第二空穴阻挡子层中，从下至上Alx1Ga1-x1N材料的x1从a逐渐降低到b，0<b<a<1，所述第三空穴阻挡子层的材料为AlbGa1-bN，所述第四空穴阻挡子层的材料为Alx2Ga1-x2N，在所述第四空穴阻挡子层中，从下至上Alx2Ga1-x2N材料的x2从b逐渐降低到c，0<c<b；
在所述空穴阻挡层远离所述下波导层的一侧形成多量子阱层；
在所述多量子阱层远离所述空穴阻挡层的一侧形成上波导层；
在所述上波导层远离所述多量子阱层的一侧形成电子阻挡层，所述电子阻挡层包括从下至上依次层叠设置的第一电子阻挡子层、第二电子阻挡子层、第三电子阻挡子层以及第四电子阻挡子层，所述第一电子阻挡子层的材料为Alx3Ga1-x3N，在所述第一电子阻挡子层中，从下至上Alx3Ga1-x3N材料的x3从d逐渐增加到e，0<d<e<1，所述第二电子阻挡子层的材料为AleGa1-eN，所述第三电子阻挡子层的材料为Alx4Ga1-x4N，在所述第三电子阻挡子层中，从下至上Alx4Ga1-x4N材料的x4从e逐渐增加到f，e<f<1，所述第四电子阻挡子层的材料为AlfGa1-fN；
在所述电子阻挡层远离所述上波导层的一侧形成上限制层；
在所述上限制层远离所述电子阻挡层的一侧形成欧姆接触层；
在所述衬底远离所述下限制层的一侧形成N电极层；
在所述欧姆接触层远离所述上限制层的一侧形成P电极层。
7.根据权利要求6所述的紫外激光器的制备方法，其特征在于，a=0.25，b=0.15，c=0.07，d=0.08，e=0.15，f=0.35。
8.根据权利要求6所述的紫外激光器的制备方法，其特征在于，在垂直于所述衬底所在平面的方向上，所述第一空穴阻挡子层、所述第二空穴阻挡子层、所述第三空穴阻挡子层、所述第四空穴阻挡子层、所述第一电子阻挡子层、所述第二电子阻挡子层、所述第三电子阻挡子层以及所述第四电子阻挡子层的厚度均大于等于4纳米且小于等于6纳米。
9.根据权利要求8所述的紫外激光器的制备方法，其特征在于，在垂直于所述衬底所在平面的方向上，所述第一空穴阻挡子层、所述第二空穴阻挡子层、所述第三空穴阻挡子层、所述第四空穴阻挡子层、所述第一电子阻挡子层、所述第二电子阻挡子层、所述第三电子阻挡子层以及所述第四电子阻挡子层的厚度均相等。
10.根据权利要求6所述的紫外激光器的制备方法，其特征在于，所述多量子阱层至少包括层叠设置的三个量子垒层和设置在相邻两个所述量子垒层之间的量子阱层。
CN202410914332.4A 2024-07-09 2024-07-09 紫外激光器及其制备方法 Pending CN118589300A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202410914332.4A CN118589300A (zh) 2024-07-09 2024-07-09 紫外激光器及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202410914332.4A CN118589300A (zh) 2024-07-09 2024-07-09 紫外激光器及其制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN118589300A true CN118589300A (zh) 2024-09-03

Family

ID=92524588

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202410914332.4A Pending CN118589300A (zh) 2024-07-09 2024-07-09 紫外激光器及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN118589300A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100803100B1 (ko) 질화물 반도체 소자
JP4328366B2 (ja) 半導体素子
JP4879563B2 (ja) Ｉｉｉ族窒化物半導体発光装置
JP5036617B2 (ja) 窒化物系半導体発光素子
JP3623713B2 (ja) 窒化物半導体発光素子
JP4441563B2 (ja) 窒化物半導体レーザ素子
EP2584616A1 (en) Ultraviolet semiconductor light-emitting element
JP2011101039A (ja) 窒化物半導体レーザ素子
JPWO2009078482A1 (ja) 半導体発光素子
JP4401610B2 (ja) 窒化物半導体レーザ素子
CN103956653A (zh) 减小GaN基蓝紫光端发射激光器电子泄漏的方法
JP2006128661A (ja) 窒化物系半導体レーザ
JP4162560B2 (ja) 窒化物系半導体発光素子
JP2007250637A (ja) Ｉｉｉ族窒化物半導体光素子
JP3951973B2 (ja) 窒化物半導体素子
JPWO2017017928A1 (ja) 窒化物半導体レーザ素子
JP3909694B2 (ja) ３族窒化物半導体発光素子及びその製造方法
JP5507792B2 (ja) Ｉｉｉ族窒化物半導体光素子
JPH1041581A (ja) 窒化物半導体素子
JP4342134B2 (ja) 窒化物半導体レーザ素子
JP2009245982A (ja) 窒化物発光素子
WO2021172171A1 (ja) レーザ素子
CN118589300A (zh) 紫外激光器及其制备方法
JP3878707B2 (ja) 窒化物系半導体レーザ素子の製造方法
JP3857417B2 (ja) 窒化物半導体素子

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication