GaN基激光芯片及其制备方法

本公开涉及半导体光电器件，具体涉及一种gan基激光芯片及其制备方法。

背景技术：

1、gan基材料称为iii族氮化物材料（包括inn、gan、aln、ingan、algan等，禁带宽度范围为0.7~6.2ev），光谱覆盖了近红外到深紫外波段，被认为是继si、gaas之后的第三代半导体，在光电子学领域有重要的应用价值。gan激光器由n-algan、量子阱、p-algan组成异质结，其中p-algan不仅是空位注入层，还是光限制层。在gan基激光器结构中，p-algan的厚度一般在500nm以上以保障高光场限制因子。然而，由于p-algan杂质激活难，p-algan电阻率高，造成厚层p-algan电阻大。同时厚层p-algan增加外延层的应力，同时高温生长p-algan也会造成量子阱热退化，从而限制了gan基激光器的性能。

技术实现思路

1、有鉴于此，本公开第一方面提供了一种gan基激光芯片，其特征在于，至下而上依次包括：n型电极、衬底、n型限制层、下波导层、有源层、上波导层、上限制层和p型电极；其中，上限制层至下而上依次包括：p型限制层、电流扩展层和空气层；p型限制层两侧设有钝化层，空气层形成于p型电极的中间，p型电极在xy平面内的正投影不覆盖p型限制层在xy平面内的正投影。

2、根据本公开的实施例，p型限制层的材料为algan，生长温度为900~1200℃，厚度为50~200nm；p型限制层经icp刻蚀形成脊形区域。

3、根据本公开的实施例，电流扩展层的材料为ito或其他折射率小于p型限制层的金属材料，厚度为10~100nm；电流扩展层经蒸镀形成于p型限制层上。

4、根据本公开的实施例，钝化层的材料为二氧化硅或氮化硅，厚度与p型限制层的厚度相同；钝化层经蒸镀形成于p型限制层脊形区域的两侧。

5、根据本公开的实施例，p型电极的位置与钝化层的位置相对应；p型电极和n型电极经蒸镀形成。

6、根据本公开的实施例，有源层为由量子阱层和量子垒层组成的单量子阱结构或者多量子阱结构，发光波长为300～600nm；有源层的生长温度为700~900℃；量子阱层的材料为algan、gan、ingan或alingan中的一种，量子垒层的材料为algan、gan或ingan中的一种。

7、根据本公开的实施例，衬底的材料为氮化镓、碳化硅或硅中的一种。

8、根据本公开的实施例，上波导层为非掺杂上波导层，材料为ingan、gan或algan中的一种；上波导层的生长温度高于有源层的生长温度。

9、根据本公开的实施例，衬底与n型限制层之间还包括非掺杂gan层。

10、本公开第二方面提供了一种根据上述的gan基激光芯片的制备方法，包括：s1，在衬底上依次生长n型限制层、下波导层、有源层、上波导层和p型限制层；s2，刻蚀去除p型限制层两侧的区域，在刻蚀后的样品表面蒸镀钝化材料，去除p型限制层上方多余的钝化材料，形成两侧存在的钝化层；s3，在p型限制层和钝化层上方进行蒸镀，形成电流扩展层；s4，蒸镀p型电极材料，去除p型限制层上方的p型电极材料，使电流扩展层中至少部分暴露于空气中，得到p型电极；其中，p型限制层、电流扩展层和空气层共同构成上限制层；s5，在衬底下进行蒸镀，形成n型电极，得到gan基激光芯片。

11、本公开的gan基激光芯片利用p型限制层、电流扩展层和空气层共同构成上限制层，减薄了p型限制层的厚度和缩短了p型限制层的生长时间，降低了激光器的电阻，减少了对量子阱的破坏；并通过引入低折射率的电流扩展层和空气层，增加了激光器光场限制，提高了gan基激光器的输出功率和光电转化效率。

技术特征：

1.一种gan基激光芯片，其特征在于，至下而上依次包括：n型电极（20）、衬底（10）、n型限制层（12）、下波导层（13）、有源层（14）、上波导层（15）、上限制层和p型电极（19）；

2.根据权利要求1所述的gan基激光芯片，其特征在于，所述p型限制层（16）的材料为algan，生长温度为900~1200℃，厚度为50~200nm；

3.根据权利要求1所述的gan基激光芯片，其特征在于，所述电流扩展层（17）的材料为ito或其他折射率小于所述p型限制层（16）的金属材料，厚度为10~100nm；

4.根据权利要求1所述的gan基激光芯片，其特征在于，所述钝化层（18）的材料为二氧化硅或氮化硅，厚度与所述p型限制层（16）的厚度相同；

5.根据权利要求1所述的gan基激光芯片，其特征在于，所述p型电极（19）的位置与所述钝化层（18）的位置相对应；

6.根据权利要求1所述的gan基激光芯片，其特征在于，所述有源层（14）为由量子阱层和量子垒层组成的单量子阱结构或者多量子阱结构，发光波长为300～600nm；所述有源层（14）的生长温度为700~900℃；

7.根据权利要求1所述的gan基激光芯片，其特征在于，所述衬底（10）的材料为氮化镓、碳化硅或硅中的一种。

8.根据权利要求6所述的gan基激光芯片，其特征在于，所述上波导层（15）为非掺杂上波导层，材料为ingan、gan或algan中的一种；

9.根据权利要求1所述的gan基激光芯片，其特征在于，所述衬底（10）与所述n型限制层（12）之间还包括非掺杂gan层（11）。

10.一种根据权利要求1~9中任意一项所述的gan基激光芯片的制备方法，其特征在于，包括：

技术总结本公开提供了一种GaN基激光芯片及其制备方法，该GaN基激光芯片至下而上依次包括：n型电极（20）、衬底（10）、n型限制层（12）、下波导层（13）、有源层（14）、上波导层（15）、上限制层和p型电极（19）；其中，上限制层至下而上依次包括：p型限制层（16）、电流扩展层（17）和空气层；p型限制层（16）两侧设有钝化层（18），空气层形成于p型电极（19）的中间，p型电极（19）在XY平面内的正投影不覆盖p型限制层（16）在XY平面内的正投影。本公开的GaN基激光芯片利用p型限制层（16）、电流扩展层（17）和空气层共同构成上限制层，增加激光器光场限制，减小激光器的模式损耗，并降低激光器的串联电阻。技术研发人员：杨静,赵德刚,张宇恒,梁锋,刘宗顺受保护的技术使用者：中国科学院半导体研究所技术研发日：技术公布日：2025/1/6