阅读说明：本技术 低比接触电阻率的p型接触层以及氮化镓基紫外激光器 (P-type contact layer with low specific contact resistivity and gallium nitride-based ultraviolet laser ) 是由 陈平 赵德刚 朱建军 刘宗顺 杨静 梁锋 于 2020-04-03 设计创作，主要内容包括：一种低比接触电阻率的p型接触层以及氮化镓基紫外激光器,该p型接触层为重掺杂Mg的p型GaN或p型AlGaN,Mg掺杂浓度为1×10<Sup>20</Sup>至3×10<Sup>21</Sup>cm<Sup>-3</Sup>,Al组分为0至0.3。本发明提高镁有机源的流量并降低生长温度,以提高重掺杂薄层内的Mg掺杂效率和杂质浓度；同时提高生长过程中反应室压强和V/III比,以降低p型重掺杂层中的碳杂质浓度引起的补偿作用,提高在退火过程中的Mg杂质的激活效率；通过上述制作方法,实现了满足氮化镓基紫外激光器需求的p型欧姆接触层。(A p-type contact layer with low specific contact resistivity and a gallium nitride-based ultraviolet laser are provided, wherein the p-type contact layer is p-type GaN or p-type AlGaN heavily doped with Mg, and the Mg doping concentration is 1 × 10 20 To 3 × 10 21 cm ‑3 And an Al component of 0to 0.3. The invention improves the flow of the magnesium organic source and reduces the growth temperature so as to improve the Mg doping efficiency and the impurity concentration in the heavy doping thin layer; meanwhile, the pressure intensity and the V/III ratio of the reaction chamber in the growth process are improved, so that the compensation effect caused by the concentration of the carbon impurities in the p-type heavily doped layer is reduced, and the activation efficiency of Mg impurities in the annealing process is improved; by the manufacturing method, the p-type ohmic contact layer meeting the requirements of the gallium nitride-based ultraviolet laser is realized.)

低比接触电阻率的p型接触层以及氮化镓基紫外激光器

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件领域，特别是一种低比接触电阻率的p型接触层以及氮化镓基紫外激光器。

背景技术

氮化镓基半导体激光器理论上的激射波长覆盖了从红外到深紫外波段的宽广范围，在固态照明、激光投影和显示、生物消毒和杀菌等领域具有广泛的应用。目前已经商品化的氮化镓基激光器的波长包括蓝光、紫光、绿光和部分近紫外。

与可见光波段的激光器相比，在紫外波段的氮化镓基激光器的平均Al组分增加。在量子阱有源区中，为了提高对阱内载流子的量子限制作用，AlGaN垒层代替了InGaN或GaN垒层。在波导层和限制层，为了增强光学限制作用，用AlGaN或GaN代替了GaN或InGaN波导层，并提高了AlGaN限制层中的Al组分。

对于p型欧姆接触层，紫外波段和可见光波段的氮化镓基激光器有不同的要求。此前已有报道，在对金属电极的组分、厚度、退火条件进行细致研究的同时，在p型欧姆接触层之上增加一层较薄的重掺杂接触层可以改善欧姆接触特性。该层材料可以为GaN或InGaN，利用重掺杂Mg形成的杂质能级，使得载流子通过杂质能级辅助的变程跳跃实现载流子的注入，改善p型欧姆接触特性。

由于紫外光波长更短，光子能量更大，在重掺杂Mg的p型欧姆接触层的光学吸收损耗更大。为了降低p型掺杂GaN对紫外光的吸收，需要减薄p型重掺杂GaN欧姆接触层的厚度，或采用AlGaN代替GaN材料。但是，对于p型重掺杂层，Mg杂质在AlGaN的激活能远大于在GaN中，并且Mg的激活能随着AlGaN中Al组分的提高而增加，使得p型重掺杂层的比接触电阻率下降，无法实现良好的金属欧姆接触。与氮化镓基紫外发光二极管相比，紫外激光器对欧姆接触层有更高的要求，一般要求比接触电阻率要小于10^-4Ω·cm²，这使得p型欧姆接触层的制作难度进一步提高。

针对氮化镓基紫外激光器对p型欧姆接触层的要求，即比接触电阻率低、光学吸收损耗小，通过降低生长温度、增大V/III比来降低比接触电阻率，通过减薄p型重掺杂层、提高重掺杂层中的Al组分来降低光学吸收损耗，实现适用于氮化镓基紫外激光器的p型欧姆接触层。氮化镓基激光器需要具有良好欧姆特性的金属接触电极，尤其是实现难度相对较大的p型欧姆接触电极。此前已有报道，在p型掺杂层的基础上，通过增加一层p型重掺杂层，利用重掺杂Mg形成的杂质能级，使载流子通过杂质能级辅助的变程跳跃实现有效输运。在可见光波段的氮化镓基激光器中，该重掺杂层可以采用p++-GaN或p++-InGaN。但是在紫外波段，由于GaN或InGaN材料对紫外光存在带间吸收，会引起较大的光学吸收损耗，影响了氮化镓基激光器的电学特性，尤其是对谐振腔较短的氮化镓基紫外垂直腔面发射激光器，影响更为突出。因此该p型欧姆接触层只能采用厚度减薄的p++-GaN或p++-AlGaN作为重掺杂层。实验中发现，厚度减薄的p++-GaN的欧姆接触特性有所退化，而Al组分提高后的p++-AlGaN也不易实现较低的比接触电阻率。

发明内容

本发明主要目的在于提出一种低比接触电阻率的p型接触层以及氮化镓基紫外激光器，针对氮化镓基紫外激光器对p型欧姆接触层的要求，通过改变金属有机物化学气相沉积系统(MOCVD)的外延生长条件实现具有低比接触电阻率的p型欧姆接触层，并应用于氮化镓基紫外激光器。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种低比接触电阻率的p型接触层，该p型接触层为重掺杂Mg的p型GaN或p型AlGaN，Mg掺杂浓度为1×10²⁰至3×10²¹cm^-3，Al组分为0至0.3。

作为本发明的另一个方面，还提供了一种氮化镓基紫外发光器件，内含有如上所述的p型接触层。

基于上述技术方案可知，本发明的低比接触电阻率的p型接触层以及氮化镓基紫外激光器相对于现有技术至少具有以下优势之一：

1、本发明将p型重掺杂接触层的厚度减薄，以降低p++-GaN带间吸收和p++-AlGaN中与缺陷相关的光学散射引起的光学吸收损耗；

2、在外延生长过程中，提高镁有机源的流量并降低生长温度，以提高重掺杂薄层内的Mg掺杂效率和杂质浓度；同时提高生长过程中反应室压强和V/III比，以降低p型重掺杂层中的碳杂质浓度引起的补偿作用，提高在退火过程中的Mg杂质的激活效率；通过上述制作方法，实现了满足氮化镓基紫外激光器需求的p型欧姆接触层。

附图说明

图1是本发明实施例中氮化镓激光器的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种低比接触电阻率的p型接触层，该p型接触层为重掺杂Mg的p型GaN或p型AlGaN，Mg掺杂浓度为1×10²⁰至3×10²¹cm^-3，Al组分为0至0.3。

在本发明的一些实施例中，所述p型接触层的厚度为5至30nm，例如为5nm、10nm、15nm、20nm、25nm、30nm；生长温度为900至1000℃，例如为900℃、920℃、950℃、980℃、1000℃；反应室压强为200至400Torr，例如为200Torr、220Torr、250Torr、280Torr、300Torr、320Torr、380Torr、400Torr；氨气流量为5至9slm，例如为5slm、6slm、7slm、8slm、9slm；V族源和III族源的摩尔比为5000至10000，例如为5000、5500、6000、6500、7000、7500、8000、8500、9000、9500、10000。

在本发明的一些实施例中，所述p型接触层的比接触电阻率小于10^-4Ω·cm²。

本发明还公开了一种氮化镓基紫外激光器，内含有如上所述的p型接触层。

在本发明的一些实施例中，所述氮化镓基紫外激光器还包括：

一衬底；

一n型同质外延层，其制作在衬底上；

一n型限制层，其制作在n型同质外延层上；

一n型波导层，其制作在n型限制层上；

一有源区，其制作在n型波导层上；

一p型电子阻挡层，其制作在有源区上；

一p型波导层，其制作在p型电子阻挡层上；

一p型限制层，其制作在p型波导层上，该p型限制层的中间为一凸起的脊形，p型接触层制作在该凸起的脊形上；

一p型欧姆电极，其制作在p型接触层上；以及

一n型欧姆电极，其制作在衬底的底部。

在本发明的一些实施例中，所述衬底包括氮化镓同质衬底，其中，氮化镓同质衬底为n型掺杂的自支撑氮化镓材料，厚度为200至1000μm；

在本发明的一些实施例中，所述n型同质外延层包括n型GaN同质外延层，其中，n型GaN同质外延层为掺Si的n型GaN，厚度为1至10μm。

在本发明的一些实施例中，所述n型限制层包括n型AlGaN限制层，其中，n型AlGaN限制层为掺Si的n型AlGaN，Al组分为0.01至1，厚度为10至1000nm；

在本发明的一些实施例中，所述n型波导层包括n型AlGaN波导层，其中，n型AlGaN波导层为掺Si的n型AlGaN，Al组分为0.01至1，厚度为50至300nm。

在本发明的一些实施例中，所述有源区包括InGaN/AlGaN量子阱有源区，其中，InGaN/AlGaN量子阱有源区为非故意掺杂的InGaN/AlGaN，量子阱的周期数目为1至5个；阱层为InGaN材料，In组分为0.01至1，厚度为1至10nm；垒层为AlGaN，Al组分为0.01至1，厚度为5至30nm。

在本发明的一些实施例中，所述p型电子阻挡层包括p型AlGaN电子阻挡层，其中p型AlGaN电子阻挡层为掺Mg的p型AlGaN，Al组分为0.1至0.3，厚度为5至40nm。

在本发明的一些实施例中，所述p型波导层包括p型AlGaN波导层，其中p型AlGaN波导层为掺Mg的p型AlGaN，Al组分为0.01至1，厚度为30至300nm。

在本发明的一些实施例中，所述p型限制层包括p型AlGaN限制层，其中p型AlGaN限制层为掺Mg的p型AlGaN，Al组分为0.01至1，厚度为10至1000nm。

以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。

请参阅图1所示，本实施例提供一种具有低比接触电阻率的p型接触层的氮化镓基紫外激光器，包括：

一氮化镓同质衬底10，所述氮化镓同质衬底10为n型掺杂的自支撑氮化镓材料，厚度为200-1000μm；

一n型GaN同质外延层11，其制作在氮化镓同质衬底10上，所述n型GaN同质外延层为掺Si的n型GaN，厚度为1-10μm；

一n型AlGaN限制层12，其制作在n型GaN同质外延层11上，所述n型AlGaN限制层12为掺Si的n型AlGaN，Al组分为0.01-1，厚度为10-1000nm；

一n型AlGaN波导层13，其制作在n型AlGaN限制层12上，所述n型AlGaN波导层为掺Si的n型AlGaN，Al组分为0.01-1，厚度为50-300nm；

一InGaN/AlGaN量子阱有源区14，其制作在n型AlGaN波导层13上，所述InGaN/AlGaN量子阱有源区为非故意掺杂的InGaN/AlGaN，量子阱的周期数目为1-5个；阱层为InGaN材料，In组分为0.01-1，厚度为1-10nm；垒层为AlGaN，Al组分为0.01-1，厚度为5-30nm；

一p型AlGaN电子阻挡层15，其制作在InGaN/AlGaN量子阱有源区14上，所述p型AlGaN电子阻挡层为掺Mg的p型AlGaN，Al组分为0.1-0.3，厚度为5-40nm；

一p型AlGaN波导层16，其制作在p型AlGaN电子阻挡层15上，所述p型AlGaN波导层为掺Mg的p型AlGaN，Al组分为0.01-1，厚度为30-300nm；

一p型AlGaN限制层17，其制作在p型AlGaN波导层16上，该p型AlGaN限制层18的中间为一凸起的脊形，所述p型AlGaN限制层为掺Mg的p型AlGaN，Al组分为0.01-1，厚度为10-1000nm；

一p型重掺接触层18，其制作在p型AlGaN限制层17凸起的脊形上，所述p型重掺接触层18为重掺杂Mg的p型GaN或p型AlGaN，厚度为5-30nm，Mg掺杂浓度为1×10²⁰-3×10²¹cm^-3，Al组分为0-0.3，生长温度为900-1000℃，反应室压强为200-400Torr，V族源和III族源的摩尔比为5000-10000，氨气流量为5-9slm。该p型重掺杂接触层的厚度减薄至小于30nm，若为p++-GaN，可进一步减薄至小于10nm，以降低可能存在的对紫外光的带间吸收。该重掺杂接触层的关键在于外延生长条件。为了实现镁杂质的重掺杂并形成缺陷能级甚至杂质带，首先需要提高生长过程中的镁有机源的流量，最高可以达到流量计有效范围的90％；同时降低生长温度至表面温度小于1000℃，以提高Mg的掺杂效率。在重掺杂情况下，为了降低比接触电阻率，在生长过程中提高反应室压强和有机源的V/III比(V族源和III族源的摩尔比)，降低p型重掺杂层中的碳杂质浓度，抑制碳杂质的补偿作用，提高在退火过程中Mg杂质的激活效率。

一p型欧姆电极19，其制作在p型重掺杂接触层18上，该p型欧姆电极为包含多层金属的复合材料，如Ni/Au，Ni/Ag/Ni/Au等，淀积金属后通过快速热退火方法形成金属电极。

一n型欧姆电极20，其制作在氮化镓同质衬底10的下表面，该n型欧姆电极为包含多层金属的复合材料，如Ti/Al/Ti/Au等，淀积金属后通过快速热退火方法形成金属电极。

本发明中的具体实施例为氮化镓基紫外激光器其中一种实际结构，该p型重掺杂接触层可以根据激光器结构的实际需要而改变，除了p型重掺杂层的材料组成、每层厚度之外，其关键之处是该层的外延生长条件控制。在实际的实验过程中，本发明通过改进MOCVD生长条件，实现了具有良好欧姆特性的p型欧姆电极。当重掺杂层分别为p++-GaN和p++-AlGaN时，通过圆形传输线模型方法制作金属电极，实际测得的比接触电阻率分别为10^-6Ω/cm²和10^-5Ω/cm²量级，足以满足氮化镓基紫外激光器的需求。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。