CN107123928B - 一种基于氮化镓材料的双波长同时发射激光器 - Google Patents

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Abstract

一种基于氮化镓材料的双波长同时发射激光器，涉及发射激光器。采用垂直内腔接触结构，结构从下到上包括了衬底、金属层、下分布布拉格反射镜、电流限制层、GaN基外延层、上电极、上分布布拉格反射镜，所述电流限制层中包含用于电流扩展的ITO透明导电孔，所述GaN基外延层包含n型层和p型层以及有源区，其中有源区为量子阱内嵌量子点结构。利用垂直谐振腔及量子阱内嵌量子点的有源结构，获得了双波长同时发射的半导体激光器。本发明具有结构简单、集成度高、光束方向集中、发射波长易于控制等特点，在实现多色半导体激光器光源和双波长合成干涉测量等领域中有着广泛的应用前景。

Description

一种基于氮化镓材料的双波长同时发射激光器
技术领域
本发明涉及发射激光器，尤其是涉及一种基于氮化镓材料的双波长同时发射激光器。
背景技术
双波长同时发射激光器由于其在光盘的读写，光学显示器和生物科学基因分类上有很强的应用而成为目前的研究热点。其主要实现方式包括了上转换光纤激光器、光学倍增激光器。然而这两种类型的激光器都存在输出波长难以控制，激发过程中存在吸收和能量损耗导致效率低下等问题。
氮化镓基材料包含氮化镓、氮化铟和氮化铝，是直接带隙半导体材料，具有连续可调的带隙，室温下发光波长涵盖了近红外、可见光及深紫外波段(M.Koike,et al.,Development of high efficiency GaN-based multiquantum-well light-emittingdiodes and their applications,IEEE J Sel Topics Quantum Electron,8:271–277(2002))。由于其稳定的机械和化学性能，基于氮化镓基材料制作的光电器件在照明、全色显示、光学存储、信号检测、激光打印以及通讯等领域具有广泛的应用。垂直腔面发射氮化镓基半导体激光器以其结构简单、光束方向集中、腔长易于控制等特点(J.Gustavsson,etal.,Progress and challenges in electrically pumped GaN-based VCSELs,∥Proc.SPIE,9892:98920Y(2016))使其在实现多色半导体激光器光源和双波长合成干涉测量等领域成为可能，同时通过调整有源层的结构，可以有效的提高器件的内量子效率，降低器件的阈值电流。
发明内容
本发明的目的是克服现有双波长同时发射激光器的不足，提供在实现双波长同时发射的同时，提高了器件的内量子效率，降低了器件的阈值电流的一种基于氮化镓材料的双波长同时发射激光器。
本发明采用垂直内腔接触结构，从下到上包括衬底、金属层、下分布布拉格反射镜、电流限制层、GaN基外延层、上电极和上分布布拉格反射镜，所述电流限制层中包含用于电流扩展的ITO透明导电孔，所述GaN基外延层包含n型层、p型层和有源区，所述有源区为量子阱内嵌量子点结构。
所述量子点和量子阱的材料分别可为InxGa1-xN和AlzInyGa1-y-zN，其中，0<x<1，0<y<1，0<z<1，y+z<1，并且x>y。
所述电流限制层可采用SiO2、SiNx等中的一种。
所述上电极可采用Ni/Au、Cr/Au、Ti/Au等中的一种。
所述上分布布拉格反射镜和下分布布拉格反射镜可由两种不同折射率的介质膜交错叠加而成，每层介质膜的厚度为1/4中心波长，介质膜组合采用TiO2/SiO2、Ta2O5/SiO2、Ti3O5/SiO2等中的一种。
所述衬底可采用蓝宝石、GaN、Cu等中的一种。
本发明的有益效果：使用氮化镓基材料，通过垂直谐振腔及量子阱内嵌量子点的有源结构，获得了双波长同时发射的半导体激光器。一方面，本发明具有结构简单、集成度高、光束方向集中、腔长易于控制等特点；另一方面，量子阱对量子点中载流子有限制作用，提高了器件的内量子效率，降低了器件的阈值电流。
附图说明
图1为基于氮化镓材料的双波长同时发射激光器的剖面示意图。
图2为本发明实施例所获得的双波长同时发射激光器激光光谱图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，器件采用垂直内腔接触结构，结构从下到上包括了衬底1、金属层3、下分布布拉格反射镜2、电流限制层4、GaN基外延层6、上电极7、上分布布拉格反射镜8，所述电流限制层4中设有用于电流扩展的ITO透明导电孔5，所述GaN基外延层6设有n型层、p型层和有源区，其中有源区为量子阱内嵌量子点结构。
所述量子点和量子阱的材料分别为InxGa1-xN和AlzInyGa1-y-zN，其中，0<x<1，0<y<1，0<z<1，y+z<1并且x>y。
所述器件的电流限制层可以采用SiO2或SiNx。
所述上电极采用Ni/Au、Cr/Au或Ti/Au。
所述上分布布拉格反射镜8和下分布布拉格反射镜2由两种不同折射率的介质膜交错叠加而成，每层介质膜的厚度为1/4中心波长，介质膜组合采用TiO2/SiO2、Ta2O5/SiO2或Ti3O5/SiO2。
所述两个发射波长需要位于上分布布拉格反射镜8和下分布布拉格反射镜2形成的高反带中，上分布布拉格反射镜8和下分布布拉格反射镜2的反射率均需达到99％以上。
所述器件的衬底采用蓝宝石、GaN或Cu。
以下给出具体实施例。
430nm和545nm同时发射激光器，结构从下到上包括Cu衬底、掩埋于金属层(Cr/Au)中的下分布布拉格反射镜(13.5对Ti3O5/SiO2)、SiO2电流限制层、GaN基外延层、上电极(Cr/Au)、上分布布拉格反射镜(11.5对Ti3O5/SiO2)，所述电流限制层中包含了用于电流扩展的ITO透明导电孔5，所述GaN基外延层包含n型层和p型层以及有源区，其中有源区为量子阱(In0.1Ga0.9N)内嵌量子点(In0.27Ga0.73N)结构。
本发明实施例所获得的双波长同时发射激光器激光光谱图参见图2。
本发明使用氮化镓基材料，有源区的量子阱内嵌量子点结构使得量子阱对量子点中载流子有限制作用，提高了器件的内量子效率，降低了器件的阈值电流。
本发明利用垂直谐振腔及量子阱内嵌量子点的有源结构，获得了双波长同时发射的半导体激光器。具有结构简单、集成度高、光束方向集中、发射波长易于控制等特点，在实现多色半导体激光器光源和双波长合成干涉测量等领域中有着广泛的应用前景。

Claims (4)

1.一种基于氮化镓材料的双波长同时发射激光器，其特征在于采用垂直内腔接触结构，从下到上包括衬底、金属层、下分布布拉格反射镜、电流限制层、GaN基外延层、上电极、上分布布拉格反射镜，所述电流限制层中包含用于电流扩展的ITO透明导电孔，所述GaN基外延层包含n型层和p型层以及有源区，其中有源区为量子阱内嵌量子点结构；
所述量子点和量子阱的材料分别为InxGa1-xN和AlzInyGa1-y-zN，其中，0<x<1，0<y<1，0<z<1，y+z<1，并且x>y；
所述上分布布拉格反射镜和下分布布拉格反射镜由两种不同折射率的介质膜交错叠加而成，每层介质膜的厚度为1/4中心波长，介质膜组合采用TiO2/SiO2、Ta2O5/SiO2、Ti3O5/SiO2中的一种。
2.如权利要求1所述一种基于氮化镓材料的双波长同时发射激光器，其特征在于所述电流限制层采用SiO2、SiNx中的一种。
3.如权利要求1所述一种基于氮化镓材料的双波长同时发射激光器，其特征在于所述上电极采用Ni/Au、Cr/Au、Ti/Au中的一种。
4.如权利要求1所述一种基于氮化镓材料的双波长同时发射激光器，其特征在于所述衬底采用蓝宝石、GaN、Cu中的一种。
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Quantum dot vertical-cavity surface-emitting lasers covering the ‘green gap’;Yang Mei et al.;《Light: Science & Applications》;20170127(第6期);第3页第4段，附图1 *

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