CN107645123A - 一种多波长GaN基垂直腔面发射激光器的有源区结构设计 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及氮化物半导体垂直腔面发射激光器领域，公开了一种多波长GaN基垂直腔面发射激光器的有源区结构设计方法，包括对激光器腔长、量子点位置以及量子点尺寸的设计；通过对多层量子点的尺寸和其在谐振腔内空间位置的精确设计，使得不同尺寸量子点的发光与对应的腔模及腔内的驻波光场实现最大程度的耦合，从而使得多个激光模式同时获得足够大的增益并最终实现稳定的多波长激光输出。同时，本发明还提供了采用这种有源区制作的多波长GaN基垂直腔面发射激光器的具体器件结构及其应用。
Description
技术领域
本发明提供了一种多波长GaN基垂直腔面发射激光器的有源区结构设计，具体涉及氮化物半导体垂直腔面发射激光器领域。
背景技术
GaN基材料作为第三代半导体材料，具有直接带隙及非常高的辐射复合率。其发光波长通过改变合金组分可覆盖整个可见光波段，因此在固态照明、光存储、光通讯以及全色显示等领域具有广泛的应用前景。
多波长垂直腔面发射激光器可以同时共轴输出多个波长的激光，可应用于空间测距、太赫兹信号发生器、光混频及非线性光学等领域。目前报道的主要是GaAs基的多波长垂直腔面发射激光器，其采用一对耦合的谐振腔结构，通过分别对两个谐振腔进行独立控制从而获得不同波长的激光输出(P.Michler,M.Hilpert,et al.,Dynamics of dual-wavelength emission from a coupled semiconductor microcavity laser,Appl.Phys.Lett.,70:2073(1997)；A.S.Logginov,A.G.Rzhanov,et al.,Conditions fortwo-frequency lasing in coupled-cavity vertical-cavity surface-emittinglasers,Quantum Electron.,37:534(2007)；T.Kitada,H.Ota,et al.,Two-colorsurface-emitting lasers using a semiconductor coupled multilayer cavity,Appl.Phys.Express 9:111201(2016))。对于GaN基垂直腔面发射激光器，由于氮化物分布布拉格反射镜(DBR)生长困难，且p型欧姆接触难以实现，而介质膜DBR又不导电，因此无法使用类似的耦合谐振腔获得多波长激光输出。鉴于多波长GaN基垂直腔面发射激光器的重要研究价值及巨大应用潜力，特别是在现实增强(AR)、3D成像、激光光谱学和医疗检测等领域，因此设计出一种可行的方案使得在单谐振腔结构下获得GaN基垂直腔面发射激光器的多波长激光输出显得十分迫切和必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多波长GaN基垂直腔面发射激光器的有源区结构设计，同时本发明还提供了采用所述有源区制作的多波长GaN基垂直腔面发射激光器的具体结构及其应用。
本发明提供了多层堆叠量子点的有源区结构设计方法，具体设计方法包括以下步骤：
(1)根据激光的出射波长(激光器的腔模)设计激光器的腔长。
步骤(1)中，垂直腔面发射激光器的腔长由所述的出射波长(激光器的腔模)确定；腔长一旦确定，则出射波长也就确定了，二者是一一对应关系；激光器的腔长设计可以使用TFCalc等软件来实现，具体方法如实施例1中所述。
(2)根据激光的出射波长设计量子点的尺寸，使得不同尺寸量子点层的发光中心波长与对应的激光的出射波长相匹配。
由于不同尺寸量子点的发光波长不同，因此必须对不同量子点层的尺寸进行精确设计，使得不同尺寸量子点层的发光中心波长与对应的激光的出射波长相匹配。根据激光的出射波长设计量子点的尺寸，使尺寸小的量子点发光中心波长与短波长激光的出射波长一致，尺寸大的量子点发光中心波长与长波长激光的出射波长一致。
步骤(2)中，所述的不同尺寸的量子点由于受到的量子限制作用不同而具有不同的发光波长。
步骤(2)中，所述的量子点包含两种或两种以上的尺寸；其中，所述量子点的尺寸大小由激光的出射波长决定，即不同尺寸量子点的发光中心波长必须与激光的出射波长相匹配。
(3)计算各个腔模(激光的出射波长)对应的光场在谐振腔内的空间分布，然后将与腔模对应的不同尺寸的量子点层置于对应光场的波腹处，使不同尺寸量子点层与各自对应光场之间的耦合达到最强，从而得到所述多层堆叠量子点的有源区结构。
步骤(3)中，所述的对应光场可通过TFCalc等软件直接得到；所述的对应光场为驻波光场，具体方法如实施例1中所述。
步骤(3)中，同一尺寸的量子点可以为一层、两层或两层以上。
本发明所述多层堆叠量子点的有源区结构设计方法，包括对激光器腔长、量子点位置以及量子点尺寸的设计；通过对多层量子点的尺寸和其在谐振腔内空间位置的精确设计，使得不同尺寸量子点的发光与对应的腔模及腔内的驻波光场实现最大程度的耦合，从而使得多个激光模式同时获得足够大的增益并最终实现稳定的多波长激光输出。
本发明还提供了一种采用上述有源区设计结构制作的多波长GaN基垂直腔面发射激光器，所述器件结构包括：衬底、反射镜、有源区、n型接触区、p型接触区、电流扩展层和金属电极。
其中，所述衬底支撑整个氮化物外延薄膜结构；
所述多层堆叠量子点有源区位于所述n型接触区与所述p型接触区中间；
所述n型接触区的上方和所述p型接触区的下方分别设置所述反射镜；
所述金属电极包括n型金属电极和p型金属电极；
所述n型金属电极与所述n型接触区接触；
所述p型金属电极与所述电流扩展层接触。
其中，所述的衬底可采用蓝宝石衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底或硅衬底等；优选地，为氮化镓衬底。所述的衬底主要用于支撑整个氮化物外延薄膜结构。
其中，所述的反射镜为氮化物DBR或介质膜DBR或其组合。氮化物DBR为AlN/GaNDBR、AlGaN/GaN DBR、AlInN/GaN DBR或AlxGa1-xN/AlyGa1-yN DBR，其中x≠y；优选地，为AlN/GaN DBR。介质膜DBR为TiO2/SiO2 DBR、ZrO2/SiO2 DBR、Ta2O5/SiO2 DBR、Si3N4/SiO2 DBR或HfO2/SiO2 DBR；优选地，为TiO2/SiO2 DBR。所述反射镜的反射率为99％以上。本发明优选为一对反射镜，其中，顶部反射镜和底部反射镜构成一对反射镜，形成谐振腔结构。
其中，所述的有源区为本发明提供的多层堆叠量子点有源区。
其中，所述的n型接触区优选为掺Si的n型氮化物层，用于实现n型欧姆接触。
其中，所述的p型接触区优选为掺Mg的p型氮化物层，用于实现p型欧姆接触。
其中，所述的电流扩展层优选为ITO透明导电层，用于与p型接触区形成p型欧姆接触，实现电流均匀注入。
其中，所述的金属电极包括n型金属电极和p型金属电极；所述的n型金属电极与n型接触区接触，形成n型欧姆接触，提供电子注入通道；所述的p型金属电极与电流扩展层接触，提供空穴注入通道。
其中，所述激光器的腔长大小等于有源区以及有源区两侧的n型接触区、p型接触区和电流扩展层的总厚度。
其中，所述多波长GaN基垂直腔面发射器包括双氮化物DBR型GaN基垂直腔面发射激光器、双介质膜DBR型GaN基垂直腔面发射激光器以及混合DBR(氮化物DBR和介质膜DBR组合)型GaN基垂直腔面发射激光器。
采用本发明有源区设计结构制作的多波长GaN基垂直腔面发射激光器，器件制作的重点及难点在于腔长的精确控制，腔长与设计值之间的误差不能超过100纳米。腔长大小等于有源区以及有源区两侧的n型接触区、p型接触区和电流扩展层的总厚度。
本发明还提出了一种如上述方法制备得到的多层堆叠量子点的有源区结构；所述的有源区结构适用于不同类型的多波长GaN基垂直腔面发射，包括双氮化物DBR型GaN基垂直腔面发射激光器、双介质膜DBR型GaN基垂直腔面发射激光器以及混合DBR(氮化物DBR和介质膜DBR组合)型GaN基垂直腔面发射激光器。
本发明还提出了一种如上述方法制作的多波长GaN基垂直腔面发射激光器。
本发明所述的有源区设计结构制作的多波长GaN基垂直腔面发射激光器可用在空间测距、增强现实(AR)、3D成像、激光光谱学和医疗检测等领域。
本发明的有益效果在于，本发明提供的多波长GaN基垂直腔面发射激光器的有源区结构设计，通过对器件腔长、量子点尺寸、量子点空间位置的精确设计，使得不同腔模的载流子与对应光场之间实现有效耦合，不同尺寸的多层堆叠量子点有效扩展了有源区的增益谱，并最终实现多波长激光输出，包括两个及两个以上的波长。
采用本发明有源区设计结构制作的多波长GaN基垂直腔面发射激光器，激光波长可通过对腔长的改变实现连续可调，其波长可以覆盖整个可见光范围，应用前景十分广阔，特别是在空间测距、增强现实(AR)、3D成像、激光光谱学和医疗检测等领域。
采用本发明有源区设计结构制作的多波长GaN基垂直腔面发射激光器，器件结构简单，且易于实现二维阵列结构，满足产业化生产需求。
附图说明
图1为多层堆叠量子点有源区结构示意图。
图2为设定腔长条件下GaN基垂直腔面发射激光器的腔模分布图。
图3为激光输出腔模对应的光场分布及多层堆叠量子点在腔内的空间分布。
图4为采用多层堆叠量子点有源区制作的多波长GaN基垂直腔面发射激光器的结构示意图。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
下面将结合附图来详细说明所述多层堆叠量子点有源区的设计方法以及制作的多波长GaN基垂直腔面发射激光器的器件结构。
实施例1：多层堆叠量子点有源区结构设计。
如图1所示，多层堆叠量子点有源区位于n型接触区与p型接触区中间，由不同尺寸的量子点构成；相同尺寸的量子点可以为一层、两层或两层以上，本发明图1所示有源区由三组单层不同尺寸量子点组成。其中，尺寸小的量子点发射的光子能量大，即发光波长短；尺寸大的量子点发射的光子能量小，及发光波长长；不同尺寸量子点的发光中心波长必须与出射激光波长相一致。
假设所需出射的激光波长为λ1和λ2。首先，根据激光波长λ1和λ2确定激光器的腔长。如图2为腔长取1.2微米时GaN基垂直腔面发射激光器的腔模分布，腔长改变，腔模位置也会随之改变，即出射波长也会随之发生变化；通过不断改变腔长的大小，直到某一腔长下的腔模位置与所需出射的激光波长相一致，则此腔长即为所需的腔长大小，本发明假设腔长为1.2微米时可以得到所需的出射激光波长λ1和λ2。确定腔长为1.2微米后，腔模1(对应波长λ1,为468纳米)和腔模2(对应波长λ2，为499纳米)的位置及它们对应的光场在谐振腔内的空间分布也就确定了，对器件的腔长及腔模的设计可以使用TFCalc等软件来模拟实现。
然后，根据激光波长λ1和λ2设计量子点的尺寸，使尺寸小的量子点发光中心波长与λ1(短波长)一致，尺寸大的量子点发光中心波长与λ2(长波长)一致。
最后，利用TFCalc软件得到腔模1和腔模2对应的光场在谐振腔内的空间分布，并将上述设计好尺寸的不同量子点层置于对应腔模光场的波腹位置。同一尺寸的量子点可以为一层、两层或两层以上，本发明采用两层结构，如图3所示。其中，实线为腔模λ1光场在谐振腔内的空间分布，虚线为腔模λ2光场在谐振腔内的空间分布；其中，尺寸小的量子点发光中心波长为λ1，处于腔模λ1光场的波腹位置；尺寸大的量子点发光中心波长为λ2，处于腔模λ2光场的波腹位置。
通过以上方法就完成了对激光器腔长和多层堆叠量子点有源区的设计。
实施例2：采用所述多层堆叠量子点有源区制作的多波长GaN基垂直腔面发射激光器结构。
如图4所示，器件结构如下：
衬底，可采用蓝宝石衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底和硅衬底等，本发明选用蓝宝石衬底；
底部反射镜，可采用氮化物DBR或介质膜DBR。氮化物DBR包括AlN/GaN DBR、AlGaN/GaN DBR、AlInN/GaN DBR以及AlxGa1-xN/AlyGa1-yN DBR等，其中x≠y；介质膜DBR包括TiO2/SiO2 DBR、ZrO2/SiO2 DBR、Ta2O5/SiO2 DBR、Si3N4/SiO2 DBR以及HfO2/SiO2 DBR等，本发明选AlN/GaN DBR为例；
n型接触区，为掺Si的n型GaN层；
n型金属电极，为CrAu(20/200纳米)；
有源区，为所述多层堆叠量子点；
p型接触区，为掺Mg的p型GaN层；
电流扩展层，为ITO透明导电层；
p型金属电极，可采用NiAu或CrAu等，本发明选NiAu(20/200纳米)为例；
顶部反射镜，可采用如底部反射镜中所述的各种DBR，本发明选TiO2/SiO2 DBR为例。
如图4中所示，激光器腔长大小等于多层堆叠量子点有源区以及两侧的n-GaN接触区、p-GaN接触区和ITO电流扩展层的总厚度，即腔长等于底部反射镜和顶部反射镜之间各层的厚度总和。这种结构的多波长GaN基垂直腔面发射激光器可以容易实现二维阵列，有利于大规模产业化生产。
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，所应理解的是，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。
Claims (13)
1.一种多层堆叠量子点的有源区结构设计方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：
(1)根据激光的出射波长设计激光器的腔长；
(2)根据激光的出射波长设计量子点的尺寸，使得不同尺寸量子点层的发光中心波长与对应的激光的出射波长相匹配；
(3)计算各个激光的出射波长对应的光场在谐振腔内的空间分布，然后将与激光的出射波长对应的不同尺寸的量子点层置于对应光场的波腹处，使不同尺寸量子点层与各自对应光场之间的耦合达到最强，从而得到所述多层堆叠量子点的有源区结构。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，垂直腔面发射激光器的腔长由所述激光的出射波长确定；二者是一一对应的关系。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的量子点包含两种或两种以上的不同尺寸；和/或，所述量子点的尺寸大小由激光的出射波长决定。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，同一尺寸的量子点可以为一层、两层或两层以上。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述对应的光场为驻波光场。
6.一种如权利要求1～5之任一项所述的方法得到的多层堆叠量子点的有源区结构。
7.一种多波长GaN基垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括衬底、反射镜、如权利要求6所述的多层堆叠量子点的有源区、n型接触区、p型接触区、电流扩展层以及金属电极；其中，
所述衬底支撑整个氮化物外延薄膜结构；
所述多层堆叠量子点有源区位于所述n型接触区与所述p型接触区中间；
所述n型接触区的上方和所述p型接触区的下方分别设置所述反射镜；
所述金属电极包括n型金属电极和p型金属电极；
所述n型金属电极与所述n型接触区接触；
所述p型金属电极与所述电流扩展层接触。
8.如权利要求7所述的多波长GaN基垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述激光器的腔长大小等于有源区以及有源区两侧的n型接触区、p型接触区和电流扩展层的总厚度。
9.如权利要求7所述的多波长GaN基垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述的衬底包括蓝宝石衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底以及硅衬底；所述的衬底主要用于支撑整个氮化物外延薄膜结构。
10.如权利要求7所述的多波长GaN基垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述的反射镜为氮化物DBR或介质膜DBR或其组合；所述的氮化物DBR为AlN/GaN DBR、AlGaN/GaN DBR、AlInN/GaN DBR或AlxGa1-xN/AlyGa1-yN DBR，其中x≠y；介质膜DBR为TiO2/SiO2DBR、ZrO2/SiO2DBR、Ta2O5/SiO2DBR、Si3N4/SiO2DBR或HfO2/SiO2DBR；所述反射镜的反射率为99％以上。
11.如权利要求7所述的多波长GaN基垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述的n型接触区为掺Si的n型氮化物层，用于实现n型欧姆接触；和/或，所述的p型接触区为掺Mg的p型氮化物层，用于实现p型欧姆接触；和/或，所述的电流扩展层为ITO透明导电层，用于与p型接触区形成p型欧姆接触，实现电流均匀注入。
12.如权利要求6所述的多层堆叠量子点的有源区结构在制作多波长GaN基垂直腔面发射器中的应用，其特征在于，所述多波长GaN基垂直腔面发射器包括双氮化物DBR型GaN基垂直腔面发射激光器、双介质膜DBR型GaN基垂直腔面发射激光器以及混合DBR(氮化物DBR和介质膜DBR组合)型GaN基垂直腔面发射激光器。
13.如权利要求7所述的多波长GaN基垂直腔面发射激光器可用在空间测距、增强现实AR、3D成像、激光光谱学和医疗检测领域。
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