CN107863688A - 一种发光波长可调谐的GaN基垂直腔面发射光源 - Google Patents

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Abstract

一种发光波长可调谐的GaN基垂直腔面发射光源，涉及发射光源。设有外延层，所述外延层从下至上依次为：衬底、下介质膜分布布拉格反射镜、ITO电流扩展层、p型Cr/Au电极、SiO2电流限制层、p型GaN、量子点有源层、n型GaN、n型Cr/Au电极和上介质膜分布布拉格反射镜。使用具有不同尺寸量子点作为有源区，得到了可调谐的增益特性，结合谐振腔效应，得到了发光波长在强耦合模式之间可调谐的输出特性。发光波长调谐范围从黄绿光到紫光，实现了大范围调谐。相比于以往制作可调谐发光器件的方法，不需要复杂的材料生长以及期间制作工艺，大大简化了工艺过程以及器件制作难度，并且提高了发光波长的调谐范围。

Description

一种发光波长可调谐的GaN基垂直腔面发射光源
技术领域
本发明涉及发射光源，尤其是涉及一种发光波长可调谐的GaN基垂直腔面发射光源。
背景技术
GaN基垂直腔面发射光源在固态照明、全色显示、高密度光存储、医学治疗、多通道高带宽光通信、高分辨率打印以及生物传感等方面有着广泛的应用前景，是近几年来的研究热点之一。面发射光源有着体积小、阈值低、圆形对称光斑、容易实现单模激射等优点([1]R.Shimada and H.Wide bandgap semiconductor-based surface-emittinglasers:recent progress in GaN-based vertical cavity surface-emitting lasersand GaN-/ZnO-based polariton lasers.Proc.IEEE 98(7),1220-1233(2010))。但是目前的研究主要集中在固定波长的光源，即一个器件只能发出单一波长的光。而市场对波长可调谐的光源有着较大的需求。
通常GaN基发光器件的发光波长是由有源区组成和结构所决定的。为了实现发光波长可调谐的器件，传统的做法采用量子阱结构，为了实现可调谐，一般采用以下几种方法：在外延生长时外延不同发光波长的量子阱；将不同发光波长的器件堆叠键合在一个衬底上([2]J.Chun,K.J.Lee,Y.C.Leem,W.M.Kang,T.Jeong,J.H.Baek,H.J.Lee,B.J.Kim,andS.J.Park,ACS applied materials&interfaces,6(22):19482-19487(2014))；在一个衬底上制作不同发光波长的纳米器件阵列，分别注入电流控制发光波长等([3]R.Wang,Y.H.Ra,Y.Wu,S.R.Zhao,H.P.T.Nguyen,I.Shih and Z.T.Mi,Proc.of SPIE Vol.,9748:97481S-1(2016).)。但是这些都需要极其复杂的材料生长过程以及器件加工工艺，难以得到实际应用。而且目前为止还没有波长可调谐的GaN基面发射光源的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发光波长可调谐的GaN基垂直腔面发射光源。
本发明设有外延层，所述外延层从下至上依次为：衬底、下介质膜分布布拉格反射镜(下DBR)、ITO电流扩展层、p型Cr/Au电极、SiO2电流限制层、p型GaN、量子点有源层、n型GaN、n型Cr/Au电极和上介质膜分布布拉格反射镜(上DBR)。
所述衬底为铜衬底，所述下介质膜分布布拉格反射镜(下DBR)掩埋在铜衬底上。
所述外延层为蓝宝石衬底上生长具有量子点有源区结构的外延层，在外延层上依次生长未掺杂的u-GaN外延层、n型GaN外延层、量子点有源层、p型GaN外延层；所述InGaN量子点具有不同的尺寸分布。
所述量子点有源层为SK模式生长InGaN/GaN量子点有源层，量子点InGaN可为InxGa1-xN量子点，其中，0<x<1。
本发明具有以下特点：
1)使用量子点作为有源区，具有很宽的增益谱。所述量子点为InxGa1-xN量子点，其中，0<x<1。而且量子点具有不同的尺寸分布，使得有源区具有较宽的增益谱。小电流下大量子点被激发，增益集中在长波长；大电流下小量子点被激发，增益集中在短波长，增益具有电流调可制特性。
2)使用较长腔长，使多个腔模能够在谐振腔内同时谐振，实现多模激射。
3)有源区使用的量子点具有不同的尺寸分布，增益具有电流调制特性，大电流下增益谱向短波长移动。
4)中不同波长的腔模有不同的光场分布。光场驻波波腹与有源区耦合的模式为强耦合模式，发光被增强。光场驻波波节与有源区耦合的模式为弱耦合模式，发光被抑制。
5)中，激光器的发光波长在强耦合模式之间可调谐，发光波长随着注入电流的变化在黄绿光到紫光范围内变化。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提出一种新的发光波长可调谐面发射光源的制备方案。使用具有不同尺寸量子点作为有源区，得到了可调谐的增益特性，结合谐振腔效应，得到了发光波长在强耦合模式之间可调谐的输出特性。发光波长调谐范围从黄绿光到紫光，实现了大范围调谐。相比于以往制作可调谐发光器件的方法，本发明不需要复杂的材料生长以及期间制作工艺，大大简化了工艺过程以及器件制作难度，并且提高了发光波长的调谐范围。
附图说明
图1为所使用氮化镓基量子点外延片结构示意图。
图2为本发明实施例的的剖面示意图。
图3为本发明实施例在低电流20μA下发光光谱。
图4为本发明实施例在中等电流1mA下发光光谱。
图5为本发明实施例在大电流20mA下发光光谱。
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，以下结合附图，对本发明的工艺流程进一步详细说明。
1)如图1所示，使用MOCVD方法在蓝宝石衬底11上生长具有量子点有源区结构的外延层：依次生长未掺杂的u-GaN外延层12、n型GaN外延层13、SK模式生长InGaN/GaN量子点有源层14、p型GaN外延层15。InGaN量子点具有不同的尺寸分布。在图1中，标记A为材料生长方向。
2)以图1所示外延片制作可调谐面发射光源器件，器件剖面结构图如图2所示。器件从下至上依次为：通过电镀制作的铜衬底21、掩埋在衬底中的下介质膜分布布拉格反射镜(下DBR)22、ITO电流扩展层23、p型Cr/Au电极24、SiO2电流限制层25、p型GaN15、量子点有源区14、n型GaN13、n型Cr/Au电极26、上介质膜分布布拉格反射镜(上DBR)27。
3)图3所示为发光波长可调谐GaN基面发射光源在小注入电流20μA下发光光谱，发光主要集中在564nm，为黄绿光。
4)图4所示为发光波长可调谐GaN基面发射光源在中等注入电流1mA下发光光谱，发光分布在黄绿光(564nm)、蓝绿光(490nm)、紫光(425nm)几个特定的强耦合波长。
5)图5所示为发光波长可调谐GaN基面发射光源在中等注入电流20mA下发光光谱，发光分布在紫光区域(425nm)。
本发明使用具有不同尺寸量子点作为有源区，得到了可调谐的增益特性，结合谐振腔效应，得到了发光波长在强耦合模式之间可调谐的输出特性。发光波长调谐范围从黄绿光到紫光，实现了大范围调谐。相比于以往制作可调谐发光器件的方法，本发明不需要复杂的材料生长以及期间制作工艺，大大简化了工艺过程以及器件制作难度，并且提高了发光波长的调谐范围，有着广泛的用用前景。
本发明实现了发光波长在黄绿光到紫光范围可调谐的GaN基垂直腔面发射光源。该光源的发光波长可由注入电流控制实现大范围调谐。这在全色显示、医疗应用、多通道高带宽光通信等领域中有广泛的应用前景。

Claims (6)

1.一种发光波长可调谐的GaN基垂直腔面发射光源，其特征在于设有外延层，所述外延层从下至上依次为：衬底、下介质膜分布布拉格反射镜、ITO电流扩展层、p型Cr/Au电极、SiO2电流限制层、p型GaN、量子点有源层、n型GaN、n型Cr/Au电极和上介质膜分布布拉格反射镜。
2.如权利要求1所述一种发光波长可调谐的GaN基垂直腔面发射光源，其特征在于所述衬底为铜衬底。
3.如权利要求1所述一种发光波长可调谐的GaN基垂直腔面发射光源，其特征在于所述下介质膜分布布拉格反射镜掩埋在衬底上。
4.如权利要求1所述一种发光波长可调谐的GaN基垂直腔面发射光源，其特征在于所述外延层为蓝宝石衬底上生长具有量子点有源区结构的外延层，在外延层上依次生长未掺杂的u-GaN外延层、n型GaN外延层、量子点有源层、p型GaN外延层。
5.如权利要求1所述一种发光波长可调谐的GaN基垂直腔面发射光源，其特征在于所述量子点有源层为SK模式生长InGaN/GaN量子点有源层。
6.如权利要求5所述一种发光波长可调谐的GaN基垂直腔面发射光源，其特征在于所述量子点InGaN为InxGa1-xN量子点，其中，0<x<1。
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