CN108736317B - 一种发光二极管外延结构及其矩阵式激光器器件 - Google Patents

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Abstract

本发明通过设置BAlGaAs/BInGaAs‑QW有源层，并在内掺杂有硼，以及设置P﹣BAlGaAs/BGaAs‑DBR层和P+GaAs帽层的厚度，好让电子和电洞有足够的空间，增强发光效率；通过采用钛涂覆的低成本硅衬片层,组成TiSi片，来生长长波段红光，不仅能让二极管变得易于扩展，还能结合钛金属层带来的诸多优势，包括更高的反射、更好的热耗散，还能使BAlGaAs/BInGaAs‑QW有源层仍能保持效率毫无衰减地作业；通过在BAlGaAs/BInGaAs‑QW有源层两侧各设置一层DBR，使N﹣BAlGaAs/BGaAs‑DBR层和所述P﹣BAlGaAs/BGaAs‑DBR层构成F‑P谐振腔，对BAlGaAs/BInGaAs‑QW有源层发出的光进行调制，使得更多的光能量达到能发射出来的发射角，因而提高了出光效率，发光效率可以达到单层DBR层的20倍；通过设置矩阵式的激光器器件，满足了高功率及超高功率应用的需求，最大功率可以达到500瓦。

Description

一种发光二极管外延结构及其矩阵式激光器器件
技术领域
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种发光二极管外延结构及其矩阵式激光器器件。
背景技术
大功率发光二极管主要用在测距、定向、夜视、空间通讯等方面，在近年来得到了广泛的应用。现有的垂直结构vcsel激光器，普遍光效低，没有形成矩阵的超大功率，大功率发光二极管的核心器件为其外延结构。通常半导体由带有正电性质的P型半导体和带有电子的N型半导体组合，通电后具有正电性质的电洞(hole)将和电子(electron)结合并产生光，带有正电性质的P型半导体和带有电子的N型半导体之间所使用的材质将决定波长的长短。电子和电洞移动到中间位置时，有太多的电子同时被挤压到中间位置，会使其相互碰撞、无法有效的和电洞结合，降低发光效率，而这种情形又称之为欧格再结合(Augerrecombination)。而要解决这项问题的办法是增加中间层的厚度，好让电子和电洞有足够的空间，达到较高的发光效率。
同时，传统的单只垂直结构vcsel激光器，瓦数偏小，无法满足高功率及超高功率应用的需要。
发明内容
本发明实施例提供了一种发光二极管外延结构及其矩阵式激光器器件，旨在解决现有激光器发光效率低、反射高、热耗散高且电流注入低的问题。
本发明是这样实现的：
一种发光二极管外延结构，包括带有正电性质的P型半导体、中间层以及带有电子的N型半导体，中间层包括从下到上依次设置的硅衬片层、AlGaAs过渡层、N﹣GaAs缓冲层、N﹣BAlGaAs/BGaAs-DBR层、BAlGaAs/BInGaAs-QW有源层、P+GaAs帽层和P﹣BAlGaAs/BGaAs-DBR层，所述硅衬片层上表面涂覆有钛层，所述BAlGaAs/BInGaAs-QW有源层内掺杂有硼，所述硅衬片层上表面采用高温涂覆钛层，所述硅衬片层和所述钛层一体成型，形成TiSi片，所述硅衬片层的长度大于所述AlGaAs过渡层、N﹣GaAs缓冲层、N﹣BAlGaAs/BGaAs-DBR层、BAlGaAs/BInGaAs-QW有源层、P+GaAs帽层和P﹣BAlGaAs/BGaAs-DBR层的长度。
在本具体实施例中还包括，所述BAlGaAs/BInGaAs-QW有源层内掺杂的硼，掺杂质量比为十万分之一至万分之一。
在本具体实施例中还包括，所述BAlGaAs/BInGaAs-QW有源层的厚度为一个波长，所述P﹣BAlGaAs/BGaAs-DBR层的厚度为1.8um-3.2um，所述P+GaAs帽层的厚度为1.2um。
在本具体实施例中还包括，所述N﹣BAlGaAs/BGaAs-DBR层和所述P﹣BAlGaAs/BGaAs-DBR层构成F-P谐振腔。
在本具体实施例中还包括，所述发光二极管生长的长波段红光的注入电流值为120A/cm2。
本发明还提供了另一种矩阵式激光器器件，包括若干激光器，所述激光器呈矩阵排列，所述矩阵为A行*B列，所述激光器为vcsel激光器，其中，
A行为1,2,3,4,5……M中的任一个；
B列为1,2,3,4,5……N中的任一个；
各所述若干激光器包括如上述发光二极管外延结构，所述发光二极管外延结构包括带有正电性质的P型半导体、中间层以及带有电子的N型半导体。
在本具体实施例中还包括，所述M和N均为大于或等于10的正整数。
本申请的有益效果为：1、通过设置BAlGaAs/BInGaAs-QW有源层，并在内掺杂有硼和砷化铟镓，以及设置P﹣BAlGaAs/BGaAs-DBR层和P+GaAs帽层的厚度，增加中间层的厚度，好让电子和电洞有足够的空间，增强发光效率；2、通过采用钛涂覆的低成本硅衬片层,组成TiSi片，来生长长波段红光，在高达120A/cm2的注入电流下，不仅能让二极管变得易于扩展，还能结合钛金属层带来的诸多优势，包括更高的反射、更好的热耗散，还能使BAlGaAs/BInGaAs-QW有源层仍能保持效率毫无衰减地作业；3、通过在BAlGaAs/BInGaAs-QW有源层两侧各设置一层DBR，使N﹣BAlGaAs/BGaAs-DBR层和所述P﹣BAlGaAs/BGaAs-DBR层构成F-P谐振腔，对BAlGaAs/BInGaAs-QW有源层发出的光进行调制，使得更多的光能量达到能发射出来的发射角，因而提高了出光效率，发光效率可以达到单层DBR层的20倍；4、通过设置矩阵式的激光器器件，满足了高功率及超高功率应用的需求，最大功率可以达到500瓦。
附图说明
图1是本发明发光二极管外延结构的结构示意图；
图2是本发明发光二极管外延结构的中间层结构示意图；
图3是本发明激光器器件整体外观示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细描述：
如图1-2所示，本发明提供了一种发光二极管外延结构，包括带有正电性质的P型半导体1、中间层2以及带有电子的N型半导体3。其中，带有正电性质的P型半导体1是在4价si中掺入3价硼元素，形成以空穴载流子为主，少数载流子为电子。带有电子的N型半导体3是在4价si中掺入5价磷元素，形成以电子载流子为主的M型半导体，多数载流子为电子，少数载流子为空穴。带有正电性质的P型半导体1以及带有电子的N型半导体3通电后具有正电性质的电洞(hole)会和电子(electron)结合并产生光。
进一步地，所述中间层3包括从下到上依次设置的硅衬片层31、AlGaAs过渡层32、N﹣GaAs缓冲层33、N﹣BAlGaAs/BGaAs-DBR层34、BAlGaAs/BInGaAs-QW有源层35、P+GaAs帽层36和P﹣BAlGaAs/BGaAs-DBR层37，所述硅衬片层31上表面涂覆有钛层311，所述BAlGaAs/BInGaAs-QW有源层35内掺杂有硼。
在本具体实施例中还包括，所述硅衬片层31上表面采用高温涂覆钛层311，硅衬片层31和钛层一体成型311，形成TiSi片。具体地，钛是一种银白色的过渡金属，其特征为重量轻、强度高、具金属光泽，耐湿氯气腐蚀，可以进一步防止激光器腐蚀失去光泽。通过采用钛涂覆的低成本硅衬片层,组成TiSi片，来生长长波段红光，在高达120A/cm2的注入电流下，不仅能让二极管变得易于扩展，还能结合TiSi片带来的诸多优势，包括更高的反射、更好的热耗散，还能使BAlGaAs/BInGaAs-QW有源层35仍能保持效率毫无衰减地作业具体地，所述硅衬片层31的长度大于所述AlGaAs过渡层32、N﹣GaAs缓冲层33、N﹣BAlGaAs/BGaAs-DBR层34、BAlGaAs/BInGaAs-QW有源层35、P+GaAs帽层36和P﹣BAlGaAs/BGaAs-DBR层37的长度。
在本具体实施例中还包括，所述BAlGaAs/BInGaAs-QW有源层内掺杂的硼，掺杂质量比为十万分之一至万分之一。
优选地，所述BAlGaAs/BInGaAs-QW有源层35的厚度为一个波长，P﹣BAlGaAs/BGaAs-DBR层37的厚度为1.8um-3.2um，P+GaAs帽层36的厚度为1.2um。
具体地，通过设置所述BAlGaAs/BInGaAs-QW有源层35，并在内掺杂有硼，以及设置P﹣BAlGaAs/BGaAs-DBR层37和P+GaAs帽层36的厚度，增加中间层3的厚度，好让电子和电洞有足够的空间，防止太多的电子被挤压到中间层，以利于电子和电洞的结合，增强发光效率。
在本具体实施例中还包括，所述N﹣BAlGaAs/BGaAs-DBR层34和所述P﹣BAlGaAs/BGaAs-DBR层37构成F-P谐振腔。通过在BAlGaAs/BInGaAs-QW有源层35两侧各设置一层DBR，使N﹣BAlGaAs/BGaAs-DBR层34和所述P﹣BAlGaAs/BGaAs-DBR层37构成F-P谐振腔，对BAlGaAs/BInGaAs-QW有源层35发出的光进行调制，使得更多的光能量达到能发射出来的发射角，因而提高了出光效率，发光效率可以达到单层DBR层的20倍。
在本具体实施例中还包括，所述发光二极管外延结构的生长的长波段红光的注入电流值为120A/cm2。
如图3所示，本发明还提供了另一种矩阵式激光器器件100，包括若干激光器110，所述激光器110呈矩阵排列，矩阵为A行*B列，所述激光器110为vcsel激光器，其中，
A行为1,2,3,4,5……M中的任一个；
B列为1,2,3,4,5……N中的任一个。
具体地，vcsel激光器110的激光垂直于顶面射出，与一般用切开的独立芯片制成，激光由边缘射出的边射型激光有所不同。在本具体实施例中，vcsel激光器110主要由三部分组成，即激光工作物质、崩浦源和光学谐振腔。工作物质是发出激光的物质，但不是任何时刻都能发出激光，必须经过崩浦源对其进行激励，形成粒子数反转，发出激光，同时经过光学谐振腔内放大与震荡，形成垂直腔面的激光发射，从而得到稳定持续的高质量激光。vcsel激光器具有体积小、圆形输出光斑、单纵模输出、阈值电流小、价格低廉、易集成为大面积阵列等优点，广泛应用与光通信、光互连、光存储等领域。
在本具体实施例中还包括，所述M和N均为大于或等于10的正整数。如：10*50＝500个组成的矩阵，20*50＝1000个组成的矩阵，15*15＝225个组成的矩阵，13*13＝169个组成的矩阵，16*16＝256个组成的矩阵，14*14＝196个组成的矩阵，15*20＝300个组成的矩阵，20*18＝360个组成的矩阵，20*19＝380个组成的矩阵，20*20＝400个组成的矩阵，20*25＝500个组成的矩阵，20*30＝600个组成的矩阵，20*40＝800个组成的矩阵，20*50＝1000个组成的矩阵，30*30＝900个组成的阵列，40*40＝1600个组成的阵列，50*50＝2500个组成的阵列等等，通过设置矩阵式的激光器器件100，满足了高功率及超高功率应用的需求，最大功率可以达到500瓦。
进一步地，各所述若干激光器110包括发光二极管外延结构，发光二极管外延结构包括带有正电性质的P型半导体1、中间层2以及带有电子的N型半导体3。其中，带有正电性质的P型半导体1是在4价si中掺入3价硼元素，形成以空穴载流子为主，少数载流子为电子。带有电子的N型半导体3是在4价si中掺入5价磷元素，形成以电子载流子为主的M型半导体，多数载流子为电子，少数载流子为空穴。带有正电性质的P型半导体1以及带有电子的N型半导体3通电后具有正电性质的电洞(hole)会和电子(electron)结合并产生光。
进一步地，所述中间层3包括从下到上依次设置的硅衬片层31、AlGaAs过渡层32、N﹣GaAs缓冲层33、N﹣BAlGaAs/BGaAs-DBR层34、BAlGaAs/BInGaAs-QW有源层35、P+GaAs帽层36和P﹣BAlGaAs/BGaAs-DBR层37，所述硅衬片层31上表面涂覆有钛层311，所述BAlGaAs/BInGaAs-QW有源层35内掺杂有硼。
在本具体实施例中还包括，所述硅衬片层31上表面采用高温涂覆钛层311，硅衬片层31和钛层一体成型311，形成TiSi片。具体地，钛是一种银白色的过渡金属，其特征为重量轻、强度高、具金属光泽，耐湿氯气腐蚀，可以进一步防止激光器腐蚀失去光泽。通过采用钛涂覆的低成本硅衬片层,组成TiSi片，来生长长波段红光，在高达120A/cm2的注入电流下，不仅能让二极管变得易于扩展，还能结合TiSi片带来的诸多优势，包括更高的反射、更好的热耗散，还能使BAlGaAs/BInGaAs-QW有源层35仍能保持效率毫无衰减地作业具体地，所述硅衬片层31的长度大于所述AlGaAs过渡层32、N﹣GaAs缓冲层33、N﹣BAlGaAs/BGaAs-DBR层34、BAlGaAs/BInGaAs-QW有源层35、P+GaAs帽层36和P﹣BAlGaAs/BGaAs-DBR层37的长度。
在本具体实施例中还包括，所述BAlGaAs/BInGaAs-QW有源层内掺杂的硼，掺杂质量比为十万分之一至万分之一。
优选地，所述BAlGaAs/BInGaAs-QW有源层35的厚度为一个波长，P﹣BAlGaAs/BGaAs-DBR层37的厚度为1.8um-3.2um，P+GaAs帽层36的厚度为1.2um。
具体地，通过设置所述BAlGaAs/BInGaAs-QW有源层35，并在内掺杂有硼，以及设置P﹣BAlGaAs/BGaAs-DBR层37和P+GaAs帽层36的厚度，增加中间层3的厚度，好让电子和电洞有足够的空间，防止太多的电子被挤压到中间层，以利于电子和电洞的结合，增强发光效率。
在本具体实施例中还包括，所述N﹣BAlGaAs/BGaAs-DBR层34和所述P﹣BAlGaAs/BGaAs-DBR层37构成F-P谐振腔。通过在BAlGaAs/BInGaAs-QW有源层35两侧各设置一层DBR，使N﹣BAlGaAs/BGaAs-DBR层34和所述P﹣BAlGaAs/BGaAs-DBR层37构成F-P谐振腔，对BAlGaAs/BInGaAs-QW有源层35发出的光进行调制，使得更多的光能量达到能发射出来的发射角，因而提高了出光效率，发光效率可以达到单层DBR层的20倍。
在本具体实施例中还包括，所述发光二极管外延结构生长的长波段红光的注入电流值为120A/cm2。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“内”、“上表面”、“上”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的单元或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设有”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已描述了本申请实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请实施例范围的所有变更和修改。
最后，还需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
以上对本申请所提供的一种身体信息检测设备及跌倒检测系统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (7)

1.一种发光二极管外延结构，包括带有正电性质的P型半导体、中间层以及带有电子的N型半导体，其特征在于，所述中间层包括从下到上依次设置的硅衬片层、AlGaAs过渡层、N﹣GaAs缓冲层、N﹣BAlGaAs/BGaAs-DBR层、BAlGaAs/BInGaAs-QW有源层、P+GaAs帽层和P﹣BAlGaAs/BGaAs-DBR层，所述硅衬片层上表面涂覆有钛层，所述BAlGaAs/BInGaAs-QW有源层内掺杂有硼,所述硅衬片层上表面采用高温涂覆钛层，所述硅衬片层和所述钛层一体成型，形成TiSi片；所述硅衬片层的长度大于所述AlGaAs过渡层、N﹣GaAs缓冲层、N﹣BAlGaAs/BGaAs-DBR层、BAlGaAs/BInGaAs-QW有源层、P+GaAs帽层和P﹣BAlGaAs/BGaAs-DBR层的长度。
2.根据权利要求1所述的发光二极管外延结构，其特征在于，所述BAlGaAs/BInGaAs-QW有源层内掺杂的硼，掺杂质量比为十万分之一至万分之一。
3.根据权利要求1所述的发光二极管外延结构，其特征在于，所述BAlGaAs/BInGaAs-QW有源层的厚度为一个波长，所述P﹣BAlGaAs/BGaAs-DBR层的厚度为1.8um-3.2um，所述P+GaAs帽层的厚度为1.2um。
4.根据权利要求1所述的发光二极管外延结构，其特征在于，所述N﹣BAlGaAs/BGaAs-DBR层和所述P﹣BAlGaAs/BGaAs-DBR层构成F-P谐振腔。
5.根据权利要求1所述的发光二极管外延结构，其特征在于，所述发光二极管外延结构生长的长波段红光的注入电流值为120A/cm2。
6.一种矩阵式激光器器件，包括若干激光器，其特征在于，所述激光器呈矩阵排列，所述矩阵为A行*B列，所述激光器为vcsel激光器，其中，
A行为1,2,3,4,5……M中的任一个；
B列为1,2,3,4,5……N中的任一个；
各所述若干激光器包括如 权利要求1-5任一项所述的发光二极管外延结构，所述发光二极管外延结构包括带有正电性质的P型半导体、中间层以及带有电子的N型半导体。
7.根据权利要求6所述的一种矩阵式激光器器件，其特征在于，所述M和N均为大于或等于10的正整数。
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