CN109449759B - 可提高量子阱光吸收率的激光器及其制备方法 - Google Patents

可提高量子阱光吸收率的激光器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可提高量子阱光吸收率的激光器及其制备方法，其激光器包括：依次层叠于n型GaN衬底上的n型金属层、n型GaN缓冲层、n型下限制层、n型下波导层、量子阱层、p型上波导层、p型上限制层、p型GaN接触层、p型金属层，其中，在所述量子阱层中周期排列有洋葱状的碳小球。所述洋葱状的碳小球直径为0.7‑1.0nm。本发明通过将周期性排列的洋葱状的碳小球设置于量子阱中，形成表面等离子激元效应，从而对泵浦源对应波长形成吸收增强，而特定波长的吸收增强不会对产生的激光形成影响。对泵浦光的利用率增加使得有源区的焦耳热大幅降低，有效地延长了激光器的使用寿命。

Description

可提高量子阱光吸收率的激光器及其制备方法
技术领域
本发明涉及激光器领域，尤其涉及一种可提高量子阱光吸收率的激光器及其制备方法。
背景技术
光泵浦半导体激光器是近年来发展迅速的一种新型激光器，它兼备了二极管泵浦固体激光器和半导体垂直腔面发射激光器的优点，如高功率、单模、输出圆对称光斑和易于腔内倍频等。对于光泵浦半导体激光器，随着泵浦功率密度的增加，器件的工作温度升高,导致载流子直接跳出量子阱进入势垒，产生非辐射复合，引起输出功率下降。同时温度升高，产生的光生载流子迁移率大大降低，致使部分光生载流子不能扩散到量子阱，而是在势垒或吸收层发生复合。这使得光泵浦半导体激光器对泵浦源的吸收率有限。
以蓝光激光器为例，850nm的激光器是在GaN衬底上生长InGaN窗口层作为表面限制层，阻止产生的载流子在表面复合，同时也作为刻蚀阻挡层。AlGaN作为吸收层，吸收泵浦光，产生光生载流子。AlGaN和InGaN构成量子阱结构，它们与AlGaN层构成增益区，一般生长12-14个周期，保证有足够的光增益。每个周期的AlGaN层的厚度是一样的，但是量子阱对于泵浦光的吸收能力按指数规律递减，第一个周期可吸收9％左右的泵浦光，最后一个周期只能吸收2％-3％的泵浦光。因此增加量子阱厚度不仅不利于量子阱散热，也无法提高量子阱区域对泵浦光的利用率。
另一种通过增加泵浦功率密度来提高对泵浦光利用率的方法也存在两个问题一是引起量子阱中的载流子热逸出；二是由于泵浦功率密度的增加，在吸收层产生的大部分光生载流子没有扩散进量子阱区，而是进入势垒层或在吸收层发生非辐射复合。无法提高有源区对泵浦光的吸收。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的首要目的是提供一种可提高量子阱光吸收率的激光器及其制备方法。基于上述目的，本发明至少提供如下技术方案：
可提高量子阱光吸收率的激光器，其包括：依次层叠于n型GaN衬底上的n型金属层、n型GaN缓冲层、n型下限制层、n型下波导层、量子阱层、p型上波导层、p型上限制层、p型GaN接触层、p型金属层，其中，在所述量子阱层中周期排列有洋葱状的碳小球。
进一步的，所述洋葱状的碳小球直径为0.7-1.0nm。
进一步的，所述洋葱状的小球周期性单层排列于所述量子阱的阱层底部。
进一步的，所述量子阱的数量为4层。
进一步的，所述n型下限制层为n型AlGaN，所述n型下限制层的厚度为1.2微米，所述n型下波导层为i-AlGaN，所述n型下波导层的厚度为0.15微米，p型上限制层为p型AlGaN，所述p型上限制层的厚度为1.2微米，所述p型上波导层为i-AlGaN，所述p型上波导层的厚度为0.15微米。
进一步的，所述n型GaN缓冲层的掺杂浓度为1.2×1018，n型下限制层及p型上限制层的掺杂浓度为1.2×1018；p型GaN接触层的掺杂浓度为4×1019，p型上限制层为未掺杂本征半导体。
可提高量子阱光吸收率的激光器的制备方法，其包括以下步骤，
在n型GaN衬底上依次外延生长n型GaN缓冲层、n型下限制层、n型下波导层、量子阱层、p型上波导层、p型上限制层、p型GaN接触层；
其中在生长量子阱的阱层之前，采用化学气相沉积法生长洋葱状的碳小球，从而使洋葱状的碳小球周期排列于量子阱层中。
进一步的，所述采用化学气相沉积法生长洋葱状的碳小球，具体包括：
将钴催化剂和Co-SiO2催化剂处于射频等离子体下，用氢气作载气使甲烷气体连续流经反应室，氢气和甲烷以20：1混合并保持流量850ml/min，气压控制在133Pa左右，保持温度573K，射频功率为50w，输出电压为35～50V，间隙生长15h。
进一步的，所述洋葱状的碳小球直径为0.7-1.0nm。
进一步的，所述n型下限制层的材料为n型AlGaN，所述n型下限制层的生长厚度为1.2微米，所述n型下波导层的材料为i-AlGaN，所述n型下波导层的生长厚度为0.15微米，p型上限制层的材料为p型AlGaN，所述p型上限制层的生长厚度为1.2微米，所述p型上波导层的材料为i-AlGaN，所述p型上波导层的生长厚度为0.15微米。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少如下：
利用等离子基元效应，通过将周期性排列的洋葱状的碳小球设置于量子阱中，形成表面等离子激元效应，从而对泵浦源对应波长形成吸收增强，而特定波长的吸收增强不会对产生的激光形成影响。对泵浦光的利用率增加使得有源区的焦耳热大幅降低，有效地延长了激光器的使用寿命。
附图说明
图1为本发明激光器的结构示意图。
图2为本发明激光器中量子阱结构剖面示意图。
101是N型金属层，102是n型GaN衬底，103是n型GaN缓冲层，104是n型下限制层，105是n型下波导层，106是量子阱层，107是p型上波导层，108是p型上限制层，109是p型GaN接触层，110是P型金属层，201、204、206、208是AlGaN垒层，202、205、207、209是In GaN阱层，203是洋葱状的碳小球。
具体实施方式
以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。
如图1所示，本发明公开了一种可提高量子阱光吸收率的激光器，其包括依次层叠于n型GaN衬底102表面上的n型GaN缓冲层103、n型下限制层104、n型下波导层105、量子阱层106、p型上波导层107、p型上限制层108、p型GaN接触层109、p型金属层110，在GaN衬底102的背面设置有n型金属层101，其中，在所述量子阱层中周期排列有芯-壳状的小球。所述n型下限制层104为n型AlGaN，所述n型下限制层的厚度为1.2微米，所述n型下波导层105为i-AlGaN，所述n型下波导层的厚度为0.15微米，p型上限制层108为p型AlGaN，所述p型上限制层的厚度为1.2微米，所述p型上波导层107为i-AlGaN，所述p型上波导层的厚度为0.15微米。n型GaN衬底以及n型GaN缓冲层的掺杂浓度为2×1018；n型下限制层104及p-AlGaN上限制层108的掺杂浓度为1.2×1018；p-GaN接触层109的掺杂浓度为4×1019；i-AlGaN p-上波导层107，p-AlGaN上限制层108为未掺杂本征半导体。
图2所示了本发明激光器中量子阱的剖面结构，其中，201,202/204,205/206,207/208,209为四层量子阱结构，层201、204、206及208为四层量子阱中的垒层，层202、205、207及209为四层量子阱中的阱层，其中垒层为AlGaN材料，阱层为InGaN材料。如图所示，在量子阱的阱层底部设置有呈周期性单层排列的大小为0.7-1.0nm的洋葱状的碳小球，从而能够在量子阱中形成表面等离子基元效应，对泵浦源对应波长形成吸收增强，对泵浦光的利用率增加使得有源区的焦耳热大幅降低，有效地延长了激光器的使用寿命。
依据上述可提高量子阱光吸收率的激光器，该激光器的制备方法如下：
(1)运用有机金属化学气相沉积设备在450微米厚的n-GaN衬底102上生长一层1微米厚的n-GaN缓冲层103。
(2)在n-GaN缓冲层上生长一层厚度为1.2微米的n-AlGaN n-下限制层104。
(3)在n-AlGaN下限制层上生长一层厚度为0.15微米的i-AlGaN n-下波导层105。
(4)在i-AlGaN的n-下波导层上生长厚度为0.015微米的4层InGaN/AlGaN交替生长量子阱层106。
(5)在i-In GaN的量子阱层上生长厚度为0.15微米的i-AlGaN p-上波导层107。
(6)在i-AlGaN的p-上波导层上生长厚度为1.2微米的p-AlGaN上限制层108。
(7)在p-AlGaN上限制层上生长厚度为0.15微米的p-GaN接触层109。
(8)在器件下上两侧分别镀上N-金属层101及P-金属层110。
203为洋葱碳小球，其排列周期和大小均可按实际应用需求进行调节，其形状包括但不限于球形。在该实施例中，在生长量子阱的阱层之前，先采用化学气相沉积法生长洋葱状碳小球，将钴催化剂和Co-SiO2催化剂处于射频等离子体下，用氢气作载气使甲烷气体连续流经反应室，氢气和甲烷以20：1混合并保持流量850ml/min，气压控制在133Pa左右，保持温度573K，射频功率为50W，输出电压为35～50V的环境下生长。生长形成洋葱状的碳小球的直径为0.7-1.0nm。
本实施例n-GaN衬底102及n-GaN缓冲层103掺杂浓度为2×1018，n-AlGaN n-下限制层104及p-AlGaN上限制层108的掺杂浓度为1.2×1018，p-GaN接触层109的掺杂浓度为4×1019，InGaN/AlGaN量子阱层106，i-AlGaN p型上波导层107，p-AlGaN上限制层108为未掺杂本征半导体。
其中量子阱层106结构示意图如图2所示，在该实施例中其量子阱层的数量为4层，但其量子阱层数不限于本例所给出的。201,202/204,205/206,207/208,209为图示给出的四层量子阱的垒层及阱层，在本例中其材料分别为为AlGaN及InGaN，其中Al及In掺杂可根据实际需求进行调整。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.可提高量子阱光吸收率的激光器，其包括：依次层叠于n型GaN衬底上的n型GaN缓冲层、n型下限制层、n型下波导层、量子阱层、p型上波导层、p型上限制层、p型GaN接触层、p型金属层，其中，在所述量子阱层中周期排列有洋葱状的碳小球，所述量子阱具有阱层/垒层的结构，所述洋葱状的碳小球周期性单层排列于所述量子阱的阱层底部，所述碳小球的直径为0.7-1.0nm。
2.根据权利要求1的所述激光器，其特征在于，所述量子阱的数量为4层。
3.根据权利要求1或2的所述激光器，其特征在于，所述n型下限制层为n型AlGaN，所述n型下限制层的厚度为1.2微米，所述n型下波导层为i-AlGaN，所述n型下波导层的厚度为0.15微米，p型上限制层为p型AlGaN，所述p型上限制层的厚度为1.2微米，所述p型上波导层为i-AlGaN，所述p型上波导层的厚度为0.15微米。
4.根据权利要求3的所述激光器，其特征在于，所述n型GaN缓冲层的掺杂浓度为1.2×1018，n型下限制层及p型上限制层的掺杂浓度为1.2×1018；p型GaN接触层的掺杂浓度为4×1019，p型上限制层为未掺杂本征半导体。
5.可提高量子阱光吸收率的激光器的制备方法，其包括以下步骤，
在n型GaN衬底上依次外延生长n型GaN缓冲层、n型下限制层、n型下波导层、量子阱层、p型上波导层、p型上限制层、p型GaN接触层；其中，所述量子阱具有阱层/垒层的结构；
在生长量子阱的阱层之前，采用化学气相沉积法生长洋葱状的碳小球，从而使洋葱状的碳小球周期排列于量子阱层中，所述采用化学气相沉积法生长洋葱状的碳小球，具体包括：
将钴催化剂和Co-SiO2催化剂处于射频等离子体下，用氢气作载气使甲烷气体连续流经反应室，氢气和甲烷以20：1混合并保持流量850ml/min，气压控制在133Pa左右，保持温度573K，射频功率为50w，输出电压为35～50V；所述洋葱状的碳小球直径为0.7-1.0nm。
6.根据权利要求5的所述制备方法，其特征在于，所述n型下限制层的材料为n型AlGaN，所述n型下限制层的生长厚度为1.2微米，所述n型下波导层的材料为i-AlGaN，所述n型下波导层的生长厚度为0.15微米，p型上限制层的材料为p型AlGaN，所述p型上限制层的生长厚度为1.2微米，所述p型上波导层的材料为i-AlGaN，所述p型上波导层的生长厚度为0.15微米。
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