CN111355124A - 一种分布式布拉格反射镜激光器 - Google Patents

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刘向英
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Abstract

本发明涉及一种分布式布拉格反射镜激光器，该结构自下而上依次包括：衬底层；过渡层；第一分布式布拉格反射镜层；n型Ge半导体层；n型Ge掺杂层；量子阱发光层；电子阻挡层；p型Ge掺杂层；p型Ge半导体层；第二分布式布拉格反射镜层。本发明的激光器结构通过将第一分布式布拉格反射镜和第二分布式布拉格反射镜中高折射率材料和低折射率材料设置为渐变折射率材料，通过改变材料的内在结构，调整其有效折射率，可以增加高折射率材料和低折射率材料之间的折射率差异，从而大大提高DBR的性能，降低成本。

Description

一种分布式布拉格反射镜激光器
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种分布式布拉格反射镜激光器。
背景技术
半导体激光器具有能量转换效率高、易于进行高速电流调制、超小型化、结构简单、使用寿命才长等突出特点，已被考虑到光电集成的应用中。随着锗在硅上外延生长的技术的提高，锗半导体材料成为研究的热点，特别是用锗材料制备激光器作为片上光源更是研究的前沿。
然而锗材料基激光器采用法布里波罗谐振腔时，由于其波长较大，高反膜的镀膜层数也多，工艺难度大，且容易脱落。采用分布式布拉格反射镜时，通常采用的是一种高折射率材料和一种低折射率材料，高折射率材料，如TiO2，低折射率材料，如SiO2；然而，高折射率材料和低折射率材料的折射差异不够大，造成DBR的性能不够显著，为了提升DBR的性能，需要增加周期数，这样又会增加工艺成本。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种分布式布拉格反射镜激光器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种分布式布拉格反射镜激光器，包括：
衬底层；
过渡层；设置于所述衬底层上，所述过渡层下表面的折射率与所述衬底层的折射率匹配；
第一分布式布拉格反射镜层，设置于所述过渡层上；所述第一分布式布拉格反射镜层由高折射率材料层和低折射率材料层交替重复构成，其中，所述述高折射率材料层和/或低折射率材料层为渐变折射率材料层；
n型Ge半导体层；设置于所述第一分布式布拉格反射镜层上；
n型Ge掺杂层，设置于所述n型Ge半导体层上；
量子阱发光层，设置于所述n型Ge掺杂层上；
电子阻挡层，设置于所述量子阱发光层上；
p型Ge掺杂层，设置于所述电子阻挡层上；
p型Ge半导体层，设置于所述p型Ge掺杂层上；
第二分布式布拉格反射镜层，设置于所述p型Ge半导体层上，所述第二分布式布拉格反射镜层由高折射率材料层和低折射率材料层交替重复构成，其中，所述述高折射率材料层和/或低折射率材料层为渐变折射率材料层。
在本发明的一个实施例中，所述过渡层的厚度为100～800nm。
在本发明的一个实施例中，所述过渡层为单层、双层或多层。
在本发明的一个实施例中，所述过渡层由传统光学材料和/或渐变折射率材料组成。
在本发明的一个实施例中，所述高折射率材料层的折射率大于2，所述低折射率材料的折射率小于1.5。
在本发明的一个实施例中，所述高折射率材料层和低折射率材料层的单层厚度范围均为20～800nm。
在本发明的一个实施例中，所述第一分布式布拉格反射镜中高折射率材料层和低折射率材料层对数为3对。
在本发明的一个实施例中，所述第二分布式布拉格反射镜中高折射率材料层和低折射率材料层对数为6对。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.本发明的激光器结构通过将第一分布式布拉格反射镜和第二分布式布拉格反射镜中高折射率材料和低折射率材料设置为渐变折射率材料，通过改变材料的内在结构，调整其有效折射率，从而实现其最低有效折射率接近1，增加高折射率材料和低折射率材料之间的折射率差异，从而大大提高DBR的性能，降低成本。
2.本发明的激光器结构采用代替传统的FB谐振腔，使得加工简单、激光的单色性更好，而且可以降低工艺难度，也不容易脱落。
3.本发明通过在p型Ge掺杂层与量子阱发光层之间设置电子阻挡层，电子阻挡的材料为Alx1InyGa1-x1-yN，由于铝的势垒较高，从而可以使得电子阻挡层有效地阻止n型Ge半导体层产生的电子进入到P型Ge半导体层中，从而避免了电子与空穴在P型Ge半导体层中发生非辐射复合，从而避免了因电子的跃迁导致的空穴浓度的降低，改善了发光二极管的发光效率。
附图说明
图1为本发明分布式布拉格反射镜激光器示意图。
其中，1：衬底层；2、过渡层；3、第一分布式布拉格反射镜层；4、n型Ge半导体层；5、n型Ge掺杂层；6、量子阱发光层；7、电子阻挡层；8、p型Ge掺杂层；9、p型Ge半导体层；10、第二分布式布拉格反射镜层。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
请参见图1，图1为本发明分布式布拉格反射镜激光器示意图。本发明分布式布拉格反射镜激光器自下而上包括：衬底层1；过渡层2；第一分布式布拉格反射镜层3；n型Ge半导体层4；n型Ge掺杂层5；量子阱发光层6；电子阻挡层7；p型Ge掺杂层8；p型Ge半导体层9；第二分布式布拉格反射镜层10。其中，
衬底层1可以为氮化镓材料，其在可见光范围内的折射率为2.4～2.6。
根据衬底层1的光学性质，选择适当的过渡层2的材料，使得过渡层2的折射率和衬底层1的折射率相匹配。本发明的激光器结构中，过渡层2下表面的折射率与所述衬底层1的折射率匹配，这样可以将光从衬底层1中最大程度的耦合出来，确保从衬底层1来的光具有高透射低反射的特性。过渡层2由传统光学材料和/或渐变折射率材料组成，如过渡层2的材料可以由TiO2和SiO2组成，其中TiO2的折射率为2.6，SiO2为折射率渐变材料，通过镀膜工艺其折射率最低可以做到1.08。过渡层2的厚度为100～800nm。过渡层2为单层、双层或多层。
第一分布式布拉格反射镜层3和第二分布式布拉格反射镜层10结构相同，均由高折射率材料层和低折射率材料层交替重复构成，其中，所述述高折射率材料层和低折射率材料层可以均为渐变折射率材料层，也可以其中一种为渐变折射率材料层，另一种为传统光学材料；所述高折射率材料和低折射率材料可以为同一种材料，也可以是不同材料。若为同一种材料，则通过改变镀膜过程中的工艺参数，改变材料的有效折射率，实现高、低折射率值的不同。所述高折射率材料层和低折射率材料层的单层厚度范围均为30～600nm。
作为本发明的一种实施方式，第一分布式布拉格反射镜层3和第二分布式布拉格反射镜层10可以为高折射率材料TiO2和低折射率材料SiO2，高折射率材料TiO2采用传统的真空镀膜工艺制备，低折射率材料采用采用掠入射角镀膜工艺或者化学腐蚀工艺制备。
本发明的激光器结构中，第一分布式布拉格反射镜和第二分布式布拉格反射镜的周期可以有多对；作为本发明的一种实施方式，所述第一分布式布拉格反射镜中高折射率材料层和低折射率材料层对数为3对；所述第二分布式布拉格反射镜中高折射率材料层和低折射率材料层对数为6对。
本发明的激光器结构通过将第一分布式布拉格反射镜和第二分布式布拉格反射镜中高折射率材料和低折射率材料设置为渐变折射率材料，通过改变材料的内在结构，调整其有效折射率，从而实现其最低有效折射率接近1，增加高折射率材料和低折射率材料之间的折射率差异，从而大大提高DBR的性能，降低成本。本发明的激光器结构采用代替传统的FB谐振腔，使得加工简单、激光的单色性更好，而且可以降低工艺难度，也不容易脱落。
本发明的激光器结构中，n型Ge掺杂层5的厚度为180～200nm，掺杂浓度为5×1017～7×1017cm-3；p型Ge掺杂层8厚度为200～220nm，掺杂浓度为5×1018～3×1019cm-3。
本发明的激光器结构中，量子阱发光层6为掺铟的氮化镓层，量子阱发光层6的厚度为200～500nm；电子阻挡层7的材料为AlxInyGa1-x-yN，其中，0<x≤0.4，0<y≤0.2。电子阻挡层7的厚度为100～300nm。
本发明通过在p型Ge掺杂层8与量子阱发光层6之间设置电子阻挡层7，电子阻挡的材料为Alx1InyGa1-x1-yN，由于铝的势垒较高，从而可以使得电子阻挡层7有效地阻止n型Ge半导体层4产生的电子进入到p型Ge半导体层9中，从而避免了电子与空穴在p型Ge半导体层9中发生非辐射复合，从而避免了因电子的跃迁导致的空穴浓度的降低，改善了发光二极管的发光效率。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种分布式布拉格反射镜激光器，其特征在于，包括：
衬底层；
过渡层；设置于所述衬底层上，所述过渡层下表面的折射率与所述衬底层的折射率匹配；
第一分布式布拉格反射镜层，设置于所述过渡层上；所述第一分布式布拉格反射镜层由高折射率材料层和低折射率材料层交替重复构成，其中，所述述高折射率材料层和/或低折射率材料层为渐变折射率材料层；
n型Ge半导体层；设置于所述第一分布式布拉格反射镜层上；
n型Ge掺杂层，设置于所述n型Ge半导体层上；
量子阱发光层，设置于所述n型Ge掺杂层上；
电子阻挡层，设置于所述量子阱发光层上；
p型Ge掺杂层，设置于所述电子阻挡层上；
p型Ge半导体层，设置于所述p型Ge掺杂层上；
第二分布式布拉格反射镜层，设置于所述p型Ge半导体层上，所述第二分布式布拉格反射镜层由高折射率材料层和低折射率材料层交替重复构成，其中，所述述高折射率材料层和/或低折射率材料层为渐变折射率材料层。
2.根据权利要求1所述的分布式布拉格反射镜激光器，其特征在于，所述过渡层的厚度为100～800nm。
3.根据权利要求2所述的分布式布拉格反射镜激光器，其特征在于，所述过渡层为单层、双层或多层。
4.根据权利要求3所述的分布式布拉格反射镜激光器，其特征在于，所述过渡层由传统光学材料和/或渐变折射率材料组成。
5.根据权利要求4所述的分布式布拉格反射镜激光器，其特征在于，所述高折射率材料层的折射率大于2，所述低折射率材料的折射率小于1.5。
6.根据权利要求5所述的分布式布拉格反射镜激光器，其特征在于，所述高折射率材料层和低折射率材料层的单层厚度范围均为30～600nm。
7.根据权利要求6所述的分布式布拉格反射镜激光器，其特征在于，所述第一分布式布拉格反射镜中高折射率材料层和低折射率材料层对数为3对。
8.根据权利要求7所述的分布式布拉格反射镜激光器，其特征在于，所述第二分布式布拉格反射镜中高折射率材料层和低折射率材料层对数为6对。
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