CN114825048A - 一种半导体激光元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体光电器件的技术领域，特别涉及一种半导体激光元件，从下至上依次包括衬底、n层包覆层、下波导层、有源层、上波导层、电子阻挡层、p型包覆层和p型半导体，其中有源层为InbGa1‑bN/IncAldGa1‑c‑dN，n型包覆层至少具有3层Al梯度层AleGa1‑eN/AlfIngGa1‑f‑gN/AlhGa1‑ hN，n型包覆层之间具有Al组分梯度且与有源层间亦形成Al组分梯度：Al组分e＞h＞f≥d，AlfIngGa1‑f‑gN与有源层、上波导层、下波层形成的In组分梯度构成In组分梯度，通过双重梯度组合调控极化效应，减少有源层In组分的涨落和应变，减少激光元件的增益谱宽，提升激子振子强度和峰值增益，改善有源层的热稳定性，实现室温下激子‑光子的强耦合作用，最终形成稳定的激子极化激元激射。

Description

一种半导体激光元件
技术领域
本发明涉及半导体光电器件的技术领域，特别是涉及一种具有改善激子极化激元激射的n型包覆层的半导体激光元件。
背景技术
激光器广泛应用于显示、通讯、医疗、武器、制导、测距、切割、焊接等领域。激光器的各类很多，分类方式也多样，主要有固体、气体、液体、半导体和染料等类型激光器；与其他类型激光器相比，半导体激光器具有体积小、重量轻、寿命长、结构简单等优点。激光器与氮化物半导体发光二极管存在较大的区别，1)激光是由载流子发生受激辐射产生，光谱半高宽较小，亮度很高，单颗激光器输出功率可在W级，而氮化物半导体发光二极管则是自发辐射，单颗发光二极管的输出功率在mW级；2)激光器的使用电流密度达KA/cm2，比氮化物发光二极管高2个数量级以上，从而引起更强的电子泄漏、更严重的俄歇复合、极化效应更强、电子空穴不匹配更严重，导致更严重的效率衰减Droop效应；3)发光二极管自发跃迁辐射，无外界作用，从高能级跃迁到低能级的非相干光，而激光器为受激跃迁辐射，感应光子能量应等于电子跃迁的能级之差，产生光子与感应光子的全同相干光；4)原理不同：发光二极管为在外界电压作用下，电子空穴跃迁到量子阱或p-n结产生辐射复合发光，而激光器需要激射条件满足才可激射，必须满足有源区载流子反转分布，受激辐射光在谐振腔内来回振荡，在增益介质中的传播使光放大，满足阈值条件使增益大于损耗，并最终输出激光。氮化物半导体激光器存在以下问题：1)内部晶格失配大、应变大引起极化效应强，QCSE量子限制Stark效应强限制激光器电激射增益的提高；2)内部缺陷密度高、晶体质量不理想；3)p型半导体的Mg受主激活能大、离化效率低，空穴浓度远低于电子浓度、空穴迁移率远小于电子迁移率，导致量子阱中的电子空穴严重不对称不匹配；4)电子泄漏；5)空穴注入效率低；6)载流子去局域化；7)俄歇复合强；8)光波导吸收损耗高；9)量子阱发光效率低；10)p型电阻及欧姆接触差等；传统氮化物半导体激光器制作存在以下难点：1)量子阱In组分增加会产生In组分涨落和应变，激光器增益谱变宽，峰值增益下降；2)量子阱In组分增加，热稳定性变差；3)In容易产生偏析；4)激光器价带带阶差增加，空穴在量子阱中输运更困难，载流子注入不均匀，增益不均匀；5)激光器的折射率色散，限制因子随波长增加而减少，导致激光器的模式增益降低；6)激光器激射后，多量子阱有源区载流子浓度饱和，双极性电导效应减弱，激光器的串联电阻增加，导致激光器电压上升；7)高位错密度会降低激光器的寿命；8)固有碳杂质在p型半导体中会补偿受主、破坏p型等。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明n型包覆层的Al梯度层之间与有源层间的Al组分梯度，AlfIngGa1-f-gN与有源层、上波导层、下波层形成的In组分梯度构成Al组分和In组分双重梯度组合，形成激子极化激元激射结构和增益波导结构。
为实现上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
一种半导体激光元件，从下至上依次包括衬底、n型包覆层、下波导层，有源层、上波导层、电子阻挡层、p型包覆层、p型半导体，所述n型包覆层具有激子极化激元激射结构和增益波导结构，其中有源层为InbGa1-bN/IncAldGa1-c-dN组成的周期结构，其中阱层为InbGa1- bN，垒层为IncAldGa1-c-dN；n型包覆层至少具有3层Al梯度层AleGa1-eN/AlfIngGa1-f-gN/AlhGa1- hN，所述n型包覆层之间具有Al组分梯度且与有源层的垒层IncAldGa1-c-dN间亦形成Al组分梯度：Al组分e＞h＞f≥d。
上述技术方案中，所述n型包覆层至少具有3层Al梯度层AleGa1-eN/AlfIngGa1-f-gN/AlhGa1-hN，由SIMS二次离子质谱测试的Al离子强度梯度20≥e/h≥4，200≥e/f≥50,50≥g/f≥10。
上述技术方案中，所述n型包覆层至少具有3层Al梯度层AleGa1-eN/AlfIngGa1-f-gN/AlhGa1-hN，由SIMS二次离子质谱测试的Al离子强度梯度分别为1E20～5E20(a.u.)，5E17～5E18(a.u.)，1E19～5E19(a.u.)。
上述技术方案中，所述n型包覆层至少具有3层Al梯度层AleGa1-eN/AlfIngGa1-f-gN/AlhGa1-hN，其中AlfIngGa1-f-gN层In组分为g，所述上波导层为InyGa1-yN，下波导层为InzGa1- zN，所述n型包覆层中的AlfIngGa1-f-gN与有源层的阱层InbGa1-bN、上波导层、下波层形成In组分梯度：b≥g≥z≥y。
上述技术方案中，所述n型包覆层至少具有3层Al梯度层AleGa1-eN/AlfIngGa1-f-gN/AlhGa1-hN，其中AlfIngGa1-f-gN层由SIMS二次离子质谱测试的In离子强度为2E20～5E20(a.u.)。
上述技术方案中，所述n型包覆层的Al梯度层之间具有Al组分梯度且与有源层的垒层IncAldGa1-c-dN间亦形成Al组分梯度：Al组分e＞h＞f≥d；所述n型包覆层中的AlfIngGa1-f-gN与有源层的阱层InbGa1-bN、上波导层、下波层形成In组分梯度：b≥g≥z≥y，两者构成Al组分和In组分双重梯度组合。
上述技术方案中，所述n型包覆层的Al梯度层之间与有源层的垒层IncAldGa1-c-dN间的Al组分梯度，所述n型包覆层中的AlfIngGa1-f-gN与有源层的阱层InbGa1-bN、上波导层、下波层形成的In组分梯度共同构成Al组分和In组分双重梯度组合，最终形成激子极化激元激射结构，通过双重梯度组合调控极化效应，减少有源层In组分的涨落和应变，减少激光元件的增益谱宽，提升激子振子强度和峰值增益，改善有源层的热稳定性，实现室温下激子-光子的强耦合作用，最终形成稳定的激子极化激元激射。
上述技术方案中，所述n型包覆层的Al梯度层之间与有源层的垒层IncAldGa1-c-dN间的Al组分梯度，所述n型包覆层中的AlfIngGa1-f-gN与有源层的阱层InbGa1-bN、上波导层、下波层形成的In组分梯度共同构成Al组分和In组分双重梯度组合，共同形成增益波导结构，提升光学限制效应，限低50％以上的内损耗，同时，降低室温阈值电压至5.5V，阈值电流为5KA/cm2，斜率效率上升至0.6W/A，室温连续工作寿命可提升至1万小时。
上述技术方案中，所述n层包覆层、下波导层，有源层、上波导层、电子阻挡层、p型包覆层、p型半导体包括GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN、SiC、Ga2O3、BN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP的任意一种或任意组合。
上述技术方案中，所述衬底包括蓝宝石、硅、Ge、SiC、AlN、GaN、GaAs、InP、蓝宝石/SiO2复合衬底、蓝宝石/AlN复合衬底、蓝宝石/SiNx、镁铝尖晶石MgAl2O4、MgO、ZnO、ZrB2、LiAlO2和LiGaO2复合衬底的任意一种。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明n型包覆层的Al梯度层之间与有源层间的Al组分梯度，AlfIngGa1-f-gN与有源层、上波导层、下波层形成的In组分梯度构成Al组分和In组分双重梯度组合，形成激子极化激元激射结构和增益波导结构，通过双重梯度组合调控极化效应，减少有源层In组分的涨落和应变，减少激光元件的增益谱宽，提升激子振子强度和峰值增益，改善有源层的热稳定性，实现室温下激子-光子的强耦合作用，最终形成稳定的激子极化激元激射；双重梯度组合还形成增益波导结构，提升光学限制效应，限低50％以上的内损耗，同时，降低室温阈值电压至5.5V，阈值电流为5KA/cm2，斜率效率上升至0.6W/A，室温连续工作寿命可提升至1万小时。
附图说明
图1是本发明实施例的一种具有改善激子极化激元的n型包覆层的半导体激光元件的结构示意图；
图2是本发明实施例一种具有改善激子极化激元的n型包覆层的半导体激光元件的SIMS二次离子质谱图；
附图标记：
100：衬底；101：n型包覆层；101a:AleGa1-eN；101b:AlfIngGa1-f-gN；101c:AlhGa1-hN；102：下波导层；103：有源层；104：上波导层，105：电子阻挡层，106：p型包覆层，107：p型半导体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
请参照图1，本发明实施例的一种半导体激光元件，从下至上依次包括衬底100、n型包覆层101、下波导层102，有源层103、上波导层104、电子阻挡层105、p型包覆层106、p型半导体107。
其中，衬底100是氮化物半导体结晶能够在表面进行外延生长的基板，用于支撑半导体激光元件各层外延材料，且能够选择使用满足对于半导体发光元件所发出的光的波长范围透射率较高(例如该光的透射率在50％以上)的基板，例如，衬底100包括但不限于蓝宝石、硅、Ge、SiC、AlN、GaN、GaAs、InP、蓝宝石/SiO2复合衬底、蓝宝石/AlN复合衬底、蓝宝石/SiNx、镁铝尖晶石MgAl2O4、MgO、ZnO、ZrB2、LiAlO2和LiGaO2复合衬底的任意一种。
所述n型包覆层101制作在衬底100上，其晶格常数与衬底100的晶格常数匹配，所谓晶格常数匹配是指外延材料的晶格常数与衬底晶格常数大小一致，外延生长时，两者之间不存在应力。n型包覆层101对有源区发出的光进行限制，使有源区发出的光沿波导轴向传播，优选地，n型包覆层101的生长厚度为0-3000nm，n型包覆层具有激子极化激元激射结构和增益波导结构，所述激子极化激元激射结构由以下结构组成：有源层为InbGa1-bN/IncAldGa1-c-dN组成的周期结构，其中阱层为InbGa1-bN，垒层为IncAldGa1-c-dN；n型包覆层至少具有3层Al梯度层AleGa1-eN101a/AlfIngGa1-f-gN101b/AlhGa1-hN101c，所述n型包覆层之间具有Al组分梯度且与有源层的垒层IncAldGa1-c-dN间亦形成Al组分梯度：Al组分e＞h＞f≥d；优选地，所述n型包覆层101的生长温度为700℃～1200℃、生长压力为200mbar～500mbar、生长速率为0.01nm/s～0.5nm/s，当生长温度低于700℃时，低温虽然有助于铟元素的并入，但是对于铝原子在低温下迁移长度很小，导致材料形貌恶化、材料质量下降；当温度高于900℃时，高温会使得铟元素含量极低甚至消失；当生长压力低于200mbar时，材料中的碳杂质含量急剧升高，使得晶体电学质量下降；当生长压力高于500mbar时，生长过程中通入的TMAl会和氨气在气相中发生严重的预反应，导致生长效率降低；而且当生长速率低于0.01nm/s，较低的生长速率会有助于改善材料质量，但是生产效率会降低，生长足够厚度的n型包覆层101可能需要几十个小时；当生长速率高于0.5nm/s，高速生长会降低材料质量。
作为上述技术方案的一种优选方案，所述n型包覆层101至少具有3层依次层叠的Al梯度层AleGa1-eN101a/AlfIngGa1-f-gN101b/AlhGa1-hN101c，由SIMS二次离子质谱测试的Al离子强度梯度20≥e/h≥4，200≥e/f≥50,50≥g/f≥10。
上述技术方案的一种具体实施方式中，请参照图2，n型包覆层具有3层依次层叠的Al梯度层AleGa1-eN101a/AlfIngGa1-f-gN101b/AlhGa1-hN101c，由SIMS二次离子质谱测试的Al离子强度梯度分别为1E20～5E20(a.u.)，5E17～5E18(a.u.)，1E19～5E19(a.u.)。
下波导层102制作在n型包覆层101上，其晶格常数与衬底100的晶格常数匹配，作为载流子限制层，用于光的传导，提高电子-空穴复合效率，提高激光元件的工作温度；优选地，下波导层102生长厚度为30-2000nm。
有源层103制作在下波导层102上，为器件发光区域，可以是各种半导体带间、子带间发光的有源区结构；本发明中，有源层103为InbGa1-bN/IncAldGa1-c-dN组成的周期结构，其中阱层为InbGa1-bN，垒层为IncAldGa1-c-dN。
上波导层104制作在有源层103上，其晶格常数与衬底100的晶格常数匹配，作为载流子限制层，将载流子限制在有源层103，进而提高电子-空穴复合效率，提高激光元件工作温度；优选地，上波导层104生长厚度为30-2000nm。
电子阻挡层105制作在上波导层104上，由于电子的有效质量小，在电场作用下运动速度大，容易从发光的有源层103的量子阱区域逃逸，靠近p侧设立电子阻挡层105可有效阻挡电子的逃逸；半导体元件工作时n侧注入电子，p侧注入空穴，电子和空穴在有源层103的量子阱区域相遇复合发光。
p型包覆层106制作在电子阻挡层105上，对有源层103发出的光进行限制，使有源层103发出的光沿波导轴向传播，优选地，p型包覆层106的生长厚度为500-4000nm。
p型半导体107制作在p型包覆层106上，所述n层包覆层101、下波导层102，有源层103、上波导层104、电子阻挡层105、p型包覆层106、p型半导体107依次层叠在衬底100上，层叠半导体层利用有机金属化学气相沉积法(MOCVD法)、有机金属气相外延法(MOVPE法)、分子束外延法(MBE法)以及氢化物气相外延法(HVPE法)等方法进行层叠；所述n层包覆层101、下波导层102、有源层103、上波导层104、电子阻挡层105、p型包覆层106和p型半导体107包括GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN、SiC、Ga2O3、BN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP的任意一种或任意组合。
作为上述技术方案的进一步优化，n型包覆层101至少具有3层依次层叠的Al梯度层AleGa1-eN101a/AlfIngGa1-f-gN101b/AlhGa1-hN101c，其中AlfIngGa1-f-gN101b层In组分为g，所述上波导层104为InyGa1-yN，下波导层102为InzGa1-zN，所述n型包覆层中的AlfIngGa1-f- gN101b与有源层103的阱层InbGa1-bN、上波导层104、下波导层102形成In组分梯度：b≥g≥z≥y；n型包覆层101的3层Al梯度层之间具有Al组分梯度，且与有源层103的垒层IncAldGa1-c-dN间亦形成Al组分梯度，从而构成Al组分和In组分双重梯度组合，此双重梯度组合一方面形成激子极化激元激射结构，通过双重梯度组合调控极化效应，减少有源层In组分的涨落和应变，减少激光元件的增益谱宽，提升激子振子强度和峰值增益，改善有源层的热稳定性，实现室温下激子-光子的强耦合作用，最终形成稳定的激子极化激元激射；另一方面形成增益波导结构增益波导结构提升光学限制效应和激光增益的波导效应，限低50％以上的内损耗，同时，降低室温阈值电压至5.5V，阈值电流为5KA/cm2，斜率效率上升至0.6W/A，室温连续工作寿命可提升至1万小时。
作为上述技术方案的一种具体实施方式，请参照图2，n型包覆层101具有依次层叠的3层Al梯度层AleGa1-eN101a/AlfIngGa1-f-gN101b/AlhGa1-hN101c,其中AlfIngGa1-f-gN101b层由SIMS二次离子质谱测试的In离子强度为2E20～5E20(a.u.)。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种半导体激光元件，其特征在于，从下至上依次包括衬底、n型包覆层、下波导层，有源层、上波导层、电子阻挡层、p型包覆层和p型半导体，所述n型包覆层具有激子极化激元激射结构和增益波导结构，其中有源层为InbGa1-bN/IncAldGa1-c-dN组成的周期结构，其中阱层为InbGa1-bN，垒层为IncAldGa1-c-dN；n型包覆层至少具有3层Al梯度层AleGa1-eN/AlfIngGa1-f-gN/AlhGa1-hN，所述n型包覆层之间具有Al组分梯度且与有源层的垒层IncAldGa1-c-dN间亦形成Al组分梯度：Al组分e＞h＞f≥d。
2.如权利要求1所述的一种半导体激光元件，其特征在于，所述n型包覆层至少具有3层Al梯度层AleGa1-eN/AlfIngGa1-f-gN/AlhGa1-hN，Al离子强度梯度20≥e/h≥4，200≥e/f≥50,50≥g/f≥10。
3.如权利要求2所述的一种半导体激光元件，其特征在于，所述n型包覆层至少具有3层Al梯度层AleGa1-eN/AlfIngGa1-f-gN/AlhGa1-hN，Al离子强度梯度分别为1E20～5E20(a.u.)，5E17～5E18(a.u.)，1E19～5E19(a.u.)。
4.如权利要求3所述的一种半导体激光元件，其特征在于，所述n型包覆层至少具有3层Al梯度层AleGa1-eN/AlfIngGa1-f-gN/AlhGa1-hN，其中AlfIngGa1-f-gN层In组分为g，所述上波导层为InyGa1-yN，下波导层为InzGa1-zN，所述n型包覆层中的AlfIngGa1-f-gN与有源层的阱层InbGa1-bN、上波导层、下波层形成In组分梯度：b≥g≥z≥y。
5.如权利要求3所述的一种半导体激光元件，其特征在于，所述n型包覆层至少具有3层Al梯度层AleGa1-eN/AlfIngGa1-f-gN/AlhGa1-hN，其中AlfIngGa1-f-gN层的In离子强度为2E20～5E20(a.u.)。
6.如权利要求1或权利要求4所述的一种半导体激光元件，其特征在于，所述n型包覆层的Al梯度层之间具有Al组分梯度且与有源层的垒层IncAldGa1-c-dN间亦形成Al组分梯度：Al组分e＞h＞f≥d；所述n型包覆层中的AlfIngGa1-f-gN与有源层的阱层InbGa1-bN、上波导层、下波层形成In组分梯度：b≥g≥z≥y，两者构成Al组分和In组分双重梯度组合。
7.如权利要求6所述的一种半导体激光元件，其特征在于，所述n型包覆层的Al梯度层之间与有源层的垒层IncAldGa1-c-dN间的Al组分梯度，所述n型包覆层中的AlfIngGa1-f-gN与有源层的阱层InbGa1-bN、上波导层、下波层形成的In组分梯度共同构成Al组分和In组分双重梯度组合，最终形成激子极化激元激射结构，通过双重梯度组合调控极化效应，减少有源层In组分的涨落和应变，减少激光元件的增益谱宽，提升激子振子强度和峰值增益，改善有源层的热稳定性，实现室温下激子-光子的强耦合作用，最终形成稳定的激子极化激元激射。
8.如权利要求6所述的一种半导体激光元件，其特征在于，所述n型包覆层的Al梯度层之间与有源层的垒层IncAldGa1-c-dN间的Al组分梯度，所述n型包覆层中的AlfIngGa1-f-gN与有源层的阱层InbGa1-bN、上波导层、下波层形成的In组分梯度构成Al组分和In组分双重梯度组合，共同形成增益波导结构，提升光学限制效应，限低50％以上的内损耗，同时，降低室温阈值电压至5.5V，阈值电流为5KA/cm2，斜率效率上升至0.6W/A，室温连续工作寿命可提升至1万小时。
9.如权利要求1所述的一种半导体激光元件，其特征在于，所述n层包覆层、下波导层，有源层、上波导层、电子阻挡层、p型包覆层和p型半导体包括GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN、SiC、Ga2O3、BN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP的任意一种或任意组合。
10.如权利要求1所述的一种半导体激光元件，其特征在于，所述衬底包括蓝宝石、硅、Ge、SiC、AlN、GaN、GaAs、InP、蓝宝石/SiO2复合衬底、蓝宝石/AlN复合衬底、蓝宝石/SiNx、镁铝尖晶石MgAl2O4、MgO、ZnO、ZrB2、LiAlO2和LiGaO2复合衬底的任意一种。
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