CN116191203B - 一种高效率蓝光半导体激光芯片 - Google Patents

一种高效率蓝光半导体激光芯片 Download PDF

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CN116191203B CN202310430064.4A CN202310430064A CN116191203B CN 116191203 B CN116191203 B CN 116191203B CN 202310430064 A CN202310430064 A CN 202310430064A CN 116191203 B CN116191203 B CN 116191203B
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    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

本发明涉及激光器技术领域，特别涉及一种高效率蓝光半导体激光芯片。本发明提供的蓝光半导体激光芯片中，量子阱有源区包括多个交叠的量子阱层和量子垒层，所述量子阱层沿生长方向依次为多个第一量子阱层、一个第二量子阱层和多个第三量子阱层，其中，沿生长方向的多个第一量子阱层厚度逐渐减少，In组分逐渐增加，沿生长方向的多个第三量子阱层厚度逐渐增加，In组分逐渐减少，本发明利用不同量子层之间的结构和In组分差异设计，有效减少了有源区的电子泄露，提高载流子复合效率，从而获得更高的光电转换效率。

Description

一种高效率蓝光半导体激光芯片
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，特别涉及一种高效率蓝光半导体激光芯片。
背景技术
GaN基蓝光LD广泛应用在激光显示、激光投影、激光照明、材料加工等领域，同时，在海底通讯和医疗领域也有着重要应用。虽然GaN基蓝光LD发展时间已久，然而随着应用领域的不断扩大，对GaN基蓝光LD性能需求不断提高，目前输出功率低和效率低仍是制约蓝光LD应用的关键问题。
目前，控制In组分是实现较高的蓝光激光器工作性能的常用技术手段之一，然而，复杂的组分控制方法会使蓝光半导体激光芯片的加工难度显著变高，现有技术用于较高的In组分加工会带来新的芯片结构缺陷，如晶格失配、热失配、堆垛层错等，反而引起激光芯片的性能下降。
现有技术中，另一种增加蓝光激光器工作效率的方案是在蓝光激光器的结构中加入电子阻挡层，使自由电子不能向外扩散，减少载流子泄露非辐射复合，从而提高激光器的效率，但是本发明的发明人发现，此方法会影响载流子注入，且电子阻挡层的设置会导致半导体激光器出现过度的自吸收和损耗，影响激光器的效率。
发明内容
有鉴于此，本发明的第一个目的在于提供一种高效率蓝光半导体激光芯片，通过量子阱有源区的组分和结构设计，实现高输出效率的蓝光半导体激光芯片。
基于同样的发明构思，本发明的第二个目的在于提供一种高效率蓝光半导体激光芯片的制备方法。
基于同样的发明构思，本发明的第三个目的在于提供一种半导体激光器。
本发明的第一个目的可以通过如下技术方案达到：
一种高效率蓝光半导体激光芯片，包括：衬底、以及在所述衬底上依次层叠生长的第一半导体层、量子阱有源区、电子阻挡层和第二半导体层；
所述量子阱有源区包括多个交叠的量子阱层和量子垒层，所述量子阱层沿生长方向依次为多个第一量子阱层、一个第二量子阱层和多个第三量子阱层，其中，沿生长方向的多个第一量子阱层厚度逐渐减少，沿生长方向的多个第三量子阱层厚度逐渐增加，第二量子阱层的厚度不高于第一量子阱层和第三量子阱层厚度的最低值；
所述量子阱层均为InGaN层，所述第一量子阱层的In组分由低到高渐变，所述第三量子阱层的In组分由高到低渐变，所述第二量子阱层的In组分不低于第一量子阱层、第三量子阱层In组分的最高值；
所述量子垒层含有InGaN，且所述量子垒层的In组分含量低于所述量子阱层的In组分含量的最低值。
进一步的，所述多个第一量子阱层中，沿生长方向的第一量子阱层的厚度可表示为：
Figure SMS_1
；
其中，
Figure SMS_2
表示沿生长方向的第/>
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个第一量子阱层的厚度，/>
Figure SMS_4
表示第二量子阱层的厚度，/>
Figure SMS_5
表示第一量子阱层的总层数，/>
Figure SMS_6
表示第一量子阱层的层序数，/>
Figure SMS_7
表示第一量子阱层厚度系数；
所述多个第三量子阱层中，沿生长方向的第n个第三量子阱层的厚度可表示为：
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；
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Figure SMS_9
表示沿生长方向的第/>
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表示第二量子阱层的厚度，/>
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表示第三量子阱层的总层数，/>
Figure SMS_13
表示第三量子阱层的层序数，/>
Figure SMS_14
表示第三量子阱层厚度系数；
进一步的，所述第三量子阱层厚度系数不小于所述第一量子阱层厚度系数，所述第三量子阱总层数不大于所述第一量子层总层数。
进一步的，所述第一量子阱层的In组分在第一量子阱层中随厚度线性增加，多个第一量子阱层的In组分随厚度线性增加的幅度相同；
所述第三量子阱层的In组分在第一量子阱层中随厚度线性减少，多个第三量子阱层的In组分随厚度线性减少的幅度相同。
进一步的，相邻的第一量子阱层中，沿生长方向的第n层第一量子阱层的In组分最大值与沿生长方向的第n+1层第一量子阱层的In组分最小值相等；
相邻的第三量子阱层中，沿生长方向的第n层第三量子阱层的In组分最小值与沿生长方向的第n+1层第三量子阱层的In组分最大值相等。
进一步的，所述第一量子阱层的厚度为2.2-3nm，所述第二量子阱层的厚度为2.2nm，第三量子阱层的厚度为2.2-2.6nm。
进一步的，所述第一量子阱层的In组分为0.17-0.25，所述第二量子阱层的In组分为0.25-0.27，第三量子阱层的In组分为0.17-0.25。
进一步的，所述第一半导体层沿生长方向依次为n型GaN接触层、n型AlInGaN光激发层、n型GaN/InGaN波导层；所述第二半导体层沿生长方向依次为p型InGaN波导层、p型AlInGaN光激发层、p型GaN接触层。
本发明的第二个目的可以通过如下技术方案达到：
一种高效率蓝光半导体发光芯片的制备方法，包括以下步骤：
在衬底上生长缓冲层；
在所述缓冲层上生长非掺杂GaN层；
在所述非掺杂GaN层上生长n型GaN接触层；
在所述n型GaN接触层上生长n型AlInGaN光激发层；
在所述n型AlInGaN光激发层上生长n型GaN/InGaN波导层；
在所述n型GaN/InGaN波导层上生长有源层；
在所述有源层上生长电子阻挡层；
在所述电子阻挡层上生长p型InGaN波导层；
在所述p型InGaN波导层上生长p型AlInGaN光激发层；
在所述p型AlInGaN光激发层上生长p型GaN接触层；
其中，所述有源层包括多个交叠的量子阱层和量子垒层，所述量子阱层沿生长方向依次为多个第一量子阱层、一个第二量子阱层和多个第三量子阱层，其中，沿生长方向的多个第一量子阱层厚度逐渐减少，沿生长方向的多个第三量子阱层厚度逐渐增加，第二量子阱层的厚度低于第一量子阱层和第三量子阱层厚度的最低值；
所述量子阱层均为InGaN层，所述第一量子阱层的In组分由低到高渐变，所述第三量子阱层的In组分由高到低渐变，所述第二量子阱层的In组分高于第一量子阱层、第三量子阱层In组分的最高值；
所述量子垒层含有InGaN，且所述量子垒层的In组分含量低于所述量子阱层的In组分含量的最低值。
本发明的第三个目的可以通过如下技术方案达到：
一种半导体激光器，其特征在于，包括上述的高效率蓝光半导体激光芯片。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：本发明提供的蓝光半导体激光芯片中，有源区包括第一量子阱层、第二量子阱层、第三量子阱层的设计，利用不同量子层之间的结构和In组分差异设计，有效减少了有源区的光子泄露，提高载流子复合效率，从而获得更高的光电转换效率。
附图说明
图1是本发明实施例1的高效率蓝光半导体激光芯片结构示意图；
图2是本发明实施例1的高效率蓝光半导体激光芯片量子阱有源区中In组分随厚度渐变示意图；
图3是本发明实施例2的高效率蓝光半导体激光芯片制备方法的流程图。
主要元件符号说明：
100、第一半导体层，200、量子阱有源区，300、电子阻挡层，400、第二半导体层，110、n型GaN接触层，120、n型AlInGaN光激发层，130、n型GaN/InGaN波导层，410、p型InGaN波导层，420、p型AlInGaN光激发层，430、p型GaN接触层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供了一种高效率蓝光半导体激光芯片，包括：衬底、以及在所述衬底上依次层叠生长的第一半导体层100、量子阱有源区200、电子阻挡层300和第二半导体层400；
本实施例中，所述第一半导体层100沿生长方向依次为n型GaN接触层110、n型AlInGaN光激发层120、n型GaN/InGaN波导层130；所述第二半导体层400沿生长方向依次为p型InGaN波导层410、p型AlInGaN光激发层420、p型GaN接触层430。
所述量子阱有源区包括多个交叠的量子阱层和量子垒层，具体地，本实施例的量子阱有源区包括6个量子阱层和5个量子垒层，其中，6个量子阱层沿生长方向依次为3个第一量子阱层，1个第二量子阱层，2个第三量子阱层。
所述3个第一量子阱层均为InGaN层，进一步的，所述3个第一量子阱层中，沿生长方向的第一量子阱层的厚度可表示为：
Figure SMS_15
；
其中，
Figure SMS_16
表示沿生长方向的第/>
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个第一量子阱层的厚度，/>
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表示第二量子阱层的厚度，/>
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表示第一量子阱层的总层数，/>
Figure SMS_20
表示第一量子阱层的层序数，/>
Figure SMS_21
表示第一量子阱层厚度系数；
本实施例中，3个第一量子阱层的In组分在第一量子阱层中随厚度线性增加，3个第一量子阱层的In组分随厚度线性增加的幅度相同；相邻的第一量子阱层中，沿生长方向的第n层第一量子阱层的In组分最大值与沿生长方向的第n+1层第一量子阱层的In组分最小值相等，即第1层第一量子阱层上端的In组分与第2层第一量子阱层下端In组分相等，第2层第一量子阱层上端的In组分与第3层第一量子阱层下端In组分相等。
所述3个第三量子阱层均为InGaN层，进一步的，所述多个第三量子阱层中，沿生长方向的第一量子阱层的厚度可表示为：
Figure SMS_22
；
其中，
Figure SMS_23
表示沿生长方向的第/>
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个第一量子阱层的厚度，/>
Figure SMS_25
表示第二量子阱层的厚度，/>
Figure SMS_26
表示第三量子阱层的总层数，/>
Figure SMS_27
表示第三量子阱层的层序数，/>
Figure SMS_28
表示第三量子阱层厚度系数；
本实施例中，3个第三量子阱层的In组分在第三量子阱层中随厚度线性减少，3个第三量子阱层的In组分随厚度线性减少的幅度相同；相邻的第三量子阱层中，沿生长方向的第n层第三量子阱层的In组分最大值与沿生长方向的第n+1层第三量子阱层的In组分最小值相等，即第1层第三量子阱层上端的In组分与第2层第三量子阱层下端In组分相等，第2层第三量子阱层上端的In组分与第3层第三量子阱层下端In组分相等。
具体地，本实施例的量子阱层结构和In组分如图2所示，第一量子阱层的厚度系数
Figure SMS_29
取1.1，第三量子阱层的厚度系数/>
Figure SMS_30
取1.9，沿生长方向的3个第一量子阱层的厚度分别为3nm、2.33nm、2.2nm，第二量子阱层的厚度为2.2nm，In组分为0.25，2个第三量子阱层的厚度分别为2.2nm、2.6nm；
本发明的其他实施例中，所述第一量子阱层的In组分可以为0.17-0.25，所述第二量子阱层的In组分可以为0.25-0.5，第三量子阱层的In组分可以为0.17-0.25。
本发明的其他实施例中，所述第一量子阱层的厚度可以为2.2-3nm，所述第二量子阱层的厚度可以为2.2nm，第三量子阱层的厚度可以为2.2-2.6nm。
本发明的其他实施例中，所述第三量子阱层厚度系数不小于所述第一量子阱层厚度系数，所述第三量子阱总层数不大于所述第一量子层总层数，厚度系数
Figure SMS_31
、/>
Figure SMS_32
的取值范围为[0.5,2]。
本实施例中，量子阱层的厚度和In组分设计，能够增加量子阱层的电子泄露势垒，阻碍电子越过有源区进入p侧进而发生非辐射复合；本实施例的第一量子阱层、第三量子阱层的厚度变化梯度，能够提高量子阱中的载流子浓度，实现较低的自吸收和损耗，提高载流子的注入效率；本实施例由于在多个量子阱层重采用渐变的In组分设计，降低了极化电场对载流子复合效率的影响，获得更高的光电转换效率。
综上所述，本实施例提供的蓝光半导体激光芯片中，有源区包括第一量子阱层、第二量子阱层、第三量子阱层的设计，利用不同量子层之间的结构和In组分差异设计，有效减少了有源区的电子泄露，提高载流子复合效率，从而获得更高的光电转换效率。
实施例2：
本实施例提供了一种高效率蓝光半导体发光芯片的制备方法，包括以下步骤：
S1、在衬底上生长缓冲层；
S2、在所述缓冲层上生长非掺杂GaN层；
S3、在所述非掺杂GaN层上生长n型GaN接触层；
S4、在所述n型GaN接触层上生长n型AlInGaN光激发层；
S5、在所述n型AlInGaN光激发层上生长n型GaN/InGaN波导层；
S6、在所述n型GaN/InGaN波导层上生长有源层；
S7、在所述有源层上生长电子阻挡层；
S8、在所述电子阻挡层上生长p型InGaN波导层；
S9、在所述p型InGaN波导层上生长p型AlInGaN光激发层；
S10、在所述p型AlInGaN光激发层上生长p型GaN接触层；
其中，所述有源层包括多个交叠的量子阱层和量子垒层，所述量子阱层沿生长方向依次为多个第一量子阱层、一个第二量子阱层和多个第三量子阱层，其中，沿生长方向的多个第一量子阱层厚度逐渐减少，沿生长方向的多个第三量子阱层厚度逐渐增加，第二量子阱层的厚度低于第一量子阱层和第三量子阱层厚度的最低值；
所述量子阱层均为InGaN层，所述第一量子阱层的In组分由低到高渐变，所述第三量子阱层的In组分由高到低渐变，所述第二量子阱层的In组分高于第一量子阱层、第三量子阱层In组分的最高值；
所述量子垒层含有InGaN，且所述量子垒层的In组分含量低于所述量子阱层的In组分含量的最低值；
实施例3：
本实施例提供了一种半导体激光器，包括电源、壳体、半导体激光芯片、输出头，其中，半导体激光芯片为本发明实施例1的高效率蓝光半导体激光芯片。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
显然，上述所述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本发明不限于上述实施例的细节，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (10)

1.一种高效率蓝光半导体激光芯片，其特征在于，包括：衬底、以及在所述衬底上依次层叠生长的第一半导体层、量子阱有源区、电子阻挡层和第二半导体层；
所述量子阱有源区包括多个交叠的量子阱层和量子垒层，所述量子阱层沿生长方向依次为多个第一量子阱层、一个第二量子阱层和多个第三量子阱层，其中，沿生长方向的多个第一量子阱层厚度逐渐减少，沿生长方向的多个第三量子阱层厚度逐渐增加，第二量子阱层的厚度不高于第一量子阱层和第三量子阱层厚度的最低值；
所述量子阱层均为InGaN层，所述第一量子阱层的 In 组分沿生长方向由低到高渐变，所述第三量子阱层的 In 组分沿生长方向由高到低渐变，所述第二量子阱层的In组分不低于第一量子阱层、第三量子阱层In组分的最高值；
所述量子垒层含有InGaN，且所述量子垒层的In组分含量低于所述量子阱层的In组分含量的最低值。
2.根据权利要求1所述的高效率蓝光半导体激光芯片，其特征在于，所述多个第一量子阱层中，沿生长方向的第一量子阱层的厚度可表示为：
Figure QLYQS_1
；
其中，
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表示沿生长方向的第/>
Figure QLYQS_3
个第一量子阱层的厚度，/>
Figure QLYQS_4
表示第二量子阱层的厚度，/>
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表示第一量子阱层的总层数，/>
Figure QLYQS_6
表示第一量子阱层的层序数，/>
Figure QLYQS_7
表示第一量子阱层厚度系数；
所述多个第三量子阱层中，沿生长方向的第n个第三量子阱层的厚度可表示为：
Figure QLYQS_8
；
其中，
Figure QLYQS_9
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表示第二量子阱层的厚度，/>
Figure QLYQS_12
表示第三量子阱层的总层数，/>
Figure QLYQS_13
表示第三量子阱层的层序数，/>
Figure QLYQS_14
表示第三量子阱层厚度系数。
3.根据权利要求2所述的高效率蓝光半导体激光芯片，其特征在于，所述第三量子阱层厚度系数不小于所述第一量子阱层厚度系数，所述第三量子阱总层数不大于所述第一量子层总层数。
4.根据权利要求1所述的高效率蓝光半导体激光芯片，其特征在于，所述第一量子阱层的In组分在第一量子阱层中随厚度线性增加，多个第一量子阱层的In组分随厚度线性增加的幅度相同；
所述第三量子阱层的In组分在第三量子阱层中随厚度线性减少，多个第三量子阱层的In组分随厚度线性减少的幅度相同。
5.根据权利要求4所述的高效率蓝光半导体激光芯片，其特征在于，相邻的第一量子阱层中，沿生长方向的第n层第一量子阱层的In组分最大值与沿生长方向的第n+1层第一量子阱层的In组分最小值相等；
相邻的第三量子阱层中，沿生长方向的第n层第三量子阱层的In组分最小值与沿生长方向的第n+1层第三量子阱层的In组分最大值相等。
6.根据权利要求1所述的高效率蓝光半导体激光芯片，其特征在于，所述第一量子阱层的厚度为2.2-3nm，所述第二量子阱层的厚度为2.2nm，第三量子阱层的厚度为2.2-2.6nm。
7.根据权利要求1所述的高效率蓝光半导体激光芯片，其特征在于，所述第一量子阱层的In组分为0.17-0.25，所述第二量子阱层的In组分为0.25-0.27，第三量子阱层的In组分为0.17-0.25。
8.根据权利要求1所述的高效率蓝光半导体激光芯片，其特征在于，所述第一半导体层沿生长方向依次为n型GaN接触层、n型AlInGaN光激发层、n型GaN/InGaN波导层；所述第二半导体层沿生长方向依次为p型InGaN波导层、p型AlInGaN光激发层、p型GaN接触层。
9.一种高效率蓝光半导体发光芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在衬底上生长缓冲层；
在所述缓冲层上生长非掺杂GaN层；
在所述非掺杂GaN层上生长n型GaN接触层；
在所述n型GaN接触层上生长n型AlInGaN光激发层；
在所述n型AlInGaN光激发层上生长n型GaN/InGaN波导层；
在所述n型GaN/InGaN波导层上生长有源层；
在所述有源层上生长电子阻挡层；
在所述电子阻挡层上生长p型InGaN波导层；
在所述p型InGaN波导层上生长p型AlInGaN光激发层；
在所述p型AlInGaN光激发层上生长p型GaN接触层；
其中，所述有源层包括多个交叠的量子阱层和量子垒层，所述量子阱层沿生长方向依次为多个第一量子阱层、一个第二量子阱层和多个第三量子阱层，其中，沿生长方向的多个第一量子阱层厚度逐渐减少，沿生长方向的多个第三量子阱层厚度逐渐增加，第二量子阱层的厚度低于第一量子阱层和第三量子阱层厚度的最低值；
所述量子阱层均为InGaN层，所述第一量子阱层的In组分由低到高渐变，所述第三量子阱层的In组分由高到低渐变，所述第二量子阱层的In组分高于第一量子阱层、第三量子阱层In组分的最高值；
所述量子垒层含有InGaN，且所述量子垒层的In组分含量低于所述量子阱层的In组分含量的最低值。
10.一种半导体激光器，其特征在于，包括根据权利要求1-8任意一项所述的高效率蓝光半导体激光芯片。
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