CN116505377A - 一种半导体紫光紫外激光器 - Google Patents

一种半导体紫光紫外激光器 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种半导体紫光紫外激光器，该半导体紫光紫外激光器具有折射率系数梯度、禁带宽度梯度、介电常数梯度和电子有效质量梯度。通过设计折射率系数梯度和介电常数梯度，抑制上波导层和下波导层的光吸收损耗，降低内部光学损耗，改善有源层的折射率随高浓度载流子起伏引起的折射率色散，降低激射纵模的多模和模间变化，提升限制因子和模式增益以及相干性，改善远场FFP图像质量。通过设计禁带宽度梯度和电子有效质量梯度，降低空穴注入势垒，提升电子阻挡势垒，降低电子泄漏和去局域化，提升空穴注入效率，提升有源层的电子空穴注入均匀性，提升激光增益均匀性，改善增益谱变宽问题，提升峰值增益和斜率效率，降低阈值电流。

Description

一种半导体紫光紫外激光器
技术领域
本申请涉及半导体光电器件领域，尤其涉及一种半导体紫光紫外激光器。
背景技术
激光器广泛应用于激光显示、激光电视、激光投影仪、通讯、医疗、武器、制导、测距、光谱分析、切割、精密焊接、高密度光存储等领域。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，全固态半导体紫光紫外激光器具有体积小、效率高、重量轻、稳定性好、寿命长、结构简单紧凑、小型化等优点。
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，电子空穴跃迁到有源层或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。
氮化物半导体紫光紫外激光器存在以下问题：
1)光波导吸收损耗高，固有碳杂质在p型半导体中会补偿受主、破坏p型等，p型掺杂的离化率低，大量未电离的Mg受主杂质会导致内部光学损耗上升，且激光器的折射率色散，高浓度载流子浓度起伏影响有源层的折射率，限制因子随波长增加而减少，导致激光器的模式增益降低；
2)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，且量子阱极化电场提升空穴注入势垒、空穴溢出有源层等问题，空穴注入不均匀和效率偏低，导致量子阱中的电子空穴严重不对称不匹配，电子泄漏和载流子去局域化，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，同时，激光器增益谱变宽，峰值增益下降，导致激光器阈值电流增大且斜率效率降低。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；
3)激光光波的型态可分为横模和纵横；垂直于光轴截面内的横模光强分布是由半导体激光器的波导结构决定，若横模复杂不稳定，输出光的相干性差；纵模在谐振腔传播方向上是驻波分布，很多纵模同时激射或存在模间变化，则不能获得很高时间上的相干性，远场图像FFP质量差。
发明内容
为解决上述技术问题之一，本发明提供了一种半导体紫光紫外激光器。
本发明实施例提供了一种半导体紫光紫外激光器，包括从下至上依次设置的衬底、下限制层、下波导层、有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层和p型接触层，所述下限制层、下波导层、有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层和p型接触层之间具有折射率系数梯度、禁带宽度梯度、介电常数梯度和电子有效质量梯度。
优选地，所述下波导层包括第一子下波导层和第二子下波导层，所述第一子下波导层设置在所述第二子下波导层底部，所述下限制层、第一子下波导层、第二子下波导层、有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层和p型接触层之间具有折射率系数梯度、禁带宽度梯度、介电常数梯度和电子有效质量梯度。
优选地，所述下限制层、第一子下波导层、第二子下波导层、有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层和p型接触层之间折射率系数梯度为：2≤e≤f≤a≤b1≤g≤d≤b2≤c≤3，所述下限制层的折射率系数为a，第一子下波导层的折射率系数为b1，第二子下波导层的折射率系数为b2，有源层的的折射率系数为c，上波导层的折射率系数为d，电子阻挡层的折射率系数为e，上限制层的折射率系数为f，p型接触层的折射率系数为g。
优选地，所述下限制层、第一子下波导层、第二子下波导层、有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层和p型接触层之间禁带宽度梯度为：0.5eV≤j≤i2≤k≤n≤i1≤h≤m≤l≤6.5eV，所述下限制层的禁带宽度为h，第一子下波导层的禁带宽度为i1，第二子下波导层的折射率系数为i2，有源层的的禁带宽度为j，上波导层的禁带宽度为k，电子阻挡层的禁带宽度为l，上限制层的禁带宽度为m，p型接触层的禁带宽度为n。
优选地，所述下限制层、第一子下波导层、第二子下波导层、有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层和p型接触层之间介电常数梯度为：8≤t≤u≤p≤q1≤v≤s≤q2≤r≤12，所述下限制层的介电常数为p，第一子下波导层的介电常数为q1，第二子下波导层的介电常数为q2，有源层的的介电常数为r，上波导层的介电常数为s，电子阻挡层的介电常数为t，上限制层的介电常数为u，p型接触层的介电常数为v。
优选地，所述下限制层、第一子下波导层、第二子下波导层、有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层和p型接触层之间介电常数梯度为：0.01≤y≤x2≤z≤γ≤x1≤w≤β≤α≤0.5，所述下限制层的电子有效质量为w，第一子下波导层的电子有效质量为x1，第二子下波导层的电子有效质量为x2，有源层的的电子有效质量为y，上波导层的电子有效质量为z，电子阻挡层的电子有效质量为α，上限制层的电子有效质量为β，p型接触层的电子有效质量为γ。
优选地，所述下波导层为InGaN、InN、GaN、AlInGaN、AlN、AlGaN、AlInN的任意一种或任意组合；所述第一子下波导层和第二子下波导层的厚度均为20埃米至8000埃米；
所述上波导层为InGaN、InN、GaN、AlInGaN、AlInN、AlGaN的任意一种或任意组合，所述上波导层的厚度为20埃米至6000埃米。
优选地，所述上限制层和下限制层为GaN、AlInGaN、AlN、AlInN、AlGaN的任意一种或任意组合，所述上限制层的厚度为20埃米至50000埃米，所述下限制层的厚度为50埃米至90000埃米。
优选地，所述电子阻挡层和p型接触层为InGaN、InN、GaN、AlInGaN、AlN、AlInN、AlGaN、SiC、Ga2O3、BN的任意一种或任意组合，所述下限制层的厚度为5埃米至2000埃米。
优选地，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。
本发明的有益效果如下：本发明设计半导体紫光紫外激光器中下限制层、下波导层、有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层和p型接触层之间的折射率系数梯度、禁带宽度梯度、介电常数梯度和电子有效质量梯度。其中，通过设计折射率系数梯度和介电常数梯度，抑制上波导层和下波导层的光吸收损耗，降低内部光学损耗，改善有源层的折射率随高浓度载流子起伏引起的折射率色散，降低激射纵模的多模和模间变化，提升限制因子和模式增益以及相干性，改善远场FFP图像质量。通过设计禁带宽度梯度和电子有效质量梯度，降低空穴注入势垒，提升电子阻挡势垒，降低电子泄漏和去局域化，提升空穴注入效率，提升有源层的电子空穴注入均匀性，提升激光增益均匀性，改善增益谱变宽问题，提升峰值增益和斜率效率，降低阈值电流。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的半导体紫光紫外激光器的结构示意图；
图2为本发明实施例所述的半导体紫光紫外激光器的结构示意图；
图3为本发明实施例所述的半导体紫光紫外激光器的SIMS二次离子质谱图；
图4为本发明实施例所述的半导体紫光紫外激光器的局部结构SIMS二次离子质谱图；
图5为本发明实施例所述的半导体紫光紫外激光器的下限制层TEM透射电镜图；
图6为本发明实施例所述的半导体紫光紫外激光器的下波导层、有源层、上波导层、电子阻挡层TEM透射电镜图；
图7为本发明实施例的半导体紫光紫外激光器的上限制层和p型接触层TEM透射电镜图。
附图标记：
100、衬底，101、下限制层，102、下波导层，103、有源层，104、上波导层，105、电子阻挡层，106、上限制层，107、p型接触层；
102a、第一子下波导层，102b、第二子下波导层。
具体实施方式
为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
如图1所示，本实施例提出一种半导体紫光紫外激光器，包括从下至上依次设置的衬底100、下限制层101、下波导层102、有源层103、上波导层104、电子阻挡层105、上限制层106和p型接触层107。
具体的，本实施例中，下限制层101、下波导层102、有源层103、上波导层104、电子阻挡层105、上限制层106和p型接触层107均具有折射率、禁带宽度、介电常数和电子有效质量参数特性。并且，折射率、禁带宽度、介电常数和电子有效质量能够影响光学损耗以及激光器斜率效率等性能。
折射率是指光在真空中的传播速度与光在该介质中的传播速度之比。材料的折射率越高，使入射光发生折射的能力越强。
禁带宽度是指在半导体紫光紫外激光器中，导带底与价带顶之间的能量差。其能够反映电子从价带跃迁到导带所需的最小能量。通常来说，禁带宽度越小，半导体紫光紫外激光器的导电性越好。
介电常数是指晶格结构的物质所具有的在电场作用下，其中电荷的一部分能够被电场把持所产生的能量，与电场的强度成线性关系的物理量，是物体在电场中产生偏电流时，内部发生电势变化的介质常数。
电子有效质量即为电子的有效质量，在描述半导体中电子在外力作用时，一方面受到外力的作用，一方面还和半导体内部原子、电子相互作用，使得求解力与速度的关系变得困难。引入有效质量可以概括半导体内部势场的作用，使得求解半导体在外力作用下的规律时，可以不涉及内部势场作用。
本实施例基于折射率、禁带宽度、介电常数和电子有效质量的特点，对下限制层101、下波导层102、有源层103、上波导层104、电子阻挡层105、上限制层106和p型接触层107之间的折射率系数梯度、禁带宽度梯度、介电常数梯度和电子有效质量梯度进行设计，从而实现降低光学损耗以及提升激光器斜率效率等性能的目的。
具体的，如图2至图7所示，本实施例中，下波导层102包括第一子下波导层102a和第二子下波导层102b。其中，第一子下波导层102a设置在第二子下波导层102b底部。下限制层101、第一子下波导层102a、第二子下波导层102b、有源层103、上波导层104、电子阻挡层105、上限制层106和p型接触层107之间具有折射率系数梯度、禁带宽度梯度、介电常数梯度和电子有效质量梯度。具体的折射率系数梯度、禁带宽度梯度、介电常数梯度和电子有效质量梯度分别表示如下：
下限制层101、第一子下波导层102a、第二子下波导层102b、有源层103、上波导层104、电子阻挡层105、上限制层106和p型接触层107之间折射率系数梯度为：2≤e≤f≤a≤b1≤g≤d≤b2≤c≤3。其中，下限制层101的折射率系数为a，第一子下波导层102a的折射率系数为b1，第二子下波导层102b的折射率系数为b2，有源层103的的折射率系数为c，上波导层104的折射率系数为d，电子阻挡层105的折射率系数为e，上限制层106的折射率系数为f，p型接触层107的折射率系数为g。
下限制层101、第一子下波导层102a、第二子下波导层102b、有源层103、上波导层104、电子阻挡层105、上限制层106和p型接触层107之间禁带宽度梯度为：0.5eV≤j≤i2≤k≤n≤i1≤h≤m≤l≤6.5eV。其中，下限制层101的禁带宽度为h，第一子下波导层102a的禁带宽度为i1，第二子下波导层102b的折射率系数为i2，有源层103的的禁带宽度为j，上波导层104的禁带宽度为k，电子阻挡层105的禁带宽度为l，上限制层106的禁带宽度为m，p型接触层107的禁带宽度为n。
下限制层101、第一子下波导层102a、第二子下波导层102b、有源层103、上波导层104、电子阻挡层105、上限制层106和p型接触层107之间介电常数梯度为：8≤t≤u≤p≤q1≤v≤s≤q2≤r≤12。其中，下限制层101的介电常数为p，第一子下波导层102a的介电常数为q1，第二子下波导层102b的介电常数为q2，有源层103的的介电常数为r，上波导层104的介电常数为s，电子阻挡层105的介电常数为t，上限制层106的介电常数为u，p型接触层107的介电常数为v。
下限制层101、第一子下波导层102a、第二子下波导层102b、有源层103、上波导层104、电子阻挡层105、上限制层106和p型接触层107之间介电常数梯度为：0.01≤y≤x2≤z≤γ≤x1≤w≤β≤α≤0.5。其中，下限制层101的电子有效质量为w，第一子下波导层102a的电子有效质量为x1，第二子下波导层102b的电子有效质量为x2，有源层103的的电子有效质量为y，上波导层104的电子有效质量为z，电子阻挡层105的电子有效质量为α，上限制层106的电子有效质量为β，p型接触层107的电子有效质量为γ。
本实施例将下波导层102设计为两层下波导层结构，能够有效缓解有源层103与下限制层101之间的应力失配，释放应力，降低量子限制stark效应，提升有源层103电子空穴复合效率。同时，可提升光波导效应，提升有源层103的光场限制效应，将光限制在波导层和有源层103内。在此基础上，结合下限制层101、有源层103、上波导层104、电子阻挡层105、上限制层106和p型接触层107设计折射率系数梯度、禁带宽度梯度、介电常数梯度和电子有效质量梯度。其中，通过设计折射率系数梯度和介电常数梯度，抑制上波导层104和下波导层102的光吸收损耗，降低内部光学损耗，改善有源层103的折射率随高浓度载流子起伏引起的折射率色散，降低激射纵模的多模和模间变化，提升限制因子和模式增益以及相干性，改善远场FFP图像质量；通过设计禁带宽度梯度和电子有效质量梯度，降低空穴注入势垒，提升电子阻挡势垒，降低电子泄漏和去局域化，提升空穴注入效率，提升有源层103的电子空穴注入均匀性，提升激光增益均匀性，改善增益谱变宽问题，提升峰值增益和斜率效率，降低阈值电流。
进一步的，本实施例中，下波导层102为InGaN、InN、GaN、AlInGaN、AlN、AlGaN、AlInN的任意一种或任意组合；第一子下波导层102a和第二子下波导层102b的厚度均为20埃米至8000埃米。
上波导层104为InGaN、InN、GaN、AlInGaN、AlInN、AlGaN的任意一种或任意组合，上波导层104的厚度为20埃米至6000埃米。
上限制层106和下限制层101为GaN、AlInGaN、AlN、AlInN、AlGaN的任意一种或任意组合，上限制层106的厚度为20埃米至50000埃米，下限制层101的厚度为50埃米至90000埃米。
电子阻挡层105和p型接触层107为InGaN、InN、GaN、AlInGaN、AlN、AlInN、AlGaN、SiC、Ga2O3、BN的任意一种或任意组合，下限制层101的厚度为5埃米至2000埃米。
衬底100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。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种半导体紫光紫外激光器，其特征在于，包括从下至上依次设置的衬底、下限制层、下波导层、有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层和p型接触层，所述下限制层、下波导层、有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层和p型接触层之间具有折射率系数梯度、禁带宽度梯度、介电常数梯度和电子有效质量梯度。
2.根据权利要求1所述的半导体紫光紫外激光器，其特征在于，所述下波导层包括第一子下波导层和第二子下波导层，所述第一子下波导层设置在所述第二子下波导层底部，所述下限制层、第一子下波导层、第二子下波导层、有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层和p型接触层之间具有折射率系数梯度、禁带宽度梯度、介电常数梯度和电子有效质量梯度。
3.根据权利要求2所述的半导体紫光紫外激光器，其特征在于，所述下限制层、第一子下波导层、第二子下波导层、有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层和p型接触层之间折射率系数梯度为：2≤e≤f≤a≤b1≤g≤d≤b2≤c≤3，所述下限制层的折射率系数为a，第一子下波导层的折射率系数为b1，第二子下波导层的折射率系数为b2，有源层的的折射率系数为c，上波导层的折射率系数为d，电子阻挡层的折射率系数为e，上限制层的折射率系数为f，p型接触层的折射率系数为g。
4.根据权利要求2所述的半导体紫光紫外激光器，其特征在于，所述下限制层、第一子下波导层、第二子下波导层、有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层和p型接触层之间禁带宽度梯度为：0.5eV≤j≤i2≤k≤n≤i1≤h≤m≤l≤6.5eV，所述下限制层的禁带宽度为h，第一子下波导层的禁带宽度为i1，第二子下波导层的折射率系数为i2，有源层的的禁带宽度为j，上波导层的禁带宽度为k，电子阻挡层的禁带宽度为l，上限制层的禁带宽度为m，p型接触层的禁带宽度为n。
5.根据权利要求2所述的半导体紫光紫外激光器，其特征在于，所述下限制层、第一子下波导层、第二子下波导层、有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层和p型接触层之间介电常数梯度为：8≤t≤u≤p≤q1≤v≤s≤q2≤r≤12，所述下限制层的介电常数为p，第一子下波导层的介电常数为q1，第二子下波导层的介电常数为q2，有源层的的介电常数为r，上波导层的介电常数为s，电子阻挡层的介电常数为t，上限制层的介电常数为u，p型接触层的介电常数为v。
6.根据权利要求2所述的半导体紫光紫外激光器，其特征在于，所述下限制层、第一子下波导层、第二子下波导层、有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层和p型接触层之间介电常数梯度为：0.01≤y≤x2≤z≤γ≤x1≤w≤β≤α≤0.5，所述下限制层的电子有效质量为w，第一子下波导层的电子有效质量为x1，第二子下波导层的电子有效质量为x2，有源层的的电子有效质量为y，上波导层的电子有效质量为z，电子阻挡层的电子有效质量为α，上限制层的电子有效质量为β，p型接触层的电子有效质量为γ。
7.根据权利要求2所述的半导体紫光紫外激光器，其特征在于，所述下波导层为InGaN、InN、GaN、AlInGaN、AlN、AlGaN、AlInN的任意一种或任意组合；所述第一子下波导层和第二子下波导层的厚度均为20埃米至8000埃米；
所述上波导层为InGaN、InN、GaN、AlInGaN、AlInN、AlGaN的任意一种或任意组合，所述上波导层的厚度为20埃米至6000埃米。
8.根据权利要求1所述的半导体紫光紫外激光器，其特征在于，所述上限制层和下限制层为GaN、AlInGaN、AlN、AlInN、AlGaN的任意一种或任意组合，所述上限制层的厚度为20埃米至50000埃米，所述下限制层的厚度为50埃米至90000埃米。
9.根据权利要求1所述的半导体紫光紫外激光器，其特征在于，所述电子阻挡层和p型接触层为InGaN、InN、GaN、AlInGaN、AlN、AlInN、AlGaN、SiC、Ga2O3、BN的任意一种或任意组合，所述下限制层的厚度为5埃米至2000埃米。
10.根据权利要求1所述的半导体紫光紫外激光器，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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