CN116799618A - 一种电调节垂直面发射氮化镓激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电调节垂直面发射氮化镓激光器，包括本体，沿本体的高度方向，本体依次具有顶部DBR层、p型GaN层、InGaN量子阱有源层以及n型GaN层，顶部DBR层周围环绕设有顶部电极，n型GaN层上的中间导电层上设有中间电极，n型GaN层的下方设有底部电极，顶部电极和底部电极之间施加有工作电压，中间电极与顶部电极之间或者中间电极与底部电极之间施加有调节电压。本发明在激光器内部施加调节电压，形成调节电场，对InGaN基量子阱有源层的局域极化进行调节，不仅可以有效减少InGaN基量子阱的能带倾斜，降低量子斯塔克效应（QCSE），从而提高激光器的效率，也可以通过施加一定信号的调节电压对激光器的发光波长进行调制，实现调频载波信号传输功能。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，具体为一种电调节垂直面发射氮化镓激光器。
背景技术
相对于边发射激光器（Edge Emission Laser，EEL），垂直面发射激光器（VerticalCavity Surface Emitting Laser，VCSEL）拥有更低的阈值电流和更高的光束质量，且更容易实现平面阵列集成等优点，在信息、医疗、雷达、显示和照明等领域有着巨大的市场价值。砷化镓基VCSEL目前发展十分迅速而且已经成功商业化，但氮化镓基VCSEL发展较为缓慢。由于非极性面氮化镓材料晶体质量较差，氮化镓外延薄膜通常是在极性面生长。在没有外场作用下的纤锌矿结构的氮化镓材料内部自发形成极化电场，并且量子阱和量子垒之间晶格常数不同，超薄的阱和垒之间的晶格失配也会形成压电极化效应，这导致在多量子阱激光器结构中存在一定的势垒，使得有源层区域的量子阱能带发生倾斜，由于空穴有效质量较大，迁移率本身就较低，量子阱区域倾斜的能带进一步提高了空穴注入的势垒，使得空穴从量子阱P型侧到N型侧的注入更加困难，引起有源层内的空穴注入不均匀，最终导致激光器效率降低。这尤其在高In组分的InGaN量子阱中更加明显。如何减小量子阱的极化势垒电场成为氮化镓激光器发展的一个难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电调节垂直面发射氮化镓激光器，至少可以解决现有技术中的部分缺陷。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种电调节垂直面发射氮化镓激光器，包括本体，沿所述本体的高度方向，所述本体依次具有顶部DBR层、p型GaN层、InGaN量子阱有源层以及n型GaN层，所述顶部DBR层周围环绕设有顶部电极，所述n型GaN层上的中间导电层上设有中间电极，所述n型GaN层的下方设有底部电极，所述顶部电极和所述底部电极之间施加有工作电压，所述中间电极与所述顶部电极之间或者所述中间电极与所述底部电极之间施加有调节电压。
进一步，还包括包覆部分所述中间导电层的中间绝缘层，所述中间导电层未被包覆的部位上设有所述中间电极，所述中间导电层通过所述中间绝缘层分别与所述InGaN量子阱有源层、所述p型GaN层和所述n型GaN层绝缘。
进一步，所述中间绝缘层的厚度大于所述InGaN量子阱有源层的厚度，并围绕在所述InGaN量子阱有源层周围。
进一步，还包括环绕设置于所述p型GaN层周围的上部绝缘层以及环绕设置于所述n型GaN层周围的下部绝缘层。
进一步，所述上部绝缘层、所述中间绝缘层和所述下部绝缘层均采用氧化硅、氧化铝或氮化铝，所述中间导电层采用重掺杂n型GaN。
进一步，还包括设于所述n型GaN层内部的底部DBR层。
进一步，所述顶部DBR层和所述底部DBR层包括多周期的AlN层和GaN层，或者包括多周期的Ta2O5层和SiO2层。
进一步，所述调节电压的大小为所述工作电压的大小的2~20倍。
进一步，所述InGaN量子阱有源层包括多周期的InGaN层和GaN层，厚度在20~60nm之间，所述InGaN量子阱有源层区域直径长为在2~5μm之间。
进一步，所述顶部电极、所述中间电极以及所述底部电极的厚度均控制在400nm~1μm之间，且所述顶部电极、所述中间电极以及所述底部电极的材料均为Al、Ti、Au和Ag中的一种形成的金属薄膜或多种形成的合金薄膜。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：一种电调节垂直面发射氮化镓激光器，在激光器内部施加调节电压，形成调节电场，对InGaN基量子阱有源层的局域极化进行调节，不仅可以有效减少InGaN基量子阱的能带倾斜，降低量子斯塔克效应（QCSE），从而提高激光器的效率，也可以通过施加一定信号的调节电压对激光器的发光波长进行调制，实现调频载波信号传输功能。相比传统边发射激光器结构，垂直面发射激光器结构更薄，因而在同样电压下，垂直面发射激光器量子阱内的调节电场强度更强，可以充分发挥电调节的技术思路。本发明提出的器件结构简单，制造工艺易于实现，成本可控。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种电调节垂直面发射氮化镓激光器的侧视剖面图；
图2为本发明实施例提供的一种电调节垂直面发射氮化镓激光器的俯视视角示意图；
图3为本发明实施例提供的一种电调节垂直面发射氮化镓激光器的仰视视角示意图；
图4为本发明实施例提供的一种电调节垂直面发射氮化镓激光器的氮化镓晶胞结构图（示意外加电场施加方向）；
图5为本发明实施例提供的一种电调节垂直面发射氮化镓激光器通过基于密度泛函理论的第一性原理计算方法计算的氮化镓材料能带结构图；
图6为本发明实施例提供的一种电调节垂直面发射氮化镓激光器通过基于密度泛函理论的第一性原理计算方法计算的外加电场对氮化镓能带带隙的影响的示意图；
图7为本发明实施例提供的一种电调节垂直面发射氮化镓激光器通过基于密度泛函理论的第一性原理计算方法计算的外加电场对氮化镓材料发射光波长的影响的示意图；
附图标记中：101-顶部DBR层，102-顶部电极，103-上部绝缘层，104- p型GaN层，105-InGaN量子阱有源层，106-中间绝缘层，107-中间电极，108-中间导电层，109-n型GaN层，110-底部DBR层，111-下部绝缘层，112-底部电极。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1、图2和图3，本发明实施例提供一种电调节垂直面发射氮化镓激光器，包括本体，沿所述本体的高度方向，所述本体依次具有顶部DBR层101、p型GaN层104、InGaN量子阱有源层105以及n型GaN层109，所述顶部DBR层101周围环绕设有顶部电极102，所述n型GaN层109上的中间导电层108上设有中间电极107，所述n型GaN层109的下方设有底部电极112，所述顶部电极102和所述底部电极112之间施加有工作电压，所述中间电极107与所述顶部电极102之间或者所述中间电极107与所述底部电极112之间施加有调节电压。优选的，本激光器还包括包覆部分所述中间导电层108的中间绝缘层106、环绕设置于所述p型GaN层104周围的上部绝缘层103、环绕设置于所述n型GaN层109周围的下部绝缘层111以及设于所述n型GaN层109内部的底部DBR层110，所述中间导电层108未被包覆的部位上设有所述中间电极107，所述中间导电层108通过所述中间绝缘层106分别与所述InGaN量子阱有源层105、所述p型GaN层104和所述n型GaN层109绝缘。在本实施例中，在激光器内部施加调节电压，形成调节电场，对InGaN基量子阱有源层的局域极化进行调节，不仅可以有效减少InGaN基量子阱的能带倾斜，降低量子斯塔克效应（QCSE），从而提高激光器的效率，也可以通过施加一定信号的调节电压对激光器的发光波长进行调制，实现调频载波信号传输功能。相比传统边发射激光器结构，垂直面发射激光器结构更薄，因而在同样电压下，垂直面发射激光器量子阱内的调节电场强度更强，可以充分发挥电调节的技术思路。本发明提出的器件结构简单，制造工艺易于实现，成本可控。
具体地，请参阅图1、图2和图3，从顶部至底部的方向，本激光器的结构依次有顶部DBR层101（Distributed Bragg Reflector，分布式布拉格反射镜）、顶部电极102、p型GaN层104、中间绝缘层106、中间导电层108、中间电极107、InGaN量子阱有源层105、n型GaN层109、底部DBR层110和底部电极112，上部绝缘层103围绕在p型GaN层104周围，下部绝缘层111围绕在n型GaN周围。其中，所述顶部电极102围绕在顶部DBR层101周围，且与p型GaN层104的顶部形成良好电学接触。所述中间绝缘层106厚度大于InGaN量子阱有源层105的厚度，并围绕在InGaN量子阱有源层105周围。所述中间导电层108通过中间绝缘层106分别与InGaN量子阱有源层105、p型GaN层104和n型GaN层109绝缘。中间电极107与中间导电层108顶部形成良好电学接触。底部DBR层110位于n型GaN层109内部下方的中间区域。底部电极112与n型GaN层109底部形成良好电学接触。
那么根据上述的激光器结构，当电调节激光器工作时，采用三端供电，所述顶部电极102与底部电极112之间施加激光器所需工作电压，所述中间电极107与顶部电极102或者底部电极112之间施加调节激光器所需调节电压。所述调节电压可以是恒定电压，也可以是方波电压、正弦波电压或脉冲电压等，调节电压大小为工作电压大小的2~20倍。如图4所示，为氮化镓晶胞结构图，其中体现了外加电场施加方向，外加电场施加方向沿着激光器的高度方向。加电压的工作原理具体为：氮化镓等半导体发光二极管和激光二极管的发射波长主要由材料的能带带隙决定。根据光子理论Eg=E=h×f=(h×c)/L（Eg为材料能带带隙，单位为eV；E为光子能量，h为普朗克常数，f为光频率，c为光速，L为光波长），材料的能带带隙能量越高，器件发射光子的能量越高，对应的发射光频率越高波长越短。外加电场的存在使超薄的量子阱有源层材料的原子或分子极化，一方面可以改变半导体的电子能带结构，降低由于材料自发极化引起的量子阱能带倾斜，需要注意的是，过强的外加电场可能导致材料能带特性由半导体转向金属化。另一方面外电场可以改变材料的能带带隙，从而调节器件发射的光频率和波长，这种调节对于极性较强的氮化镓材料尤为明显。当中间电极107所施加的外加电场的电压强度变化时，器件发射光的频率和波长也会产生相应变化，从而可将外加电场的低频电压变化信号携载在发射光上。
其中，为了有助于技术人员理解施加调节电场对激光器发光频率和波长的影响规律，本专利施加调节电场调节激光器发光波长的变化规律及范围的理论计算效果如图5、图6和图7所示，图5为基于第一性原理计算的氮化镓材料能带图，根据该能带图可进一步计算得到氮化镓的能带带隙。当施加不同的调节电压时，对应计算的氮化镓材料能带图发生变化，相应的氮化镓能带带隙也发生变化，其中12组调节电压下能带带隙的变化范围如图6所示，进一步计算的12组调节电压下发光波长的变化范围如图7所示。
作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1、图2和图3，顶部DBR层101和底部DBR层110可以是多周期的AlN和GaN层交替形成，也可以是多周期的Ta2O5和SiO2层交替形成。InGaN量子阱有源层105由5~10周期的InGaN和GaN层交替形成，厚度为20nm~60nm，InGaN量子阱有源层105区域直径长为2μm~5μm。p型GaN层104厚度为50nm~150nm，所述n型GaN层109厚度为500nm~2μm。顶部电极102、中间电极107、底部电极112厚度为400nm~1μm，材料为Al、Ti、Au和Ag等金属薄膜及其合金薄膜。上部绝缘层103、中间绝缘层106和下部绝缘层111采用氧化硅、氧化铝或氮化铝等绝缘材料。中间导电层108采用重掺杂n型GaN等材料。
其中，顶部DBR层101为12层周期的Ta2O5和SiO2层交替形成，底部DBR层110为24周期的AlN和GaN层交替形成。InGaN量子阱有源层105由6周期的InGaN和GaN层交替形成，阱层厚度为3nm，垒层厚度为5nm，InGaN量子阱有源层105区域直径长为3μm。p型GaN层104厚度为120nm，n型GaN层109厚度为1μm。顶部电极102、中间电极106和底部电极112厚度分别为600nm、500nm和1μm，顶部电极102材料为Al/Ti/Au多层金属膜， 中间电极106和底部电极112为Ag/Ti/Au多层金属膜。上部绝缘层103、中间绝缘层106和下部绝缘层111均采用氧化硅材料。中间导电层108采用重掺杂n型GaN等材料，掺杂浓度约为2×1019cm-3。
当电调节激光器工作时，顶部电极102与底部电极112之间施加激光器所需工作电压为5V，中间电极106与顶部电极102之间施加调节激光器所需调节电压为方波电压、峰值大小为15V，占空比为80%，方波频率为10Hz，则所发射的激光每隔0.02秒有持续0.08秒的波长偏移，通过光接收器件解调可以获取10Hz的低频方波信号。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种电调节垂直面发射氮化镓激光器，包括本体，其特征在于：沿所述本体的高度方向，所述本体依次具有顶部DBR层、p型GaN层、InGaN量子阱有源层以及n型GaN层，所述顶部DBR层周围环绕设有顶部电极，所述n型GaN层上的中间导电层上设有中间电极，所述n型GaN层的下方设有底部电极，所述顶部电极和所述底部电极之间施加有工作电压，所述中间电极与所述顶部电极之间或者所述中间电极与所述底部电极之间施加有调节电压。
2.如权利要求1所述的一种电调节垂直面发射氮化镓激光器，其特征在于：还包括包覆部分所述中间导电层的中间绝缘层，所述中间导电层未被包覆的部位上设有所述中间电极，所述中间导电层通过所述中间绝缘层分别与所述InGaN量子阱有源层、所述p型GaN层和所述n型GaN层绝缘。
3.如权利要求2所述的一种电调节垂直面发射氮化镓激光器，其特征在于：所述中间绝缘层的厚度大于所述InGaN量子阱有源层的厚度，并围绕在所述InGaN量子阱有源层周围。
4.如权利要求2所述的一种电调节垂直面发射氮化镓激光器，其特征在于：还包括环绕设置于所述p型GaN层周围的上部绝缘层以及环绕设置于所述n型GaN层周围的下部绝缘层。
5.如权利要求4所述的一种电调节垂直面发射氮化镓激光器，其特征在于：所述上部绝缘层、所述中间绝缘层和所述下部绝缘层均采用氧化硅、氧化铝或氮化铝，所述中间导电层采用重掺杂n型GaN。
6.如权利要求1所述的一种电调节垂直面发射氮化镓激光器，其特征在于：还包括设于所述n型GaN层内部的底部DBR层。
7.如权利要求6所述的一种电调节垂直面发射氮化镓激光器，其特征在于：所述顶部DBR层和所述底部DBR层包括多周期的AlN层和GaN层，或者包括多周期的Ta2O5层和SiO2层。
8.如权利要求1所述的一种电调节垂直面发射氮化镓激光器，其特征在于：所述调节电压的大小为所述工作电压的大小的2~20倍。
9.如权利要求1所述的一种电调节垂直面发射氮化镓激光器，其特征在于：所述InGaN量子阱有源层包括多周期的InGaN层和GaN层，厚度在20~60nm之间，所述InGaN量子阱有源层区域直径长为在2~5μm之间。
10.如权利要求1所述的一种电调节垂直面发射氮化镓激光器，其特征在于：所述顶部电极、所述中间电极以及所述底部电极的厚度均控制在400nm~1μm之间，且所述顶部电极、所述中间电极以及所述底部电极的材料均为Al、Ti、Au和Ag中的一种形成的金属薄膜或多种形成的合金薄膜。
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