CN117175353A - 一种半导体蓝光激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种半导体蓝光激光器，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、电子阻挡层和上限制层，所述下限制层与下波导层之间设置有第一子限制因子增强层，所述上限制层与电子阻挡层之间设置有第二子限制因子增强层和第三子限制因子增强层，所述第一子限制因子增强层、第二子限制因子增强层和第三子限制因子增强层组成限制因子增强层，所述限制因子增强层具有电子有效质量、菲利普电离度、介电常数和压电极化系数分布特性。本发明抑制激光器中高浓度载流子起伏引起的折射率色散，抑制波长增强引起的限制因子下降问题，提升激光器的模式增益。
Description
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蓝光激光器。
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。
氮化物半导体激光器存在以下问题：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。限制层的光场有耗散，光场模式泄漏到衬底形成驻波会导致衬底模式抑制效率低，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蓝光激光器。
本发明实施例提供了一种半导体蓝光激光器，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、电子阻挡层和上限制层，所述下限制层与下波导层之间设置有第一子限制因子增强层，所述上限制层与电子阻挡层之间设置有第二子限制因子增强层和第三子限制因子增强层，所述第一子限制因子增强层、第二子限制因子增强层和第三子限制因子增强层组成限制因子增强层，所述限制因子增强层具有电子有效质量、菲利普电离度、介电常数和压电极化系数分布特性。
优选地，所述第一子限制因子增强层的电子有效质量分布为“L”型的反向对称，所述第二子限制因子增强层的电子有效质量分布为“L”型，所述第三子限制因子增强层的电子有效质量分布为“一”字型，所述第一子限制因子增强层的电子有效质量≤第二子限制因子增强层的电子有效质量≤第三子限制因子增强层的电子有效质量。
优选地，所述第一子限制因子增强层的菲利普电离度分布为“7”字型，所述第二子限制因子增强层的菲利普电离度分布为“7”字型的反向对称，所述第三子限制因子增强层的利浦电离度分布为“一”字型，所述第三子限制因子增强层的菲利普电离度≤第二子限制因子增强层的菲利普电离度≤第一子限制因子增强层的菲利普电离度。
优选地，所述第一子限制因子增强层的介电常数分布为“7”字型，所述第二子限制因子增强层的介电常数分布为“7”字型的反向对称，所述第三子限制因子增强层的介电常数分布为“一”字型，所述第三子限制因子增强层的介电常数≤第二子限制因子增强层的介电常数≤第一子限制因子增强层的介电常数。
优选地，所述第一子限制因子增强层的压电极化系数分布为“L”型的反向对称，所述第二子限制因子增强层的压电极化系数分布为“L”型，所述第三子限制因子增强层的压电极化系数分布为“一”字型，所述第一子限制因子增强层的压电极化系数≤第二子限制因子增强层的压电极化系数≤第三子限制因子增强层的压电极化系数。
优选地，所述第一子限制因子增强层的掺杂元素为Si，所述Si的掺杂浓度为5E17cm-3至1E19cm-3；
所述第二子限制因子增强层和第三子限制因子增强层为非故意掺杂；
所述第二子限制因子增强层的背景Mg掺杂浓度为1E15cm-3至1E17cm-3；
所述第三子限制因子增强层的背景Mg掺杂浓度为1E16cm-3至5E18cm-3。
优选地，所述第一子限制因子增强层和第二子限制因子增强层为InGaN、GaN、InN的任意一种或任意组合，所述第三子限制因子增强层为AlGaN、AlInGaN、AlInN、GaN的任意一种或任意组合。
优选地，所述有源层为阱层和垒层组成的周期结构，周期为x：1≤x≤3；
所述有源层的阱层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlGaN、AlInGaN、AlN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、InGaAsN、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、GaSb、InSb、InAs、InAsSb、AlGaSb、AlSb、InGaSb、AlGaAsSb、InGaAsSb、SiC、Ga2O3、BN的任意一种或任意组合，阱层厚度为p：10≤p≤100埃米；
所述有源层的垒层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlGaN、AlInGaN、AlN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、InGaAsN、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、GaSb、InSb、InAs、InAsSb、AlGaSb、AlSb、InGaSb、AlGaAsSb、InGaAsSb、SiC、Ga2O3、BN的任意一种或任意组合，垒层厚度为q：10≤q≤200埃米。
优选地，所述上波导层、上限制层、下波导层、电子阻挡层、下限制层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlGaN、AlInGaN、AlN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、InGaAsN、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、GaSb、InSb、InAs、InAsSb、AlGaSb、AlSb、InGaSb、AlGaAsSb、InGaAsSb、SiC、Ga2O3、BN的任意一种或任意组合。
优选地，所述衬底包括蓝宝石、硅、Ge、SiC、AlN、GaN、GaAs、InP、InAs、GaSb、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：本发明通过在半导体蓝光激光器中设置限制因子增强层，并将该限制因子增强层中设计电子有效质量、菲利普电离度、介电常数和压电极化系数的分布特性，从而使限制因子增强层抑制激光器中高浓度载流子起伏引起的折射率色散，抑制波长增强引起的限制因子下降问题，提升激光器的模式增益。同时，限制因子增强层可抑制限制层的光场耗散，降低光场模式泄漏至衬底，减小聚焦光斑尺寸，提升激光器的限制因子、光束质量因子和远场图像质量。
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蓝光激光器的结构示意图；
图2为本发明实施例所述的半导体蓝光激光器的SIMS二次离子质谱图。
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、限制因子增强层；
107a、第一子限制因子增强层，107b、第二子限制因子增强层，107c、第三子限制因子增强层。
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。
如图1和图2所示，本实施例提出一种半导体蓝光激光器，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和上限制层106。其中，在该半导体蓝光激光器中设置有一限制因子增强层107。
具体的，本实施例中，半导体蓝光激光器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和上限制层106。限制因子增强层107设置于半导体蓝光激光器的限制层附近。该限制因子增强层107中具有电子有效质量、菲利普电离度、介电常数和压电极化系数分布特性，以提升半导体蓝光激光器的性能。
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。
菲利普电离度(Philips ionicity)为GaN材料的基本物理参数之一，其表征材料的电离度特性和电子特性参数。菲利普电离度具体的相关概念在“J.A.VanVechten.Quantum Dielectric Theory ofElectronegativity in CovalentSystems.III.Pressure-Temperature Phase Diagrams,Heats of Mixing,andDistribution Coefficients[J].Phys.Rev.B,1973,7:1479-1507.”中有较为详细的记载。
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。
压电极化是指某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。
通过对该限制因子增强层107中设计电子有效质量、菲利普电离度、介电常数和压电极化系数的分布特性，从而使限制因子增强层107抑制激光器中高浓度载流子起伏引起的折射率色散，抑制波长增强引起的限制因子下降问题，提升激光器的模式增益。同时，限制因子增强层107可抑制限制层的光场耗散，降低光场模式泄漏至衬底100，减小聚焦光斑尺寸，提升激光器的限制因子、光束质量因子和远场图像质量。
进一步的，本实施例中，限制因子增强层107包括第一子限制因子增强层107a、第二子限制因子增强层107b和第三子限制因子增强层107c。其中，第一子限制因子增强层107a设置在下限制层101与下波导层102之间，第二子限制因子增强层107b和第三子限制因子增强层107c设置在上限制层106与电子阻挡层105之间。在该第一子限制因子增强层107a、第二子限制因子增强层107b和第三子限制因子增强层107c中均具有特定的电子有效质量、菲利普电离度、介电常数和压电极化系数分布特性，以下将分别进行说明。
(1)电子有效质量
该第一子限制因子增强层107a、第二子限制因子增强层107b和第三子限制因子增强层107c的电子有效质量分布特性具体表现为：
第一子限制因子增强层107a的电子有效质量分布为“L”型的反向对称，即“反L”型分布；
第二子限制因子增强层107b的电子有效质量分布为“L”型；
第三子限制因子增强层107c的电子有效质量分布为“一”字型。
该第一子限制因子增强层107a、第二子限制因子增强层107b和第三子限制因子增强层107c的电子有效质量关系具体为：
0.05≤第一子限制因子增强层107a的电子有效质量≤第二子限制因子增强层107b的电子有效质量≤第三子限制因子增强层107c的电子有效质量≤0.5。
(2)菲利普电离度
该第一子限制因子增强层107a、第二子限制因子增强层107b和第三子限制因子增强层107c的菲利普电离度分布特性具体表现为：
第一子限制因子增强层107a的菲利普电离度分布为“7”字型；
第二子限制因子增强层107b的菲利普电离度分布为“7”字型的反向对称，即“反7”型分布；
第三子限制因子增强层107c的利浦电离度分布为“一”字型。
该第一子限制因子增强层107a、第二子限制因子增强层107b和第三子限制因子增强层107c的菲利普电离度关系具体为：
0.1≤第三子限制因子增强层107c的菲利普电离度≤第二子限制因子增强层107b的菲利普电离度≤第一子限制因子增强层107a的菲利普电离度≤1.0。
(3)介电常数
该第一子限制因子增强层107a、第二子限制因子增强层107b和第三子限制因子增强层107c的介电常数分布特性具体表现为：
第一子限制因子增强层107a的介电常数分布为“7”字型；
第二子限制因子增强层107b的介电常数分布为“7”字型的反向对称，即“反7”型分布；
第三子限制因子增强层107c的介电常数分布为“一”字型。
该第一子限制因子增强层107a、第二子限制因子增强层107b和第三子限制因子增强层107c的介电常数关系具体为：
5≤第三子限制因子增强层107c的介电常数≤第二子限制因子增强层107b的介电常数≤第一子限制因子增强层107a的介电常数≤15。
(4)压电极化系数
该第一子限制因子增强层107a、第二子限制因子增强层107b和第三子限制因子增强层107c的压电极化系数分布特性具体表现为：
第一子限制因子增强层107a的压电极化系数分布为“L”型的反向对称，即“反L”型分布；
第二子限制因子增强层107b的压电极化系数分布为“L”型；
第三子限制因子增强层107c的压电极化系数分布为“一”字型。
该第一子限制因子增强层107a、第二子限制因子增强层107b和第三子限制因子增强层107c的压电极化系数关系具体为：
0.5≤第一子限制因子增强层107a的压电极化系数≤第二子限制因子增强层107b的压电极化系数≤第三子限制因子增强层107c的压电极化系数≤2。
下表所示为本实施例所提出的半导体蓝光激光器与传统半导体蓝光激光器的性能参数对比：
可以看出，本实施例所提出的半导体蓝光激光器可抑制限制层的光场耗散，降低光场模式泄漏至衬底100，减小聚焦光斑尺寸，提升激光器的限制因子、光束质量因子和远场图像质量。
更进一步的，第一子限制因子增强层107a和第二子限制因子增强层107b为InGaN、GaN、InN的任意一种或任意组合。第三子限制因子增强层107c为AlGaN、AlInGaN、AlInN、GaN的任意一种或任意组合。该第一子限制因子增强层107a的掺杂元素为Si，所述Si的掺杂浓度为5E17cm-3至1E19cm-3。第二子限制因子增强层107b和第三子限制因子增强层107c为非故意掺杂。第二子限制因子增强层107b的背景Mg掺杂浓度为1E15cm-3至1E17cm-3。第三子限制因子增强层107c的背景Mg掺杂浓度为1E16cm-3至5E18cm-3。
更进一步的，有源层103为阱层和垒层组成的周期结构，周期为x：1≤x≤3。
有源层103的阱层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlGaN、AlInGaN、AlN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、InGaAsN、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、GaSb、InSb、InAs、InAsSb、AlGaSb、AlSb、InGaSb、AlGaAsSb、InGaAsSb、SiC、Ga2O3、BN的任意一种或任意组合，阱层厚度为p：10≤p≤100埃米。
有源层103的垒层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlGaN、AlInGaN、AlN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、InGaAsN、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、GaSb、InSb、InAs、InAsSb、AlGaSb、AlSb、InGaSb、AlGaAsSb、InGaAsSb、SiC、Ga2O3、BN的任意一种或任意组合，垒层厚度为q：10≤q≤200埃米。
上波导层104、上限制层106、下波导层102、电子阻挡层105、下限制层101为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlGaN、AlInGaN、AlN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、InGaAsN、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、GaSb、InSb、InAs、InAsSb、AlGaSb、AlSb、InGaSb、AlGaAsSb、InGaAsSb、SiC、Ga2O3、BN的任意一种或任意组合。
衬底100包括蓝宝石、硅、Ge、SiC、AlN、GaN、GaAs、InP、InAs、GaSb、蓝宝石/SiO2复合衬底100、蓝宝石/AlN复合衬底100、蓝宝石/SiNx、镁铝尖晶石MgAl2O4、MgO、ZnO、ZrB2、LiAlO2和LiGaO2复合衬底100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)
1.一种半导体蓝光激光器，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、电子阻挡层和上限制层，其特征在于，所述下限制层与下波导层之间设置有第一子限制因子增强层，所述上限制层与电子阻挡层之间设置有第二子限制因子增强层和第三子限制因子增强层，所述第一子限制因子增强层、第二子限制因子增强层和第三子限制因子增强层组成限制因子增强层，所述限制因子增强层具有电子有效质量、菲利普电离度、介电常数和压电极化系数分布特性。
2.根据权利要求1所述的半导体蓝光激光器，其特征在于，所述第一子限制因子增强层的电子有效质量分布为“L”型的反向对称，所述第二子限制因子增强层的电子有效质量分布为“L”型，所述第三子限制因子增强层的电子有效质量分布为“一”字型，所述第一子限制因子增强层的电子有效质量≤第二子限制因子增强层的电子有效质量≤第三子限制因子增强层的电子有效质量。
3.根据权利要求1所述的半导体蓝光激光器，其特征在于，所述第一子限制因子增强层的菲利普电离度分布为“7”字型，所述第二子限制因子增强层的菲利普电离度分布为“7”字型的反向对称，所述第三子限制因子增强层的利浦电离度分布为“一”字型，所述第三子限制因子增强层的菲利普电离度≤第二子限制因子增强层的菲利普电离度≤第一子限制因子增强层的菲利普电离度。
4.根据权利要求1所述的半导体蓝光激光器，其特征在于，所述第一子限制因子增强层的介电常数分布为“7”字型，所述第二子限制因子增强层的介电常数分布为“7”字型的反向对称，所述第三子限制因子增强层的介电常数分布为“一”字型，所述第三子限制因子增强层的介电常数≤第二子限制因子增强层的介电常数≤第一子限制因子增强层的介电常数。
5.根据权利要求1所述的半导体蓝光激光器，其特征在于，所述第一子限制因子增强层的压电极化系数分布为“L”型的反向对称，所述第二子限制因子增强层的压电极化系数分布为“L”型，所述第三子限制因子增强层的压电极化系数分布为“一”字型，所述第一子限制因子增强层的压电极化系数≤第二子限制因子增强层的压电极化系数≤第三子限制因子增强层的压电极化系数。
6.根据权利要求1所述的半导体蓝光激光器，其特征在于，所述第一子限制因子增强层的掺杂元素为Si，所述Si的掺杂浓度为5E17cm-3至1E19cm-3；
所述第二子限制因子增强层和第三子限制因子增强层为非故意掺杂；
所述第二子限制因子增强层的背景Mg掺杂浓度为1E15cm-3至1E17cm-3；
所述第三子限制因子增强层的背景Mg掺杂浓度为1E16cm-3至5E18cm-3。
7.根据权利要求1所述的半导体蓝光激光器，其特征在于，所述第一子限制因子增强层和第二子限制因子增强层为InGaN、GaN、InN的任意一种或任意组合，所述第三子限制因子增强层为AlGaN、AlInGaN、AlInN、GaN的任意一种或任意组合。
8.根据权利要求1所述的半导体蓝光激光器，其特征在于，所述有源层为阱层和垒层组成的周期结构，周期为x：1≤x≤3；
所述有源层的阱层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlGaN、AlInGaN、AlN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、InGaAsN、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、GaSb、InSb、InAs、InAsSb、AlGaSb、AlSb、InGaSb、AlGaAsSb、InGaAsSb、SiC、Ga2O3、BN的任意一种或任意组合，阱层厚度为p：10≤p≤100埃米；
所述有源层的垒层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlGaN、AlInGaN、AlN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、InGaAsN、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、GaSb、InSb、InAs、InAsSb、AlGaSb、AlSb、InGaSb、AlGaAsSb、InGaAsSb、SiC、Ga2O3、BN的任意一种或任意组合，垒层厚度为q：10≤q≤200埃米。
9.根据权利要求1所述的半导体蓝光激光器，其特征在于，所述上波导层、上限制层、下波导层、电子阻挡层、下限制层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlGaN、AlInGaN、AlN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、InGaAsN、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、GaSb、InSb、InAs、InAsSb、AlGaSb、AlSb、InGaSb、AlGaAsSb、InGaAsSb、SiC、Ga2O3、BN的任意一种或任意组合。
10.根据权利要求1所述的半导体蓝光激光器，其特征在于，所述衬底包括蓝宝石、硅、Ge、SiC、AlN、GaN、GaAs、InP、InAs、GaSb、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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