CN117353155A - 一种半导体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种半导体激光器，包括从下至上依次设置的衬底、下限制层、下波导层、有源层、上波导层和上限制层，所述下限制层包括第一子下限制层和第二子下限制层，所述第一子下限制层与第二子下限制层之间设置有应变释放层，所述应变释放层具有菲利浦电离度分布、击穿场强分布和晶格常数分布特性。本发明的应变释放层具有菲利浦电离度分布、击穿场强分布和晶格常数分布特性，从而释放衬底与下限制层的应变以及下限制层与下波导层之间的应变，降低表面裂纹比例，提升下限制层的晶格质量，抑制激光器IV曲线不连续现象，消除激光器的光学灾变。
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：
热损耗：泵浦光与振荡光之间的光子能量差形成的斯托克斯频移损耗转换为热量，以及泵浦能级到激光上能级的耦合率不为1的能量损失转换为热量，两者共同产生大量废热，使激光器温度分布不均匀，引起热膨胀和热应力分布不均匀，产生温度淬灭、激光器断裂、热透镜效应和应力双折射效应；热透镜在空间中产生类似透镜现象，而应力双折射效应改变入射光的偏振状态，使激光光束去极化和失真。激光器芯片有源区内存在非辐射复合损耗和自由载流子吸收产生大量热量，同时，外延和芯片材料存在电阻在电流注入下会产生焦耳热损耗和载流子吸收损耗，且芯片材料热导率低，散热性能差，导致有源层温度升高，出现激射波长红移、量子效率下降、功率降低、阈值电流增大、寿命变短和可靠性变差等问题。
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激光器。
本发明实施例提供了一种半导体激光器，包括从下至上依次设置的衬底、下限制层、下波导层、有源层、上波导层和上限制层，所述下限制层包括第一子下限制层和第二子下限制层，所述第一子下限制层与第二子下限制层之间设置有应变释放层，所述应变释放层具有菲利浦电离度分布、击穿场强分布和晶格常数分布特性。
优选地，所述应变释放层的菲利浦电离度分布具有函数y＝ax2+bx+c(a＜0)曲线分布。
优选地，所述应变释放层的击穿场强分布具有函数y＝cscx第四象限曲线分布。
优选地，所述应变释放层的晶格常数分布具有函数y＝secx第一二象限曲线分布。
优选地，所述上波导层和下波导层的菲利浦电离度大于等于上限制层和下限制层的菲利浦电离度；
所述上波导层和下波导层的击穿场强大于等于上限制层和下限制层的击穿场强；
所述上波导层和下波导层的晶格常数小于等于上限制层和下限制层的晶格常数。
优选地，所述应变释放层为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，所述应变释放层的厚度为10埃米至90000埃米。
优选地，所述有源层为阱层和垒层组成的量子阱，量子阱周期为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，所述下波导层、上波导层、上限制层和下限制层为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：本发明通过将下限制层分为第一子下限制层和第二子下限制层，并在该第一子下限制层和第二子下限制层之前设置应变释放层，同时，应变释放层具有菲利浦电离度分布、击穿场强分布和晶格常数分布特性，从而释放衬底与下限制层的应变以及下限制层与下波导层之间的应变，降低表面裂纹比例，提升下限制层的晶格质量，抑制激光器IV曲线不连续现象，消除激光器的光学灾变。
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激光器的结构示意图；
图2为本发明实施例所述的半导体激光器的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、上限制层，106、应变释放层；
101a、第一子下限制层，101b、第二子下限制层。
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和上限制层105。
具体的，本实施例中，下限制层101为双层结构，分别为第一下限制层101和第二子下限制层101b。在该第一下限制层101和第二子下限制层101b之间还设置有应变释放层106。该应变释放层106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，厚度为10埃米至90000埃米。该应变释放层106具有菲利浦电离度分布、击穿场强分布和晶格常数分布特性。
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。
击穿场强为使电介质击穿的电压。电介质在足够强的电场作用下将失去其介电性能成为导体，称为电介质击穿，所对应的电压称为击穿电压。电介质击穿时的电场强度叫击穿场强。在强电场作用下，固体电介质丧失电绝缘能力而由绝缘状态突变为良导电状态。导致击穿的最低临界电压称为击穿电压。均匀电场中，击穿电压与固体电介质厚度之比称为击穿电场强度(简称击穿场强，又称介电强度)，它反映固体电介质自身的耐电强度。不均匀电场中，击穿电压与击穿处固体电介质厚度之比称为平均击穿场强，它低于均匀电场中固体电介质的介电强度。
晶格常数是晶体物质的基本结构参数，指晶胞的边长，也就是每一个平行六面体单元的边长。晶格常数与原子间的结合能有直接的关系。晶格常数的变化反映了晶体内部的成分、受力状态等的变化。
基于上述菲利浦电离度、击穿场强和晶格常数的参数特点，本实施例对应变释放层106的菲利浦电离度分布、击穿场强分布和晶格常数分布特性进行设计，具体如下：
菲利浦电离度分布：
应变释放层106的菲利浦电离度分布具有函数y＝ax2+bx+c(a＜0)曲线分布。
击穿场强分布：
应变释放层106的击穿场强分布具有函数y＝cscx第四象限曲线分布。
晶格常数分布：
应变释放层106的晶格常数分布具有函数y＝secx第一二象限曲线分布。
本实施例通过将下限制层101分为第一子下限制层101a和第二子下限制层101b，并在该第一子下限制层101a和第二子下限制层101b之前设置应变释放层106，同时，应变释放层106具有菲利浦电离度分布、击穿场强分布和晶格常数分布特性，从而释放衬底100与下限制层101的应变以及下限制层101与下波导层102之间的应变，降低表面裂纹比例，提升下限制层101的晶格质量，抑制激光器IV曲线不连续现象，消除激光器的光学灾变。
进一步的，本实施例除对应变释放层106的菲利浦电离度分布、击穿场强分布和晶格常数分布特性进行设计以外，还对上波导层104、下波导层102、上限制层105和下限制层101之间的菲利浦电离度、击穿场强和晶格常数进行限定，具体包括：
菲利浦电离度：
上波导层104和下波导层102的菲利浦电离度大于等于上限制层105和下限制层101的菲利浦电离度。
击穿场强：
上波导层104和下波导层102的击穿场强大于等于上限制层105和下限制层101的击穿场强。
晶格常数：
上波导层104和下波导层102的晶格常数小于等于上限制层105和下限制层101的晶格常数。
更进一步，有源层103为阱层和垒层组成的量子阱，量子阱周期为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。
下波导层102、上波导层104、上限制层105和下限制层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、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、上波导层和上限制层，其特征在于，所述下限制层包括第一子下限制层和第二子下限制层，所述第一子下限制层与第二子下限制层之间设置有应变释放层，所述应变释放层具有菲利浦电离度分布、击穿场强分布和晶格常数分布特性。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述应变释放层的菲利浦电离度分布具有函数y＝ax2+bx+c(a＜0)曲线分布。
3.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述应变释放层的击穿场强分布具有函数y＝cscx第四象限曲线分布。
4.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述应变释放层的晶格常数分布具有函数y＝secx第一二象限曲线分布。
5.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述上波导层和下波导层的菲利浦电离度大于等于上限制层和下限制层的菲利浦电离度；
所述上波导层和下波导层的击穿场强大于等于上限制层和下限制层的击穿场强；
所述上波导层和下波导层的晶格常数小于等于上限制层和下限制层的晶格常数。
6.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述应变释放层为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。
7.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述应变释放层的厚度为10埃米至90000埃米。
8.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述有源层为阱层和垒层组成的量子阱，量子阱周期为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所述的半导体激光器，其特征在于，所述下波导层、上波导层、上限制层和下限制层为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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