CN117691466A - 一种半导体紫光紫外激光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种半导体紫光紫外激光二极管，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，所述上波导层与所述上限制层之间设置有空穴注入与电子阻挡层，所述空穴注入与电子阻挡层具有Mg掺杂浓度分布、Al元素分布、Si掺杂浓度分布、C元素分布、H元素分布和O元素分布特性。本发明使半导体紫外激光器降低Mg激活能并提升Mg离化效率，提升空穴注入与电子阻挡层的空穴浓度，提升空穴注入有源层的效率和输运效率，并且降低内部光学损耗，同时不降低电子势垒，改善电子溢流效应，兼具提升空穴注入效率和阻挡电子溢流的双重功能，进而降低紫外激光器的阈值电流和电压，提升紫外激光器的斜率效率。
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紫光紫外激光二极管。
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：
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；传统方式可提升电子阻挡层的势垒高度来减少电子溢流，但会导致空穴带阶提升，减少空穴注入有源层的效率；传统另一种方式则是降低电子阻挡层的势垒高度，提升空穴的注入效率，但会导致电子势垒下降，电子溢流变大，大电流注入情况下的激光器效率下降。
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二极管。
本发明实施例提供了一种半导体紫光紫外激光二极管，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，所述上波导层与所述上限制层之间设置有空穴注入与电子阻挡层，所述空穴注入与电子阻挡层具有Mg掺杂浓度分布、Al元素分布、Si掺杂浓度分布、C元素分布、H元素分布和O元素分布特性。
优选地，所述空穴注入与电子阻挡层的Al元素分布呈y＝x2sinx第一象限曲线分布，Mg掺杂浓度分布呈y＝exsinx曲线分布，O元素分布呈y＝sinx/x曲线分布，Si掺杂浓度分布呈二次函数分布，C元素分布呈y＝lnx-x曲线分布。
优选地，所述空穴注入与电子阻挡层的Al元素分布的峰值位置往上波导层方向呈下降趋势，下降角度为α：85°≥α≥30°；
所述空穴注入与电子阻挡层的Mg掺杂浓度分布的峰值位置往上限制层方向呈下降趋势，下降角度为β：90°≥β≥35°；
所述空穴注入与电子阻挡层的H元素分布往上波导层方向呈下降趋势，下降角度为γ：80°≥γ≥25°；
所述空穴注入与电子阻挡层的O元素分布的峰值位置往上波导层方向呈下降趋势，下降角度为θ：65°≥θ≥10°；
所述空穴注入与电子阻挡层的C元素分布往上波导层方向呈下降趋势，下降角度为下降角度为
所述空穴注入与电子阻挡层的Si掺杂浓度分布的峰值位置往上波导层方向呈下降趋势，下降角度为60°≥δ≥5°。
优选地，所述空穴注入与电子阻挡层的Mg掺杂浓度分布、Al元素分布、Si掺杂浓度分布、C元素分布、H元素分布和O元素分布变化角度之间的相互关系为：
优选地，所述空穴注入与电子阻挡层为AlInGaN、AlGaN、InGaN、AlN、AlInN、GaN的任意一种或任意组合，厚度为5埃米至500埃米。
优选地，所述有源层为阱层和垒层组成的周期结构，周期数为3≥m≥1，阱层为InGaN、AlInGaN、AlGaN、GaN、AlInN的任意一种或任意组合，厚度为50埃米至200埃米，垒层为GaN、AlGaN、AlInGaN、AlN、AlInN的任意一种或任意组合，厚度为20埃米至500埃米。
优选地，所述有源层发出的激光为波长200nm至420nm的紫外光和深紫外光。
优选地，所述下限制层、下波导层，有源层、上波导层和上限制层包括GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN、SiC、Ga2O3、BN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP的任意一种或任意组合。
优选地，所述上波导层和下波导层的厚度为20埃米至1000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：本发明通过在上波导层与上限制层之间设置空穴注入与电子阻挡层，并对该空穴注入与电子阻挡层的Mg掺杂浓度分布、Al元素分布、Si掺杂浓度分布、C元素分布、H元素分布和O元素分布进行特定设计，从而使半导体紫外激光器降低Mg激活能并提升Mg离化效率，提升空穴注入与电子阻挡层的空穴浓度，提升空穴注入有源层的效率和输运效率，并且降低内部光学损耗，同时不降低电子势垒，改善电子溢流效应，兼具提升空穴注入效率和阻挡电子溢流的双重功能，进而降低紫外激光器的阈值电流和电压，提升紫外激光器的斜率效率。
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二极管的结构示意图；
图2为本发明实施例所述的半导体紫光紫外激光二极管的SIMS二次离子质谱图；
图3为本发明实施例所述的半导体紫光紫外激光二极管的局部放大的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、空穴注入与电子阻挡层，106、上限制层。
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至图3所示，本实施例提出一种半导体紫光紫外激光二极管，包括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106。其中，在上波导层104和上限制层106之间设置有空穴注入与电子阻挡层105。
具体的，本实施例中，半导体紫光紫外激光二极管自下至上设置有衬底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106。空穴注入与电子阻挡层105设置在上波导层104与上限制层106之间。该空穴注入与电子阻挡层105具有Mg掺杂浓度分布、Al元素分布、Si掺杂浓度分布、C元素分布、H元素分布和O元素分布特性，以提升半导体紫光紫外激光二极管性能。
更为具体的，本实施例中，半导体紫光紫外激光二极管中空穴注入与电子阻挡层105的Mg掺杂浓度分布、Al元素分布、Si掺杂浓度分布、C元素分布、H元素分布和O元素分布如下：
Al元素分布：
空穴注入与电子阻挡层105的Al元素分布呈y＝x2sinx第一象限曲线分布。
Mg掺杂浓度分布：
空穴注入与电子阻挡层105的Mg掺杂浓度分布呈y＝exsinx曲线分布；
O元素分布：
空穴注入与电子阻挡层105的O元素分布呈y＝sinx/x曲线分布；
Si掺杂浓度分布：
空穴注入与电子阻挡层105的Si掺杂浓度分布呈二次函数分布；
C元素分布：
空穴注入与电子阻挡层105的C元素分布呈y＝lnx-x曲线分布；
在上述半导体紫光紫外激光二极管中空穴注入与电子阻挡层105的Mg掺杂浓度分布、Al元素分布、Si掺杂浓度分布、C元素分布、H元素分布和O元素分布的基础上，Mg掺杂浓度分布、Al元素分布、Si掺杂浓度分布、C元素分布、H元素分布和O元素分布还具有如下趋势：
Al元素分布：
空穴注入与电子阻挡层105的Al元素分布的峰值位置往上波导层104方向呈下降趋势，下降角度为α：85°≥α≥30°；
Mg掺杂浓度：
空穴注入与电子阻挡层105的Mg掺杂浓度分布的峰值位置往上限制层106方向呈下降趋势，下降角度为β：90°≥β≥35°；
H元素分布：
空穴注入与电子阻挡层105的H元素分布往上波导层104方向呈下降趋势，下降角度为γ：80°≥γ≥25°；
O元素分布：
空穴注入与电子阻挡层105的O元素分布的峰值位置往上波导层104方向呈下降趋势，下降角度为θ：65°≥θ≥10°；
C元素分布：
空穴注入与电子阻挡层105的C元素分布往上波导层104方向呈下降趋势，下降角度为下降角度为
Si掺杂浓度分布：
空穴注入与电子阻挡层105的Si掺杂浓度分布的峰值位置往上波导层104方向呈下降趋势，下降角度为60°≥δ≥5°；
其中，空穴注入与电子阻挡层105的Mg掺杂浓度分布、Al元素分布、Si掺杂浓度分布、C元素分布、H元素分布和O元素分布变化角度之间的相互关系为：
进一步的，本实施例中，空穴注入与电子阻挡层105为AlInGaN、AlGaN、InGaN、AlN、AlInN、GaN的任意一种或任意组合，厚度为5埃米至500埃米。
有源层103发出的激光为波长200nm至420nm的紫外光和深紫外光。该有源层103为阱层和垒层组成的周期结构，周期数为3≥m≥1，阱层为InGaN、AlInGaN、AlGaN、GaN、AlInN的任意一种或任意组合，厚度为50埃米至200埃米，垒层为GaN、AlGaN、AlInGaN、AlN、AlInN的任意一种或任意组合，厚度为20埃米至500埃米。
下限制层101、下波导层102，有源层103、上波导层104和上限制层106包括GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN、SiC、Ga2O3、BN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP的任意一种或任意组合。上波导层104和下波导层102的厚度为20埃米至1000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。
本实施例通过在上波导层与上限制层之间设置空穴注入与电子阻挡层，并对该空穴注入与电子阻挡层的Mg掺杂浓度分布、Al元素分布、Si掺杂浓度分布、C元素分布、H元素分布和O元素分布进行特定设计，从而使半导体紫外激光器降低Mg激活能并提升Mg离化效率，提升空穴注入与电子阻挡层的空穴浓度，提升空穴注入有源层的效率和输运效率，并且降低内部光学损耗，同时不降低电子势垒，改善电子溢流效应，兼具提升空穴注入效率和阻挡电子溢流的双重功能，进而降低紫外激光器的阈值电流和电压，提升紫外激光器的斜率效率。
下表所示为本实施例所提出的半导体紫光紫外激光二极管与传统半导体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紫光紫外激光二极管的阈值电压从8.5V下降至5.3V，下降38％；阈值电流密度从3.6kA/cm2下降至1.06kA/cm2，下降约71％；阈值电压从8.5V下降至5.3V，下降38％；限制因子从1.4％提升至2.67％，提升91％；内部光学损耗从17.2下降至8.9cm-1，下降48％；斜率效率从0.34W/A提升至0.81W/A，提升138％，有效提升了半导体紫光紫外激光二极管的工作性能。
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二极管，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，所述上波导层与所述上限制层之间设置有空穴注入与电子阻挡层，所述空穴注入与电子阻挡层具有Mg掺杂浓度分布、Al元素分布、Si掺杂浓度分布、C元素分布、H元素分布和O元素分布特性。
2.根据权利要求1所述的半导体紫光紫外激光二极管，其特征在于，所述空穴注入与电子阻挡层的Al元素分布呈y＝x2sinx第一象限曲线分布，Mg掺杂浓度分布呈y＝exsinx曲线分布，O元素分布呈y＝sinx/x曲线分布，Si掺杂浓度分布呈二次函数分布，C元素分布呈y＝lnx-x曲线分布。
3.根据权利要求1所述的半导体紫光紫外激光二极管，其特征在于，所述空穴注入与电子阻挡层的Al元素分布的峰值位置往上波导层方向呈下降趋势，下降角度为α：85°≥α≥30°；
所述空穴注入与电子阻挡层的Mg掺杂浓度分布的峰值位置往上限制层方向呈下降趋势，下降角度为β：90°≥β≥35°；
所述空穴注入与电子阻挡层的H元素分布往上波导层方向呈下降趋势，下降角度为γ：80°≥γ≥25°；
所述空穴注入与电子阻挡层的O元素分布的峰值位置往上波导层方向呈下降趋势，下降角度为θ：65°≥θ≥10°；
所述空穴注入与电子阻挡层的C元素分布往上波导层方向呈下降趋势，下降角度为下降角度为
所述空穴注入与电子阻挡层的Si掺杂浓度分布的峰值位置往上波导层方向呈下降趋势，下降角度为60°≥δ≥5°。
4.根据权利要求3所述的半导体紫光紫外激光二极管，其特征在于，所述空穴注入与电子阻挡层的Mg掺杂浓度分布、Al元素分布、Si掺杂浓度分布、C元素分布、H元素分布和O元素分布变化角度之间的相互关系为：
5.根据权利要求1所述的半导体紫光紫外激光二极管，其特征在于，所述空穴注入与电子阻挡层为AlInGaN、AlGaN、InGaN、AlN、AlInN、GaN的任意一种或任意组合，厚度为5埃米至500埃米。
6.根据权利要求1所述的半导体紫光紫外激光二极管，其特征在于，所述有源层为阱层和垒层组成的周期结构，周期数为3≥m≥1，阱层为InGaN、AlInGaN、AlGaN、GaN、AlInN的任意一种或任意组合，厚度为50埃米至200埃米，垒层为GaN、AlGaN、AlInGaN、AlN、AlInN的任意一种或任意组合，厚度为20埃米至500埃米。
7.根据权利要求1所述的半导体紫光紫外激光二极管，其特征在于，所述有源层发出的激光为波长200nm至420nm的紫外光和深紫外光。
8.根据权利要求1所述的半导体紫光紫外激光二极管，其特征在于，所述下限制层、下波导层，有源层、上波导层和上限制层包括GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN、SiC、Ga2O3、BN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP的任意一种或任意组合。
9.根据权利要求1所述的半导体紫光紫外激光二极管，其特征在于，所述上波导层和下波导层的厚度为20埃米至1000埃米。
10.根据权利要求1所述的半导体紫光紫外激光二极管，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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