CN117691467A - 一种氮化镓基半导体紫光紫外激光芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种氮化镓基半导体紫光紫外激光芯片，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，对有源层、上波导层和下波导层中的Al元素、In元素、Si掺杂浓度、Mg掺杂浓度、C元素、O元素和H元素进行特定设计。本发明能够抑制有源层In组分涨落和InN相分离，提升有源层的晶体质量和界面质量，减少缺陷和降低热退化，抑制光学灾变，调控有源层的极化电场，降低空穴注入有源层的势垒，提升有源层电子空穴的对称性和匹配性，减少电子泄漏，提升激光器的峰值增益和增益均匀性，通过上波导层和下波导层的设计降低光波导的吸收损耗以及激光折射率色散对限制因子的影响，提升激光器的光束质量和限制因子。
Description
技术领域
本申请涉及半导体光电器件领域，尤其涉及一种氮化镓基半导体紫光紫外激光芯片。
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)量子阱In组分增加会产生In组分涨落和应变，激光器增益谱变宽，峰值增益下降；量子阱In组分增加，热稳定性变差，高温p型半导体和限制层生长会使有源层产生热退化，降低有源层的质量和界面质量；有源层内部缺陷密度高、InN与GaN互溶隙较大、InN相分离偏析、热退化、晶体质量不理想，导致量子阱质量和界面质量不理想，增加非辐射复合中心或光学灾变；
2)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；
3)有源层晶格失配与应变大诱导产生强压电极化效应，产生较强的QCSE量子限制Stark效应，激光器价带带阶差增加，抑制空穴注入，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，限制了激光器电激射增益的提高；
4)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。
发明内容
为解决上述技术问题之一，本发明提供了一种氮化镓基半导体紫光紫外激光芯片。
本发明实施例提供了一种氮化镓基半导体紫光紫外激光芯片，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，所述有源层具有In元素分布、Si掺杂浓度分布、Mg掺杂浓度分布、C元素分布、O元素分布和H元素分布特性，所述上波导层具有Al元素分布、In元素分布、C元素分布、O元素分布和H元素分布特性，所述下波导层具有Al元素分布、In元素分布、Si掺杂浓度分布、C元素分布、O元素分布和H元素分布特性。
优选地，所述有源层的In元素分布呈函数y＝exsinx曲线分布。
优选地，所述有源层的Mg掺杂浓度分布、Si掺杂浓度分布，C元素分布、H元素分布和O元素分布呈常数函数分布。
优选地，所述上波导层的In元素分布呈函数y＝x-cosx曲线分布，下波导层的In元素分布呈函数y＝cosx/x第三象限曲线分布。
优选地，所述上波导层的Al元素分布呈y＝x2-ex曲线分布，所述下波导层的Al元素分布呈y＝lnx/x曲线分布。
优选地，所述下波导层的Si掺杂浓度呈函数y＝lnx/ex曲线分布。
优选地，所述下波导层的C元素分布和O元素分布呈y＝(ex-e-x)/(ex+e-x)曲线分布，下波导层的H元素分布呈常数函数分布。
优选地，所述上波导层的H元素分布、C元素分布和O元素分布呈y＝lnx-ex曲线分布。
优选地，所述下限制层、下波导层层，有源层、上波导层、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，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：本发明通过对有源层、上波导层和下波导层中的Al元素、In元素、Si掺杂浓度、Mg掺杂浓度、C元素、O元素和H元素进行特定设计，从而抑制有源层In组分涨落和InN相分离，提升有源层的晶体质量和界面质量，减少缺陷和降低热退化，抑制光学灾变，同时，调控有源层的极化电场，降低空穴注入有源层的势垒，提升有源层电子空穴的对称性和匹配性，减少电子泄漏，提升激光器的峰值增益和增益均匀性，并且通过上波导层和下波导层的设计降低光波导的吸收损耗以及激光折射率色散对限制因子的影响，提升激光器的光束质量和限制因子。
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氮化镓基半导体紫光紫外激光芯片的结构示意图；
图2为本发明实施例所述的氮化镓基半导体紫光紫外激光芯片的SIMS二次离子质谱图；
图3为本发明实施例所述的氮化镓基半导体紫光紫外激光芯片的TEM透镜电镜图。
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、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，本实施例提出一种氮化镓基半导体紫光紫外激光芯片，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。其中，在下波导层102、有源层103和上波导层104中具有一些特定的元素分布。
具体的，本实施例中，氮化镓基半导体紫光紫外激光芯片从下至上依次设置有衬底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105。其中，有源层103所具有的特定元素分布包括Al元素分布、In元素分布、Si掺杂浓度分布、Mg掺杂浓度分布、C元素分布、O元素分布和H元素分布。上波导层104所具有的特定元素分布包括Al元素分布、In元素分布、C元素分布、O元素分布和H元素分布。下波导层102所具有的特定元素分布包括In元素分布、Si掺杂浓度分布、C元素分布、O元素分布和H元素分布。
更具体的，在有源层103中，In元素分布、Si掺杂浓度分布、Mg掺杂浓度分布、C元素分布、O元素分布和H元素分布具体分布形式为：
In元素分布：
有源层103的In元素分布呈函数y＝exsinx曲线分布。
Si掺杂浓度分布：
有源层103的Si掺杂浓度分布呈常数函数分布。
Mg掺杂浓度分布：
有源层103的Mg掺杂浓度分布呈常数函数分布。
C元素分布：
有源层103的C元素分布呈常数函数分布。
O元素分布：
有源层103的O元素分布呈常数函数分布。
H元素分布：
有源层103的H元素分布呈常数函数分布。
在上波导层104中，Al元素分布、In元素分布、C元素分布、O元素分布和H元素分布具体分布形式为：
Al元素分布：
上波导层104的Al元素分布呈y＝x2-ex曲线分布。
In元素分布：
上波导层104的In元素分布呈函数y＝x-cosx曲线分布。
C元素分布：
上波导层104的C元素分布呈y＝lnx-ex曲线分布。
O元素分布：
上波导层104的O元素分布呈y＝lnx-ex曲线分布。
H元素分布：
上波导层104的H元素分布呈y＝lnx-ex曲线分布。
在下波导层102中，Al元素分布、In元素分布、Si掺杂浓度分布、C元素分布、O元素分布和H元素分布具体分布形式为：
Al元素分布：
下波导层102的Al元素分布呈y＝lnx/x曲线分布。
In元素分布：
下波导层102的In元素分布呈函数y＝cosx/x第三象限曲线分布。
Si掺杂浓度分布：
下波导层102的Si掺杂浓度呈函数y＝lnx/ex曲线分布。
C元素分布：
下波导层102的C元素分布呈y＝(ex-e-x)/(ex+e-x)曲线分布。
O元素分布：
下波导层102的O元素分布呈y＝(ex-e-x)/(ex+e-x)曲线分布。
H元素分布：
下波导层102的H元素分布呈常数函数分布。
本实施例通过对有源层103、上波导层104和下波导层102中的Al元素、In元素、Si掺杂浓度、Mg掺杂浓度、C元素、O元素和H元素进行特定设计，从而抑制有源层103In组分涨落和InN相分离，提升有源层103的晶体质量和界面质量，减少缺陷和降低热退化，抑制光学灾变，同时，调控有源层103的极化电场，降低空穴注入有源层103的势垒，提升有源层103电子空穴的对称性和匹配性，减少电子泄漏，提升激光器的峰值增益和增益均匀性，并且通过上波导层104和下波导层102的设计降低光波导的吸收损耗以及激光折射率色散对限制因子的影响，提升激光器的光束质量和限制因子。
进一步的，下限制层101、下波导层102层，有源层103、上波导层104、上限制层105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，所述上波导层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。
下表所示为本实施例所提出的氮化镓基半导体紫光紫外激光芯片与传统半导体激光器的性能参数对比：
可以看出，本实施例所提出的氮化镓基半导体紫光紫外激光芯片的光束质量因子从3.7提升至1.7，提升118％；斜率效率从0.34W/A提升至0.76W/A，提升124％；限制因子从1.4％提升至2.76％，提升97％；内部光学损耗从71.2下降至9.6，下降44％，有效提升了氮化镓基半导体紫光紫外激光芯片的工作性能。
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)
1.一种氮化镓基半导体紫光紫外激光芯片，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，所述有源层具有In元素分布、Si掺杂浓度分布、Mg掺杂浓度分布、C元素分布、O元素分布和H元素分布特性，所述上波导层具有Al元素分布、In元素分布、C元素分布、O元素分布和H元素分布特性，所述下波导层具有Al元素分布、In元素分布、Si掺杂浓度分布、C元素分布、O元素分布和H元素分布特性。
2.根据权利要求1所述的氮化镓基半导体紫光紫外激光芯片，其特征在于，所述有源层的In元素分布呈函数y＝exsinx曲线分布。
3.根据权利要求1所述的氮化镓基半导体紫光紫外激光芯片，其特征在于，所述有源层的Mg掺杂浓度分布、Si掺杂浓度分布，C元素分布、H元素分布和O元素分布呈常数函数分布。
4.根据权利要求1所述的氮化镓基半导体紫光紫外激光芯片，其特征在于，所述上波导层的In元素分布呈函数y＝x-cosx曲线分布，下波导层的In元素分布呈函数y＝cosx/x第三象限曲线分布。
5.根据权利要求1所述的氮化镓基半导体紫光紫外激光芯片，其特征在于，所述上波导层的Al元素分布呈y＝x2-ex曲线分布，所述下波导层的Al元素分布呈y＝lnx/x曲线分布。
6.根据权利要求1所述的氮化镓基半导体紫光紫外激光芯片，其特征在于，所述下波导层的Si掺杂浓度呈函数y＝lnx/ex曲线分布。
7.根据权利要求1所述的氮化镓基半导体紫光紫外激光芯片，其特征在于，所述下波导层的C元素分布和O元素分布呈y＝(ex-e-x)/(ex+e-x)曲线分布，下波导层的H元素分布呈常数函数分布。
8.根据权利要求1所述的氮化镓基半导体紫光紫外激光芯片，其特征在于，所述上波导层的H元素分布、C元素分布和O元素分布呈y＝lnx-ex曲线分布。
9.根据权利要求1所述的氮化镓基半导体紫光紫外激光芯片，其特征在于，所述下限制层、下波导层层，有源层、上波导层、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，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所述的氮化镓基半导体紫光紫外激光芯片，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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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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