CN117691469A - 一种半导体激光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种半导体激光二极管，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，所述下限制层包括从下至上依次设置的第一子下限制层、第二子下限制层和第三子下限制层，所述第一子下限制层、第二子下限制层和第三子下限制层均具有晶格常数分布特性。本发明通过将下限制层设置为多层结构，并对每一层子下限制层的晶格常数分布进行特定设计，减少泵浦光到激光能级上能量差的斯托克斯频移损耗引起的废热，提升下限制层的热导率和导热效率，改善温度分布均匀性和热应力分布均匀性，抑制热透镜效应和应力双折射效应，改善激光光束去极化和失真问题。
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，全固态半导体激光二极管具有体积小、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。
氮化物半导体激光二极管存在以下问题：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。
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二极管。
本发明实施例提供了一种半导体激光二极管，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，所述下限制层包括从下至上依次设置的第一子下限制层、第二子下限制层和第三子下限制层，所述第一子下限制层、第二子下限制层和第三子下限制层均具有晶格常数分布特性。
优选地，所述第一子下限制层和第三子下限制层的晶格常数分布具有函数y＝x/sinx第一、二象限曲线分布。
优选地，所述第二子下限制层的晶格常数分布具有函数y＝cscx第三象限曲线分布。
优选地，所述第一子下限制层、第二子下限制层和第三子下限制层还具有介电常数分布特性；
所述第一子下限制层和第三子下限制层的介电常数分布具有y＝x/sinx第一、二象限曲线分布；；
所述第二子下限制层的介电常数分布具有函数y＝cscx第三象限曲线分布。
优选地，所述第一子下限制层、第二子下限制层和第三子下限制层还具有Al/In元素比例分布特性；
所述第一子下限制层和第三子下限制层的Al/In元素比例分布具有y＝x/sinx第一、二象限曲线分布；
所述第二子下限制层的Al/In元素比例分布具有函数y＝cscx第三象限曲线分布。
优选地，所述第一子下限制层、第二子下限制层和第三子下限制层还具有In/C元素比例分布特性；
所述第一子下限制层和第三子下限制层的In/C元素比例分布具有函数y＝x/sinx第一、二象限曲线；
所述第二子下限制层的In/C元素比例分布具有函数y＝cscx第三象限曲线分布。
优选地，所述下限制层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlN、AlInGaN、AlGaN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、SiC、Ga2O3、BN的任意一种或任意组合，所述下限制层的厚度为5埃米至80000埃米。
优选地，所述有源层为阱层和垒层组成的周期结构，周期为m:1≤m≤3；
有源层的阱层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlN、AlInGaN、AlGaN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、SiC、Ga2O3、BN的任意一种或任意组合，厚度为p:5埃米≤p≤100埃米，发光波长为200nm至2000nm；
有源层的垒层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlN、AlInGaN、AlGaN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、SiC、Ga2O3、BN的任意一种或任意组合，厚度为q:10埃米≤q≤200埃米。
优选地，所述下波导层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlN、AlInGaN、AlGaN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、SiC、Ga2O3、BN的任意一种或任意组合，厚度为x:10埃米≤x≤9000埃米；
所述上波导层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlN、AlInGaN、AlGaN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、SiC、Ga2O3、BN的任意一种或任意组合，厚度为y:10埃米≤y≤9000埃米；
所述上限制层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlN、AlInGaN、AlGaN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、SiC、Ga2O3、BN的任意一种或任意组合，厚度为n:10埃米≤n≤80000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、MgO、尖晶石、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设置为多层结构，并对每一层子下限制层的晶格常数分布进行特定设计，减少泵浦光到激光能级上能量差的斯托克斯频移损耗引起的废热，提升下限制层的热导率和导热效率，改善温度分布均匀性和热应力分布均匀性，抑制热透镜效应和应力双折射效应，改善激光光束去极化和失真问题。
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1所述的半导体激光二极管的结构示意图；
图2为本发明实施例2所述的半导体激光二极管的结构示意图；
图3为本发明实施例2所述的半导体激光二极管的SIMS二次离子质谱图；
图4为本发明实施例2所述的半导体激光二极管的局部放大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；
101a、第一子下限制层，101b、第二子下限制层，101c、第三子下限制层。
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。
实施例1
如图1所示，本实施例提出一种半导体激光二极管，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，在该下限制层101中具有晶格常数分布特性。
晶格常数(或称之为点阵常数)指的就是晶胞的边长，也就是每一个平行六面体单元的边长，它是晶体结构的一个重要基本参数。在材料科学研究中，为了便于分析晶体中粒子排列，可以从晶体的点阵中取出一个具有代表性的基本单元(通常是最小的平行六面体)作为点阵的组成单元，称为晶胞，晶胞不一定是最小的重复单元，其一般是原胞(一般认为原胞是组成晶体的最小单元)体积的整数倍。在外延生长，晶格常数是衡量不同材料之间的结构相容性。晶格常数匹配的其他材料的薄层的材料的成长很重要；当常数不同，菌株引入层，防止厚层外延生长无缺陷。
基于上述晶格常数的特点，本实施例可对下限制层101的晶格常数分布进行设计，从而提高半导体激光二极管的性能。
进一步的，本实施例还可以对下限制层101的介电常数分布、Al/In元素比例分布以及In/C元素比例分布进行设计，从而进一步提高半导体激光二极管的性能。
本实施例中，下限制层101为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlN、AlInGaN、AlGaN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、SiC、Ga2O3、BN的任意一种或任意组合，下限制层101的厚度为5埃米至80000埃米。
有源层103为阱层和垒层组成的周期结构，周期为m:1≤m≤3；
有源层103的阱层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlN、AlInGaN、AlGaN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、SiC、Ga2O3、BN的任意一种或任意组合，厚度为p:5埃米≤p≤100埃米，发光波长为200nm至2000nm；
有源层103的垒层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlN、AlInGaN、AlGaN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、SiC、Ga2O3、BN的任意一种或任意组合，厚度为q:10埃米≤q≤200埃米。
下波导层102为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlN、AlInGaN、AlGaN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、SiC、Ga2O3、BN的任意一种或任意组合，厚度为x:10埃米≤x≤9000埃米；
上波导层104为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlN、AlInGaN、AlGaN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、SiC、Ga2O3、BN的任意一种或任意组合，厚度为y:10埃米≤y≤9000埃米；
上限制层105为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlN、AlInGaN、AlGaN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、SiC、Ga2O3、BN的任意一种或任意组合，厚度为n:10埃米≤n≤80000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100、蓝宝石/AlN复合衬底100、蓝宝石/SiNx、镁铝尖晶石MgAl2O4、MgO、ZnO、MgO、尖晶石、ZrB2、LiAlO2和LiGaO2复合衬底100的任意一种。
实施例2
如图2至图4所示，本实施例提出一种半导体激光二极管，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，下限制层101为多层结构。
具体的，本实施例中，半导体激光二极管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。该下限制层101为多层结构，具体由从下至上依次设置的第一子下限制层101a、第二子下限制层101b和第三子下限制层101c组成，并且，第一子下限制层101a、第二子下限制层101b和第三子下限制层101c均具有晶格常数分布特性。
更具体的，第一子下限制层101a、第二子下限制层101b和第三子下限制层101c的晶格常数分布具体分布形式如下：
第一子下限制层101a：
第一子下限制层101a的晶格常数分布具有函数y＝x/sinx第一象限曲线分布；
第二子下限制层101b：
第二子下限制层101b的晶格常数分布具有函数y＝cscx第三象限曲线分布；
第三子下限制层101c：
第三子下限制层101c的晶格常数分布具有函数y＝x/sinx第二象限曲线分布。
本实施例通过将下限制层设置为多层结构，并对每一层子下限制层的晶格常数分布进行特定设计，减少泵浦光到激光能级上能量差的斯托克斯频移损耗引起的废热，提升下限制层的热导率和导热效率，改善温度分布均匀性和热应力分布均匀性，抑制热透镜效应和应力双折射效应，改善激光光束去极化和失真问题。
进一步的，本实施例的第一子下限制层101a、第二子下限制层101b和第三子下限制层101c还具有介电常数分布特性，介电常数是反映压电材料电介质在静电场作用下介电性质或极化性质的主要参数，通常用ε来表示。不同用途的压电元件对压电材料的介电常数要求不同。当压电材料的形状、尺寸一定时，介电常数ε通过测量压电材料的固有电容CP来确定。本实施例中，第一子下限制层101a、第二子下限制层101b和第三子下限制层101c还具有介电常数分布的具体分布形式如下：
第一子下限制层101a：
第一子下限制层101a的介电常数分布具有函数y＝x/sinx第一象限曲线分布；
第二子下限制层101b：
第二子下限制层101b的介电常数分布具有函数y＝cscx第三象限曲线分布；
第三子下限制层101c：
第三子下限制层101c的介电常数分布具有函数y＝x/sinx第二象限曲线分布。
本实施例的第一子下限制层101a、第二子下限制层101b和第三子下限制层101c还具有Al/In元素比例分布特性，具体分布形式如下：
第一子下限制层101a：
第一子下限制层101a的Al/In元素比例分布具有函数y＝x/sinx第一象限曲线分布；
第二子下限制层101b：
第二子下限制层101b的Al/In元素比例分布具有函数y＝cscx第三象限曲线分布；
第三子下限制层101c：
第三子下限制层101c的Al/In元素比例分布具有函数y＝x/sinx第二象限曲线分布。
本实施例的第一子下限制层101a、第二子下限制层101b和第三子下限制层101c还具有In/C元素比例分布特性，具体分布形式如下：
第一子下限制层101a：
第一子下限制层101a的In/C元素比例分布具有函数y＝x/sinx第一象限曲线分布；
第二子下限制层101b：
第二子下限制层101b的In/C元素比例分布具有函数y＝cscx第三象限曲线分布；
第三子下限制层101c：
第三子下限制层101c的In/C元素比例分布具有函数y＝x/sinx第二象限曲线分布。
更进一步的，本实施例中，下限制层101为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlN、AlInGaN、AlGaN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、SiC、Ga2O3、BN的任意一种或任意组合，下限制层101的厚度为5埃米至80000埃米。
有源层103为阱层和垒层组成的周期结构，周期为m:1≤m≤3；
有源层103的阱层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlN、AlInGaN、AlGaN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、SiC、Ga2O3、BN的任意一种或任意组合，厚度为p:5埃米≤p≤100埃米，发光波长为200nm至2000nm；
有源层103的垒层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlN、AlInGaN、AlGaN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、SiC、Ga2O3、BN的任意一种或任意组合，厚度为q:10埃米≤q≤200埃米。
下波导层102为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlN、AlInGaN、AlGaN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、SiC、Ga2O3、BN的任意一种或任意组合，厚度为x:10埃米≤x≤9000埃米；
上波导层104为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlN、AlInGaN、AlGaN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、SiC、Ga2O3、BN的任意一种或任意组合，厚度为y:10埃米≤y≤9000埃米；
上限制层105为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlN、AlInGaN、AlGaN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、SiC、Ga2O3、BN的任意一种或任意组合，厚度为n:10埃米≤n≤80000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、MgO、尖晶石、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，所述下限制层包括从下至上依次设置的第一子下限制层、第二子下限制层和第三子下限制层，所述第一子下限制层、第二子下限制层和第三子下限制层均具有晶格常数分布特性。
2.根据权利要求1所述的半导体激光二极管，其特征在于，所述第一子下限制层和第三子下限制层的晶格常数分布具有函数y＝x/sinx第一、二象限曲线分布。
3.根据权利要求1所述的半导体激光二极管，其特征在于，所述第二子下限制层的晶格常数分布具有函数y＝cscx第三象限曲线分布。
4.根据权利要求1所述的半导体激光二极管，其特征在于，所述第一子下限制层、第二子下限制层和第三子下限制层还具有介电常数分布特性；
所述第一子下限制层和第三子下限制层的介电常数分布具有y＝x/sinx第一、二象限曲线分布；；
所述第二子下限制层的介电常数分布具有函数y＝cscx第三象限曲线分布。
5.根据权利要求1所述的半导体激光二极管，其特征在于，所述第一子下限制层、第二子下限制层和第三子下限制层还具有Al/In元素比例分布特性；
所述第一子下限制层和第三子下限制层的Al/In元素比例分布具有y＝x/sinx第一、二象限曲线分布；
所述第二子下限制层的Al/In元素比例分布具有函数y＝cscx第三象限曲线分布。
6.根据权利要求1所述的半导体激光二极管，其特征在于，所述第一子下限制层、第二子下限制层和第三子下限制层还具有In/C元素比例分布特性；
所述第一子下限制层和第三子下限制层的In/C元素比例分布具有函数y＝x/sinx第一、二象限曲线；
所述第二子下限制层的In/C元素比例分布具有函数y＝cscx第三象限曲线分布。
7.根据权利要求1所述的半导体激光二极管，其特征在于，所述下限制层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlN、AlInGaN、AlGaN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、SiC、Ga2O3、BN的任意一种或任意组合，所述下限制层的厚度为5埃米至80000埃米。
8.根据权利要求1所述的半导体激光二极管，其特征在于，所述有源层为阱层和垒层组成的周期结构，周期为m:1≤m≤3；
有源层的阱层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlN、AlInGaN、AlGaN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、SiC、Ga2O3、BN的任意一种或任意组合，厚度为p:5埃米≤p≤100埃米，发光波长为200nm至2000nm；
有源层的垒层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlN、AlInGaN、AlGaN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、SiC、Ga2O3、BN的任意一种或任意组合，厚度为q:10埃米≤q≤200埃米。
9.根据权利要求1所述的半导体激光二极管，其特征在于，所述下波导层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlN、AlInGaN、AlGaN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、SiC、Ga2O3、BN的任意一种或任意组合，厚度为x:10埃米≤x≤9000埃米；
所述上波导层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlN、AlInGaN、AlGaN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、SiC、Ga2O3、BN的任意一种或任意组合，厚度为y:10埃米≤y≤9000埃米；
所述上限制层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlN、AlInGaN、AlGaN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、SiC、Ga2O3、BN的任意一种或任意组合，厚度为n:10埃米≤n≤80000埃米。
10.根据权利要求1所述的半导体激光二极管，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、MgO、尖晶石、ZrB2、LiAlO2和LiGaO2复合衬底的任意一种。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410010411.2A CN117691469A (zh) | 2024-01-04 | 2024-01-04 | 一种半导体激光二极管 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410010411.2A CN117691469A (zh) | 2024-01-04 | 2024-01-04 | 一种半导体激光二极管 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117691469A true CN117691469A (zh) | 2024-03-12 |
Family
ID=90133519
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410010411.2A Pending CN117691469A (zh) | 2024-01-04 | 2024-01-04 | 一种半导体激光二极管 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117691469A (zh) |
-
2024
- 2024-01-04 CN CN202410010411.2A patent/CN117691469A/zh active Pending
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