CN117712832A - 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，所述下波导层和上波导层具有介电常数分布、折射率系数分布和In/O元素比例分布特性。本发明通过对下波导层和上波导层设计特定的介电常数分布、折射率系数分布和In/O元素比例分布特性，从而提升光子的简并度并降低光场耗散，减少激光的模数和模间变化，提升激光的相干性和远场FFP质量，提升激光的聚焦光斑分辨率和光束质量。
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：
1)下限制层的厚度增加，可降低限制层的折射率，但下限制层的厚度增加又会导致组分调控范围受限制，易产生开裂、弯曲和质量下降等问题；同时，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；
2)激光光波的型态可分为横模和纵横；垂直于光轴截面内的横模光强分布是由半导体激光器的波导结构决定，若横模复杂不稳定，输出光的相干性差；纵模在谐振腔传播方向上是驻波分布，很多纵模同时激射或存在模间变化，则不能获得很高时间上的相干性，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，所述下波导层和上波导层具有介电常数分布、折射率系数分布和In/O元素比例分布特性。
优选地，所述上波导层的介电常数分布具有函数y＝logax(a＞1)曲线分布；所述下波导层的介电常数分布具有线性函数y＝dx+e曲线分布。
优选地，所述上波导层的折射率系数分布具有函数y＝logbx(b＞1)曲线分布；所述下波导层的折射率系数分布具有线性函数y＝fx+g曲线分布。
优选地，所述上波导层的In/O元素比例分布具有函数y＝logcx(c＞1)曲线分布；所述下波导层的In/O元素比例分布具有线性函数y＝hx+j曲线分布。
优选地，所述上波导层的介电常数分布、折射率系数分布和In/O元素比例分布具有如下关系：1＜a≤b≤c。
优选地，所述下波导层的介电常数分布、折射率系数分布和In/O元素比例分布具有如下关系：g＜e＜j。
优选地，所述上波导层的介电常数峰值大于等于下波导层的介电常数；
所述上波导层的折射率系数峰值大于等于下波导层的折射率系数；
所述上波导层的介电常数谷值小于等于下波导层的介电常数；
所述上波导层的折射率系数谷值小于等于下波导层的折射率系数。
优选地，所述上波导层和下波导层为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，所述上波导层的厚度为10埃米至20000埃米，所述下波导层的厚度为10埃米至20000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1至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5埃米至150埃米；
所述有源层的垒层为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10埃米至500埃米。
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，厚度为10埃米至90000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10埃米至80000埃米；
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：本发明通过对下波导层和上波导层设计特定的介电常数分布、折射率系数分布和In/O元素比例分布特性，从而提升光子的简并度并降低光场耗散，减少激光的模数和模间变化，提升激光的相干性和远场FFP质量，提升激光的聚焦光斑分辨率和光束质量。
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。
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。其中，下波导层102和上波导层104具有介电常数分布、折射率系数分布和In/O元素比例分布特性。
具体的，本实施例中，半导体激光器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。下波导层102和上波导层104具有介电常数分布、折射率系数分布和In/O元素比例分布特性，以提升半导体激光器性能。
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。
折射率系数，光在真空中的传播速度与光在该介质中的传播速度之比。材料的折射率越高，使入射光发生折射的能力越强。折射率越高，镜片越薄，即镜片中心厚度相同，相同度数同种材料，折射率高的比折射率低的镜片边缘更薄。折射率与介质的电磁性质密切相关。根据经典电磁理论，εr和μr分别为介质的相对电容率和相对磁导率。折射率还与频率有关，称色散现象。光由相对光密介质射向相对光疏介质，且入射角大于临界角，即可发生全反射。
更具体的，本实施例中，在上波导层104中，介电常数分布、折射率系数分布和In/O元素比例分布具体的分布形式为：
介电常数分布：
上波导层104的介电常数分布具有函数y＝logax(a＞1)曲线分布。
折射率系数分布：
上波导层104的折射率系数分布具有函数y＝logbx(b＞1)曲线分布。
In/O元素比例分布：
上波导层104的In/O元素比例分布具有函数y＝logcx(c＞1)曲线分布。
其中，上波导层104的介电常数分布、折射率系数分布和In/O元素比例分布具有如下关系：1＜a≤b≤c。
在下波导层102中，介电常数分布、折射率系数分布和In/O元素比例分布具体的分布形式为：
介电常数分布：
下波导层102的介电常数分布具有线性函数y＝dx+e曲线分布。
折射率系数分布：
下波导层102的折射率系数分布具有线性函数y＝fx+g曲线分布。
In/O元素比例分布：
下波导层102的In/O元素比例分布具有线性函数y＝hx+j曲线分布。
其中，下波导层102的介电常数分布、折射率系数分布和In/O元素比例分布具有如下关系：g＜e＜j。
需要注意的是，在本实施例中，上波导层104与下波导层102在介电常数和折射率系数的峰谷值上也有所差异，具体表现为：
上波导层104的介电常数峰值大于等于下波导层102的介电常数；
上波导层104的折射率系数峰值大于等于下波导层102的折射率系数；
上波导层104的介电常数谷值小于等于下波导层102的介电常数；
上波导层104的折射率系数谷值小于等于下波导层102的折射率系数。
本实施例通过对下波导层和上波导层设计特定的介电常数分布、折射率系数分布和In/O元素比例分布特性，从而提升光子的简并度并降低光场耗散，减少激光的模数和模间变化，提升激光的相干性和远场FFP质量，提升激光的聚焦光斑分辨率和光束质量。
进一步的，上波导层104和下波导层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，上波导层104的厚度为10埃米至20000埃米，下波导层102的厚度为10埃米至20000埃米。
进一步的，有源层103为阱层和垒层组成的周期结构，周期为1至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5埃米至150埃米；
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10埃米至500埃米。
进一步的，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，厚度为10埃米至90000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10埃米至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。
下表所示为本实施例所提出的半导体激光器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激光器的光束质量因子从1.89提升至0.96，提升约97％，聚集光斑分辨率由大于200nm降低至小于30nm，有效提升了半导体激光器的工作性能。
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，所述下波导层和上波导层具有介电常数分布、折射率系数分布和In/O元素比例分布特性。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述上波导层的介电常数分布具有函数y＝logax(a＞1)曲线分布；所述下波导层的介电常数分布具有线性函数y＝dx+e曲线分布。
3.根据权利要求2所述的半导体激光器，其特征在于，所述上波导层的折射率系数分布具有函数y＝logbx(b＞1)曲线分布；所述下波导层的折射率系数分布具有线性函数y＝fx+g曲线分布。
4.根据权利要求3所述的半导体激光器，其特征在于，所述上波导层的In/O元素比例分布具有函数y＝logcx(c＞1)曲线分布；所述下波导层的In/O元素比例分布具有线性函数y＝hx+j曲线分布。
5.根据权利要求4所述的半导体激光器，其特征在于，所述上波导层的介电常数分布、折射率系数分布和In/O元素比例分布具有如下关系：1＜a≤b≤c。
6.根据权利要求4所述的半导体激光器，其特征在于，所述下波导层的介电常数分布、折射率系数分布和In/O元素比例分布具有如下关系：g＜e＜j。
7.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述上波导层的介电常数峰值大于等于下波导层的介电常数；
所述上波导层的折射率系数峰值大于等于下波导层的折射率系数；
所述上波导层的介电常数谷值小于等于下波导层的介电常数；
所述上波导层的折射率系数谷值小于等于下波导层的折射率系数。
8.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，所述上波导层的厚度为10埃米至20000埃米，所述下波导层的厚度为10埃米至20000埃米。
9.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述有源层为阱层和垒层组成的周期结构，周期为1至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5埃米至150埃米；
所述有源层的垒层为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10埃米至500埃米。
10.根据权利要求1所述的半导体激光器，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，厚度为10埃米至90000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10埃米至80000埃米；
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。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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