CN219779408U - 一种半导体紫外激光器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种半导体紫外激光器，涉及半导体光电器件技术领域，从下至上依次从下至上依次包括衬底、下限制层、下波导层，有源层、上波导层、上限制层，所述有源层为阱层和垒层组成的量子阱；调控载流子起伏的折射率色散，提升激光限制因子，提升模式增益，同时，降低未离化Mg受主的内部光学损耗，降低光波导的吸收损耗；所述第一上限制层的Mg呈倒V型分布，第二上限制层的Mg呈U型分布，第三上限制层的Mg呈线性分布，第四上限制层的Mg呈L形分布，从而在上限制层形成多重二维电子气，降低Mg受主离化能，提升Mg离化效率和空穴的输运效率，从而提升空穴注入有源层的效率和有源层中电子空穴的对称性和匹配性，提升激光器的峰值增益和斜率效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体光电器件技术领域，具体而言，涉及一种半导体紫外激光器。
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(103)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(103)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(103)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。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种半导体紫外激光器，解决了现有技术中存在的的问题。
一种半导体紫外激光器，从下至上依次包括衬底、下限制层、下波导层，有源层、上波导层、上限制层，所述有源层(103)为阱层和垒层组成的量子阱；所述量子阱、上波导层和下波导层的禁带宽度具有特定的禁带宽度梯度和厚度梯度；
所述有源层为阱层和垒层组成的量子阱，量子阱周期为w:1≤w≤3；所述有源层的阱层为InGaN，禁带宽度为x:2.9eV≤x≤3.5eV，厚度为a:5≤a≤20埃米；所述有源层的垒层为GaN，厚度为b:10≤b≤150埃米；所述量子阱的发光波长为360～420nm；
作为本实用新型优选的技术方案，所述下波导层包括第一下波导层和第二下波导层102b；所述第一下波导层为GaN，厚度为c:30≤c≤600nm；所述第二下波导层102b为阱层为InGaN，禁带宽度为y:3.0eV≤y≤3.6eV，厚度为d:50≤d≤800nm；
作为本实用新型优选的技术方案，所述上波导层为InGaN，禁带宽度为z：3.1eV≤z≤3.7eV，厚度为e:20≤e≤500nm；
作为本实用新型优选的技术方案，所述量子阱、上波导层104和下波导层102具有特定的禁带宽度梯度和厚度梯度，具有如下关系：0.5≤a≤e≤c≤d≤800nm，2.9eV≤x＜y＜z≤3.7eV。
作为本实用新型优选的技术方案，所述上限制层包括第一上限制层105a，第二上限制层、第三上限制层和第四上限制层；所述第一上限制层为AlGaN材料，禁带宽度为k:4.4eV≤k≤6.6eV，厚度为f:0.5≤f≤20nm；所述第二上限制层为AlGaN材料，禁带宽度为l:3.6eV≤l≤5.8eV，厚度为g:20≤g≤1000nm；所述第三上限制层为AlGaN材料，禁带宽度为m:3.6eV≤m≤5.8eV，厚度为h:20≤h≤1000nm；所述第四上限制层为GaN或InGaN材料，禁带宽度为n:2.8eV≤n≤3.6eV，厚度为j:0.5≤j≤800nm；
作为本实用新型优选的技术方案，所述上限制层具有特定的禁带宽度梯度和厚度梯度，具有如下关系：2.8eV≤n＜m＝l＜k≤6.6eV，j≤f≤g≤h。
作为本实用新型优选的技术方案，所述量子阱、上波导层、下波导层和上限制层的禁带宽度和厚度具有如下关系：x＜y＜z≤n＜m＝l＜k，a≤j≤f≤e≤c≤d≤g≤h，调控载流子起伏的折射率色散，提升激光限制因子，提升模式增益，同时，降低未离化Mg受主的内部光学损耗，降低光波导的吸收损耗。
作为本实用新型优选的技术方案，所述第一上限制层的Mg呈倒V型分布，第二上限制层的Mg呈U型分布，第三上限制层的Mg呈线性分布，第四上限制层的Mg呈L形分布，从而在上限制层形成多重二维电子气层，降低Mg受主离化能，提升Mg离化效率和空穴的输运效率，从而提升空穴注入有源层的效率和有源层中电子空穴的对称性和匹配性，提升电子空穴波函数的交叠几率，提升激光器的峰值增益和斜率效率。
作为本实用新型优选的技术方案，所述下限制层为AlInGaN、AlInN、AlGaN、InGaN和GaN的任意一种或任意组合，厚度为10埃米～9000埃米；
作为本实用新型优选的技术方案，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、蓝宝石/SiO2/SiNx复合衬底、镁铝尖晶石MgAl2O4、MgO、ZnO、ZrB2、LiAlO2和LiGaO2复合衬底的任意一种。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果：
在本实用新型的方案中：
相比于现有技术，下波导层包括第一下波导层和第二下波导层；上限制层包括第一上限制层，第二上限制层、第三上限制层和第四上限制层；量子阱、上波导层、下波导层和上限制层的禁带宽度和厚度具有如下关系：x＜y＜z≤n＜m＝l＜k，a≤j≤f≤e≤c≤d≤g≤h，调控载流子起伏的折射率色散，提升激光限制因子，提升模式增益，同时，降低未离化Mg受主的内部光学损耗，降低光波导的吸收损耗；第一上限制层的Mg呈倒V型分布，第二上限制层的Mg呈U型分布，第三上限制层的Mg呈线性分布，第四上限制层的Mg呈L形分布，从而在上限制层形成多重二维电子气层，降低Mg受主离化能，提升Mg离化效率和空穴的输运效率，从而提升空穴注入有源层的效率和有源层中电子空穴的对称性和匹配性，提升电子空穴波函数的交叠几率，提升激光器的峰值增益和斜率效率。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是本实用新型的结构SIMS二次离子质谱图；
图3是本实用新型的结构的TEM透镜电镜图。
图中标示：
100：衬底；101：下限制层，102：下波导层，102a:第一下波导层，102b：第二下波导层，103：有源层；104：上波导层，105：上限制层，105a：第一上限制层，105b:第二上限制层，105c：第三上限制层，105d：第四上限制层。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下对本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的部分实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征和技术方案可以相互组合。
请参阅图1-图3，本实施例提供一种技术方案：一种半导体紫外激光器，从下至上依次包括衬底100、下限制层101、下波导层102，有源层103、上波导层104、上限制层105，所述有源层103为阱层和垒层组成的量子阱，量子阱周期为w:1≤w≤3；所述有源层103的阱层为InGaN，禁带宽度为x:2.9eV≤x≤3.5eV，厚度为a:5≤a≤20埃米；所述有源层103的垒层为GaN，厚度为b:10≤b≤150埃米；所述量子阱的发光波长为360～420nm；
所述下波导层102包括第一下波导层102a和第二下波导层102b；所述第一下波导层102a为GaN，厚度为c:30≤c≤600nm；所述第二下波导层102b为阱层为InGaN，禁带宽度为y:3.0eV≤y≤3.6eV，厚度为d:50≤d≤800nm；
所述上波导层104为InGaN，禁带宽度为z：3.1eV≤z≤3.7eV，厚度为e:20≤e≤500nm；
所述量子阱、上波导层104和下波导层102的禁带宽度和厚度具有如下关系：0.5≤a≤e≤c≤d≤800nm，2.9eV≤x＜y＜z≤3.7eV。
所述上限制层105包括第一上限制层105a，第二上限制层105b、第三上限制层105c和第四上限制层105d；所述第一上限制层105a为AlGaN材料，禁带宽度为k:4.4eV≤k≤6.6eV，厚度为f:0.5≤f≤20nm；所述第二上限制层105b为AlGaN材料，禁带宽度为l:3.6eV≤l≤5.8eV，厚度为g:20≤g≤1000nm；所述第三上限制层105c为AlGaN材料，禁带宽度为m:3.6eV≤m≤5.8eV，厚度为h:20≤h≤1000nm；所述第四上限制层105d为GaN或InGaN材料，禁带宽度为n:2.8eV≤n≤3.6eV，厚度为j:0.5≤j≤800nm；
所述上限制层105的禁带宽度和厚度具有如下关系：2.8eV≤n＜m＝l＜k≤6.6eV，j≤f≤g≤h。
所述量子阱、上波导层104、下波导层102和上限制层105的禁带宽度和厚度具有如下关系：x＜y＜z≤n＜m＝l＜k，a≤j≤f≤e≤c≤d≤g≤h，调控载流子起伏的折射率色散，提升激光限制因子，提升模式增益，同时，降低未离化Mg受主的内部光学损耗，降低光波导的吸收损耗。
所述第一上限制层105a的Mg呈倒V型分布，第二上限制层105b的Mg呈U型分布，第三上限制层105c的Mg呈线性分布，第四上限制层105d的Mg呈L形分布，从而在上限制层105形成多重二维电子气层，降低Mg受主离化能，提升Mg离化效率和空穴的输运效率，从而提升空穴注入有源层103的效率和有源层103中电子空穴的对称性和匹配性，提升电子空穴波函数的交叠几率，提升激光器的峰值增益和斜率效率。
所述下限制层101为AlInGaN、AlInN、AlGaN、InGaN和GaN的任意一种或任意组合，厚度为10埃米～9000埃米；
所述衬底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、蓝宝石/SiO2/SiNx复合衬底、镁铝尖晶石MgAl2O4、MgO、ZnO、ZrB2、LiAlO2和LiGaO2复合衬底的任意一种。
实验例1：
采用本实施例中的技术方案进行紫外激光器实验；
对比例1：
采用传统激光器中的技术方案进行紫外激光器实验；
实验例1-2的各项数据对比数据如下：
| 紫外激光器-项目 | 对比例1 | 实验例1 | 变化幅度 |
| 光束质量因子M2 | 3.7 | 1.72 | 115％ |
| 斜率效率(W/A) | 0.34 | 0.76 | 124％ |
| 限制因子 | 1.40％ | 2.86％ | 104％ |
| 内部光学损耗(cm-1) | 17.2 | 6.9 | -60％ |
以紫外激光器为例，本实用新型激光器的光束质量因子从3.7提升至1.72，提升约115％；限制因子从1.4％提升至2.86％，提升约104％；内部光学损耗从17.2下降至6.9cm-1，提升约60％；斜率效率从0.34W/A提升至0.76W/A，提升约124％。
相比于现有技术，下波导层包括第一下波导层和第二下波导层；上限制层包括第一上限制层，第二上限制层、第三上限制层和第四上限制层；量子阱、上波导层、下波导层和上限制层的禁带宽度和厚度具有如下关系：x＜y＜z≤n＜m＝l＜k，a≤j≤f≤e≤c≤d≤g≤h，调控载流子起伏的折射率色散，提升激光限制因子，提升模式增益，同时，降低未离化Mg受主的内部光学损耗，降低光波导的吸收损耗；第一上限制层的Mg呈倒V型分布，第二上限制层的Mg呈U型分布，第三上限制层的Mg呈线性分布，第四上限制层的Mg呈L形分布，从而在上限制层形成多重二维电子气层，降低Mg受主离化能，提升Mg离化效率和空穴的输运效率，从而提升空穴注入有源层的效率和有源层中电子空穴的对称性和匹配性，提升电子空穴波函数的交叠几率，提升激光器的峰值增益和斜率效率。
以上实施例仅用以说明本实用新型而并非限制本实用新型所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本实用新型已进行了详细的说明，但本实用新型不局限于上述具体实施方式，因此任何对本实用新型进行修改或等同替换；而一切不脱离实用新型的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种半导体紫外激光器，从下至上依次包括衬底(100)、下限制层(101)、下波导层(102)，有源层(103)、上波导层(104)、上限制层(105)，其特征在于：所述有源层(103)为阱层和垒层组成的量子阱；所述量子阱、上波导层和下波导层具有特定的禁带宽度梯度和厚度梯度，所述有源层(103)为阱层和垒层组成的量子阱，量子阱周期为w:1≤w≤3；所述有源层(103)的阱层为InGaN，禁带宽度为x:2.9eV≤x≤3.5eV，厚度为a:5≤a≤20埃米；所述有源层(103)的垒层为GaN，厚度为b:10≤b≤150埃米；所述量子阱的发光波长为360～420nm。
2.如权利要求1所述的一种半导体紫外激光器，所述下波导层(102)包括第一下波导层(102a)和第二下波导层(102b)；所述第一下波导层(102a)为GaN，厚度为c:30≤c≤600nm；所述第二下波导层(102b)为阱层为InGaN，禁带宽度为y:3.0eV≤y≤3.6eV，厚度为d:50≤d≤800nm；所述上波导层(104)为InGaN，禁带宽度为z：3.1eV≤z≤3.7eV，厚度为e:20≤e≤500nm。
3.如权利要求2所述的一种半导体紫外激光器，所述量子阱、上波导层(104)和下波导层(102)的特定禁带宽度梯度和厚度梯度具有如下关系：0.5≤a≤e≤c≤d≤800nm，2.9eV≤x＜y＜z≤3.7eV。
4.如权利要求1所述的一种半导体紫外激光器，所述上限制层(105)包括第一上限制层(105a)，第二上限制层(105b)、第三上限制层(105c)和第四上限制层(105d)；所述第一上限制层(105a)为AlGaN材料，禁带宽度为k:4.4eV≤k≤6.6eV，厚度为f:0.5≤f≤20nm；所述第二上限制层(105b)为AlGaN材料，禁带宽度为l:3.6eV≤l≤5.8eV，厚度为g:20≤g≤1000nm；所述第三上限制层(105c)为AlGaN材料，禁带宽度为m:3.6eV≤m≤5.8eV，厚度为h:20≤h≤1000nm；所述第四上限制层(105d)为GaN或InGaN材料，禁带宽度为n:2.8eV≤n≤3.6eV，厚度为j:0.5≤j≤800nm。
5.如权利要求1所述的一种半导体紫外激光器，所述上限制层(105)的禁带宽度和厚度具有特定的禁带宽度梯度和厚度梯度，关系如下：2.8eV≤n＜m＝l＜k≤6.6eV，j≤f≤g≤h。
6.如权利要求4所述的一种半导体紫外激光器，所述量子阱、上波导层(104)、下波导层(102)和上限制层(105)的特定禁带宽度梯度和厚度梯度具有如下关系：x＜y＜z≤n＜m＝l＜k，a≤j≤f≤e≤c≤d≤g≤h。
7.如权利要求6所述的一种半导体紫外激光器，所述第一上限制层(105a)的Mg呈倒V型分布，第二上限制层(105b)的Mg呈U型分布，第三上限制层(105c)的Mg呈线性分布，第四上限制层(105d)的Mg呈L形分布。
8.如权利要求1所述的一种半导体紫外激光器，其特征在于，所述下限制层(101)为AlInGaN、AlInN、AlGaN、InGaN和GaN的任意一种或任意组合，厚度为10埃米～9000埃米。
9.如权利要求1所述的一种半导体紫外激光器，其特征在于，所述衬底(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、蓝宝石/SiO2/SiNx复合衬底、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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