一种半导体激光器

技术领域

本发明涉及半导体光电器件技术领域，具体说是一种半导体激光器。

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、原子钟、测距、光谱分析、切割、海底通信、精密焊接、量子传感器、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单色性好、方向性好、体积小、亮度高、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：激光器使用电流大，电流密度大产生热量大，且器件的散热不佳，温度特性差，会加剧半导体外延层间的热失配，导致阈值电流上升、输出光功率和斜率效率下降等问题。激光器芯片有源区内存在非辐射复合损耗和自由载流子吸收产生大量热量，同时，外延和芯片材料存在电阻在电流注入下会产生焦耳热损耗和载流子吸收损耗，且芯片材料热导率低，散热性能差，导致有源层温度升高，出现激射波长红移、量子效率下降、功率降低、阈值电流增大、寿命变短和可靠性变差等问题。

激光器内部光吸收损耗包括杂质吸收损耗、载流子吸收损耗、波导结构侧壁散射损耗和量子阱吸收损耗等；光波导杂质吸收损耗高，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(10％以下)，大量未电离的Mg受主杂质(90％以上)会产生自补偿效应并引起内部光学损耗上升，导致激光器斜率效率下降和阈值电流增大；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。

激光模数越少，越有利于受激辐射，越有利于提高光子的简并度，越有利于使受激辐射超过自发辐射，利用法布里-珀罗光学谐振腔可减少激光模数。沿腔的轴向的一种驻波就称为一个纵模；横模为光场在腔向的横向分布，光在两镜面间来回反射，光波的等相位面与镜面的曲率半径相等时，形成光场横向不变的横模。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

为了弥补现有技术的不足，本发明提出了一种半导体激光器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明所述的一种半导体激光器，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，所述下限制层为A l I nGaN、A l I nN、A l GaN、I nN、A lN、I nGaN和GaN中的任意一种或任意几种组合，厚度为x，10≤x≤90000埃米；所述下限制层包括第一下限制层、第二下限制层和第三下限制层。

优选的，所述第一下限制层的热导率为a，第二下限制层的热导率为b，第三下限制层的热导率为c，其中：2.5≤b≤a≤c≤5.5(10

优选的，所述第二下限制层的I n/Mg元素比例具有“∩”型分布，所述第二下限制层的Si/Mg元素比例具有“∩”型分布，所述第二下限制层的Al/Mg元素比例具有“∪”型分布。

优选的，所述第二下限制层的热导率分布具有“∪”型分布，第二下限制层的电子有效质量分布具有“∪”型分布，第二下限制层的菲利浦电离度具有“∩”型分布，第二下限制层的电子亲和能分布具有“∩”型分布。

优选的，所述第二下限制层的热导率分布具有函数y＝ix

优选的，所述有源层为阱层和垒层组成的周期结构，周期为1～3；有源层的阱层为GaN、I nGaN、I nN、Al I nN、Al GaN、A l I nGaN、A l N、GaAs、GaP、I nP、Al GaAs、Al InGaAs、Al GaI nP、I nGaAs、I nGaAsN、Al I nAs、Al I nP、Al GaP、I nGaP、GaSb、I nSb、InAs、I nAsSb、Al GaSb、Al Sb、I nGaSb、Al GaAsSb、I nGaAsSb、SiC、Ga

优选的，所述有源层包括第一有源层和第二有源层；所述第一有源层阱层的折射率系数为A，第一有源层垒层的折射率系数为B，第二有源层阱层的折射率系数为C，第二有源层垒层的折射率系数为D，其中：2.0≤B≤D≤A≤C≤3.0；所述第一有源层阱层的介电常数为E，第一有源层垒层的介电常数为F，第二有源层阱层的介电常数为G，第二有源层垒层的介电常数为H，其中：8≤G≤E≤H≤F≤12；所述第一有源层阱层的压电极化系数为I，第一有源层垒层的压电极化系数为J，第二有源层阱层的压电极化系数为K，第二有源层垒层的压电极化系数为L，其中：0.7≤J≤L≤I≤K≤1.0。

优选的，所述第一有源层的折射率系数呈W型分布，所述第二有源层的折射率系数呈M型分布；所述第一有源层的介电常数呈W型分布，所述第二有源层的介电常数呈M型分布；所述第一有源层的压电极化系数呈W型分布，所述第二有源层的压电极化系数呈M型分布。

优选的，所述有源层与上限制层之间的上波导层为抑制光吸收损耗上波导层；所述上波导层为GaN、I nGaN、I nN、Al I nN、Al I nGaN、A l N、GaAs、GaP、I nP、Al GaAs、AlI nGaAs、Al GaI nP、I nGaAs、Al I nAs、Al I nP、Al GaP、I nGaP、GaSb、I nSb、I nAs、A lGaSb、Al Sb、I nGaSb、Al GaAsSb、I nGaAsSb、SiC、Ga

优选的，所述下波导层为GaN、I nGaN、I nN、Al I nN、Al I nGaN、Al N、GaAs、GaP、I nP、Al GaAs、A l I nGaAs、Al GaI nP、I nGaAs、Al I nAs、Al I nP、Al GaP、I nGaP、GaSb、I nSb、I nAs、Al GaSb、Al Sb、I nGaSb、Al GaAsSb、I nGaAsSb、SiC、Ga

本发明的有益效果如下：

1、本发明采用下限制层形成电子储蓄结构和应力调控结构，调控有源层的载流子分布和应力分布，降低激光器的阈值电流和提升斜率效率，同时，降低非辐射复合损耗和自由载流子吸收损耗产生的热量，降低有源层的热量积蓄，提升热导率和散热性，改善激光器的老化光衰和聚焦光斑分辨率，1000H的老化光衰从22％改善至4％以内，聚焦光斑分辨率从大于200nm下降至小于40nm。

2、本发明采用的有源层提升光子简并度，提升导带与重空穴带对称性，同样注入电流下各自的准费米能级会等概率地进入各自能带，降低粒子数反转的阈值电流密度，使激光器受激辐射大于自发辐射，提升横模的相干性、限制因子和斜率效率，并减少纵模数量和模间变化，提升纵模时间相干性和远场FFP图像质量、光束质量因子和聚焦光斑分辨率。

3、本发明采用的上波导层的击穿场强呈弧形分布，从而形成光场隔离和限制区，阻挡光场往上限制层扩散，降低上限制层的杂质光吸收损耗、缺陷光吸收损耗；同时，调控折射率色散，减少激光器在高浓度载流子浓度下的折射率波动，降低载流子光吸收损耗和波导结构侧壁散射损耗，进而降低激光器的光吸收损耗，提升限制因子和光功率。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。

图1是本发明实施例的一种半导体激光器的结构示意图；

图2是本发明实施例的一种半导体激光器的结构SIMS二次离子质谱图；

图3是本发明实施例的一种半导体激光器的结构SIMS二次离子质谱图；

图4是本发明实施例的一种半导体激光器的下限制层的TEM透射电镜图；

图5是本发明实施例的一种半导体激光器的下限制层和下波导层的TEM透射电镜图；

图6是本发明实施例的一种半导体激光器的有源层的TEM透射电镜图；

图7是本发明实施例的一种半导体激光器的上波导层和下波导层的TEM透射电镜图；

图8是本发明实施例的一种半导体激光器的上限制层的TEM透射电镜图；

附图标记：100：衬底；101：下限制层；101a:第一下限制层；101b：第二下限制层；101c：第三下限制层；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

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1-8所示，本发明所述的一种半导体激光器，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，所述下限制层101为A l InGaN、A l I nN、A l GaN、I nN、A l N、I nGaN和GaN中的任意一种或任意几种组合，厚度为x，10≤x≤90000埃米；所述下限制层101包括第一下限制层101a、第二下限制层101b和第三下限制层101c。

所述第一下限制层101a的热导率为a，第二下限制层101b的热导率为b，第三下限制层101c的热导率为c，其中：2.5≤b≤a≤c≤5.510

所述第二下限制层101b的I n/Mg元素比例具有“∩”型分布，所述第二下限制层101b的Si/Mg元素比例具有“∩”型分布，所述第二下限制层101b的A l/Mg元素比例具有“∪”型分布。

所述第二下限制层101b的热导率分布具有“∪”型分布，第二下限制层101b的电子有效质量分布具有“∪”型分布，第二下限制层101b的菲利浦电离度具有“∩”型分布，第二下限制层101b的电子亲和能分布具有“∩”型分布。

所述第二下限制层101b的热导率分布具有函数y＝ix

本发明中，所述第二下限制层的热膨胀系数具有倒“∪”型分布，第二下限制层的弹性系数具有“∪”型型分布，第二下限制层的晶格常数具有正“∩”型分布，形成电子储蓄结构和应力调控结构，调控有源层的载流子分布和应力分布，降低激光器的阈值电流和提升斜率效率，同时，抑制俄歇非辐射复合效率，降低非辐射复合损耗和自由载流子吸收损耗产生的热量，降低有源层的热量积蓄，提升热导率和散热性，改善激光器的老化光衰和聚焦光斑分辨率，1000H的老化光衰从22％改善至4％以内，聚焦光斑分辨率从大于200nm下降至小于40nm。

所述有源层103为阱层和垒层组成的周期结构，周期为1～3；有源层103的阱层为GaN、I nGaN、I nN、Al I nN、Al GaN、A l I nGaN、A l N、GaAs、GaP、I nP、Al GaAs、Al InGaAs、Al GaI nP、I nGaAs、I nGaAsN、Al I nAs、Al I nP、Al GaP、I nGaP、GaSb、I nSb、InAs、I nAsSb、Al GaSb、Al Sb、I nGaSb、Al GaAsSb、I nGaAsSb、SiC、Ga

所述有源层103包括第一有源层和第二有源层；所述第一有源层阱层的折射率系数为A，第一有源层垒层的折射率系数为B，第二有源层阱层的折射率系数为C，第二有源层垒层的折射率系数为D，其中：2.0≤B≤D≤A≤C≤3.0；所述第一有源层阱层的介电常数为E，第一有源层垒层的介电常数为F，第二有源层阱层的介电常数为G，第二有源层垒层的介电常数为H，其中：8≤G≤E≤H≤F≤12；所述第一有源层阱层的压电极化系数为I，第一有源层垒层的压电极化系数为J，第二有源层阱层的压电极化系数为K，第二有源层垒层的压电极化系数为L，其中：0.7≤J≤L≤I≤K≤1.0。

本发明中，所述第一有源层的折射率系数呈W型分布，所述第二有源层的折射率系数呈M型分布；所述第一有源层的介电常数呈W型分布，所述第二有源层的介电常数呈M型分布；所述第一有源层的压电极化系数呈W型分布，所述第二有源层的压电极化系数呈M型分布。

本发明中，所述有源层为阱层和垒层组成的周期结构，所述有源层阱层的折射率系数大于等于垒层的折射率系数；所述有源层阱层的介电常数大于等于垒层的介电常数；所述有源层阱层的压电极化系数大于等于垒层的压电极化系数，从而提升光子简并度，提升导带与重空穴带对称性，同样注入电流下各自的准费米能级会等概率地进入各自能带，降低粒子数反转的阈值电流密度，使激光器受激辐射大于自发辐射，提升横模的相干性、限制因子和斜率效率，并减少纵模数量和模间变化，提升纵模时间相干性和远场FFP图像质量、光束质量因子和聚焦光斑分辨率。

所述有源层103与上限制层105之间的上波导层为抑制光吸收损耗上波导层104；所述上波导层104为GaN、I nGaN、I nN、Al I nN、Al I nGaN、Al N、GaAs、GaP、I nP、AlGaAs、A l I nGaAs、Al GaI nP、I nGaAs、Al I nAs、Al I nP、Al GaP、I nGaP、GaSb、I nSb、I nAs、Al GaSb、Al Sb、I nGaSb、Al GaAsSb、I nGaAsSb、SiC、Ga

本实施例中，所述抑制光吸收损耗上波导层的导带有效态密度呈弧形分布；所述抑制光吸收损耗上波导层的电子亲和能呈弧形分布；所述抑制光吸收损耗上波导层的击穿场强呈弧形分布，从而形成光场隔离和限制区，阻挡光场往上限制层扩散，降低上限制层的杂质光吸收损耗、缺陷光吸收损耗；同时，调控折射率色散，减少激光器在高浓度载流子浓度下的折射率波动，降低载流子光吸收损耗和波导结构侧壁散射损耗，进而降低激光器的光吸收损耗，提升限制因子和光功率。

所述下波导层102为GaN、I nGaN、I nN、Al I nN、Al I nGaN、Al N、GaAs、GaP、InP、Al GaAs、Al I nGaAs、Al GaI nP、I nGaAs、Al I nAs、Al I nP、Al GaP、I nGaP、GaSb、InSb、I nAs、A l GaSb、Al Sb、I nGaSb、Al GaAsSb、I nGaAsSb、SiC、Ga

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。