一种GaN基半导体激光器

技术领域

本发明涉及半导体光电器件技术领域，尤其是涉及一种GaN基半导体激光器。

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、精密焊接和高密度光存储等领域。激光器的种类很多，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、结构简单紧凑及小型化等优点。而激光器与氮化物半导体发光二极管也存在较大的区别，包括：

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/cm

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。

然而，现有的氮化物半导体激光器存在以下问题：1)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，从而导致增益不均匀，限制了激光器电激射增益的提高；2)激光光波的型态可分为横模和纵模；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，则输出光的相干性差；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，且远场图像FFP质量差。所述纵模是沿腔的轴向的一种驻波，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。

发明内容

本发明旨在提供一种GaN基半导体激光器，以解决上述技术问题，通过对半导体激光器上波导层禁带宽度变化曲线的设置，可以调控上波导层能带结构和界面能带，从而抑制纵模的数量和模间变化，提升激光时间相干性和远场FFP图像质量。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种GaN基半导体激光器，包括从下到上依次设置的衬底、下限制层、下波导层、有源层、上波导层和上限制层，所述上波导层的禁带宽度具有函数y＝lnx+x曲线分布。

上述方案提供的激光器，其通过对上波导层禁带宽度变化曲线的特殊设计，可以实现对上波导层能带结构和界面能带的有效调控，从而抑制纵模的数量和模间变化，提升激光时间相干性和远场FFP图像质量。

进一步地，所述上波导层为GaN、InGaN、AlInGaN、InGaN/GaN超晶格、AlInN、InGaN/AlGaN超晶格或InGaN/AlInGaN超晶格的任意一种或组合，其厚度n满足：10≤n≤9000埃米。

进一步地，所述下波导层的禁带宽度具有函数y＝e

上述方案中，通过对下波导层的禁带宽度变化曲线的特定设计，可以实现对压电极化效应的抑制，从而减轻量子限制Stark效应，实现电激射增益和增益均匀性的有效提升。

进一步地，所述下波导层为GaN、InGaN、AlInGaN、InGaN/GaN超晶格、AlInN、InGaN/AlGaN超晶格或InGaN/AlInGaN超晶格的任意一种或组合，其厚度m满足：10≤m≤9000埃米。

进一步地，所述有源层为阱层和垒层组成的量子阱，所述量子阱周期为w：1≤w≤3。所述有源层的禁带宽度具有函数y＝xsinx的曲线分布。

上述方案中，将有源层的禁带宽度变化曲线设置为函数y＝xsinx的曲线分布，可以实现对压电极化效应的抑制，从而减轻量子限制Stark效应，实现电激射增益和增益均匀性的有效提升。

进一步地，所述有源层的阱层为GaN、InGaN、InN、AlInN和AlInGaN的任意一种或任意组合，其厚度p为：10≤p≤100埃米；所述有源层的垒层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlInGaN和AlN的任意一种或任意组合，厚度q为：10≤q≤200埃米。

进一步地，所述下限制层为AlInGaN、AlInN、AlGaN、InGaN和GaN的任意一种或任意组合，其厚度为10埃米～90000埃米。

进一步地，所述上限制层为AlInGaN、AlInN和AlGaN的任意一种或任意组合，其厚度为10埃米～9000埃米。

进一步地，所述衬底包括蓝宝石、硅、Ge、SiC、AlN、GaN、GaAs、InP、蓝宝石/SiO

上述方案提供的GaN基半导体激光器，其上波导层具有特定设计的禁带宽度变化曲线，可以调控上波导层的能带结构和界面能带，抑制纵模的数量和模间变化，提升激光时间相干性和远场FFP图像质量；而下波导层具有特定设计的禁带宽度变化曲线，可以实现对下波导层与量子阱及其界面的能带分布的调控，缓解和调控量子阱的应力，从而抑制压电极化效应，减轻量子限制Stark效应，提升电激射增益和增益均匀性。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的一种GaN基半导体激光器结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的一种GaN基半导体激光器的结构SIMS二次离子质谱图一；

图3为本发明一实施例提供的一种GaN基半导体激光器的结构SIMS二次离子质谱图二；

其中：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

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图1，本实施例提供一种GaN基半导体激光器，包括从下到上依次设置的衬底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，所述上波导层104的禁带宽度具有函数y＝lnx+x曲线分布。

具体地，可参见图2、图3，本实施例提供的激光器通过对上波导层104禁带宽度变化曲线的特殊设计，可以实现对上波导层104能带结构和界面能带的有效调控，从而抑制纵模的数量和模间变化，提升激光时间相干性和远场FFP图像质量。

进一步地，所述上波导层104为GaN、InGaN、AlInGaN、InGaN/GaN超晶格、AlInN、InGaN/AlGaN超晶格或InGaN/AlInGaN超晶格的任意一种或组合，其厚度n满足：10≤n≤9000埃米。

进一步地，所述下波导层102的禁带宽度具有函数y＝e

在本实施例中，通过对下波导层102的禁带宽度变化曲线的特定设计，可以实现对压电极化效应的抑制，从而减轻量子限制Stark效应，实现电激射增益和增益均匀性的有效提升。

进一步地，所述下波导层102为GaN、InGaN、AlInGaN、InGaN/GaN超晶格、AlInN、InGaN/AlGaN超晶格或InGaN/AlInGaN超晶格的任意一种或组合，其厚度m满足：10≤m≤9000埃米。

进一步地，所述有源层103为阱层和垒层组成的量子阱，所述量子阱周期为w：1≤w≤3。所述有源层103的禁带宽度具有函数y＝xsinx的曲线分布。

在本实施例中，将有源层103的禁带宽度变化曲线设置为函数y＝xsinx的曲线分布，可以实现对压电极化效应的抑制，从而减轻量子限制Stark效应，实现电激射增益和增益均匀性的有效提升。

进一步地，所述有源层103的阱层为GaN、InGaN、InN、AlInN和AlInGaN的任意一种或任意组合，其厚度p为：10≤p≤100埃米；所述有源层103的垒层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlInGaN和AlN的任意一种或任意组合，厚度q为：10≤q≤200埃米。

进一步地，所述下限制层101为AlInGaN、AlInN、AlGaN、InGaN和GaN的任意一种或任意组合，其厚度为10埃米～90000埃米。

进一步地，所述上限制层105为AlInGaN、AlInN和AlGaN的任意一种或任意组合，其厚度为10埃米～9000埃米。

进一步地，所述衬底100包括蓝宝石、硅、Ge、SiC、AlN、GaN、GaAs、InP、蓝宝石/SiO

本实施例提供的GaN基半导体激光器，其上波导层104具有特定设计的禁带宽度变化曲线，可以调控上波导层104的能带结构和界面能带，抑制纵模的数量和模间变化，提升激光时间相干性和远场FFP图像质量；而下波导层102具有特定设计的禁带宽度变化曲线，可以实现对下波导层102与量子阱及其界面的能带分布的调控，缓解和调控量子阱的应力，从而抑制压电极化效应，减轻量子限制Stark效应，提升电激射增益和增益均匀性。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。