一种半导体激光器

技术领域

本发明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。

目前，氮化物半导体激光器存在以下问题：激光器激射后，多量子阱有源区载流子浓度饱和，双极性电导效应减弱，激光器的串联电阻增加，导致激光器电压上升。按激光理论，激光器发射稳定激光饱和后，空穴和电子的准费米能级被钉扎，受激辐射占主导，注入载流子完全转化为光子输出，载流子浓度达到饱和，光增益达到饱和，结电压亦达到饱和，腔内载流子浓度不随电流变化。激光器远离平衡态相变对应的对称性破缺使激光器在阈值处出现不连续或突变现象，如电导上跳、电容下沉、结电压上跳、串联电阻下沉、理想因子上跳等问题。该不连续现象主要受耗尽区的俘获效应、表面状况、边缘效应、深能级陷阱、绝缘界面层和串联电阻等因素影响。当电子泄漏到p型半导体时，还会形成双极性电导效应，在有源层载流子浓度饱和情况下，阈值处结电压饱和，但串联电阻增加，激光器总电压上升。

发明内容

本发明实施例提供一种半导体激光器，通过引入三层结构的下限制层解决上述问题。

为实现上述目的，本申请实施例的提供一种半导体激光器，从下往上包括：衬底、下限制层、下波导层、有源层、上波导层和上限制层；

所述下限制层包括第一电流扩展下限制层、第二电流扩展下限制层和第三电流扩展下限制层；所述第一电流扩展下限制层、所述第二电流扩展下限制层和所述第三电流扩展下限制层均包括一种以上宽禁带化合物半导体。

在一种可能的实现方式中，所述第一电流扩展下限制层包括AlGaN、AlInGaN、AlN和AlInN中的一种或多种；所述第二电流扩展下限制层包括GaN、InGaN、InN、AlInN、AlInGaN中的一种或多种；所述第三电流扩展下限制层包括AlGaN、AlInGaN、AlN、AlInN中的一种或多种。

在一种可能的实现方式中，所述第一电流扩展下限制层的饱和电子漂移速率为a，所述第二电流扩展下限制层的饱和电子漂移速率为b，所述第三电流扩展下限制层的饱和电子漂移速率为c，其中，1E6cm/s≤c≤a≤b≤5E8cm/s。

在一种可能的实现方式中，所述第二电流扩展下限制层的饱和电子漂移速率分布服从函数y＝Ax

在一种可能的实现方式中，所述第一电流扩展下限制层的电子迁移率为d，第二电流扩展下限制层的电子迁移率为e，第所述三电流扩展下限制层的电子迁移率为f，10cm

所述第一电流扩展下限制层的电子迁移率分布服从线性函数分布；所述第二电流扩展下限制层的电子迁移率分布服从函数y＝Dx

在一种可能的实现方式中，所述第一电流扩展下限制层的电子亲和能为g，第二电流扩展下限制层的电子亲和能为h，第三电流扩展下限制层的电子亲和能为i，0.2eV≤i≤g≤h≤15eV；

所述第一电流扩展下限制层的电子亲和能分布服从线性函数分布，第二电流扩展下限制层的电子亲和能分布具服从函数y＝Gx

在一种可能的实现方式中，所述第一电流扩展下限制层的峰值速率电场为j，第二电流扩展下限制层的峰值速率电场为k，第三电流扩展下限制层的峰值速率电场为l，其中，20KV/cm≤k≤j≤l≤1000KV/cm；

所述第一电流扩展下限制层的峰值速率电场分布服从线性函数分布，所述第二电流扩展下限制层的峰值速率电场分布服从函数y＝x/sinx曲线分布，所述第三电流扩展下限制层的峰值速率电场分布服从线性函数分布。

在一种可能的实现方式中，所述第一电流扩展下限制层的轻空穴有效质量为m，第二电流扩展下限制层的轻空穴有效质量为n，第三电流扩展下限制层的轻空穴有效质量为p，其中，20≤n≤m≤p≤1000m

所述第一电流扩展下限制层的轻空穴有效质量分布服从线性函数分布，所述第二电流扩展下限制层的轻空穴有效质量分布服从函数y＝x/sinx曲线分布，所述第三电流扩展下限制层的轻空穴有效质量分布服从线性函数分布。

在一种可能的实现方式中，所述衬底包括蓝宝石、硅、Ge、SiC、AlN、GaN、GaAs、InP、SiO

所述有源层包括一到三个周期结构，所述周期结构包括阱层和垒层，所述阱层和所述垒层均包括一种以上宽禁带化合物半导体；

所述下限制层、所述下波导层、所述上波导层和所述上限制层均包括一种以上宽禁带化合物半导体。

相比于现有技术，本发明实施例提供一种半导体激光器，通过调整各项生长参数，使所述第一电流扩展下限制层的饱和电子漂移速率、所述第二电流扩展下限制层的饱和电子漂移速率和所述第三电流扩展下限制层的饱和电子漂移速率分别服从预设分布，从而提升载流子横向扩展能力，提升双极性电导，降低激光器的串联电阻，降低激光器的电压；同时，降低激光器的串联电阻突变，改善激光器远离平衡态相变的对称性破缺，改善激光器的突变Kink现象。

附图说明

图1是本发明一实施例提供一种半导体激光器的结构示意图；

图2是本发明一实施例提供一种半导体激光器的SIMS二次离子质谱图。

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、完整地描述，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，本发明一实施例提供一种半导体激光器，从下往上包括：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。

所述下限制层包括第一电流扩展下限制层101a、第二电流扩展下限制层101b和第三电流扩展下限制层101c；所述第一电流扩展下限制层101a、所述第二电流扩展下限制层101b和所述第三电流扩展下限制层101c均包括一种以上宽禁带化合物半导体。

本实施例中的半导体激光器与传统激光器最大不同之处在于引入三层结构的下限制层101，所述第一电流扩展下限制层101a、所述第二电流扩展下限制层101b和所述第三电流扩展下限制层101c形成了一个横向扩展结构，可以提升载流子横向扩展能力，提升双极性电导，降低激光器的串联电阻，降低激光器的电压；同时，降低激光器的串联电阻突变，改善激光器远离平衡态相变的对称性破缺。

示例性地，所述第一电流扩展下限制层101a包括AlGaN、AlInGaN、AlN和AlInN中的一种或多种；所述第二电流扩展下限制层101b包括GaN、InGaN、InN、AlInN、AlInGaN中的一种或多种；所述第三电流扩展下限制层101c包括AlGaN、AlInGaN、AlN、AlInN中的一种或多种。

第一电流扩展下限制层101a可以包括GaN、InGaN、InN、AlInN、AlGaN、AlInGaN、AlN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、InGaAsN、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、GaSb、InSb、InAs、InAsSb、AlGaSb、AlSb、InGaSb、AlGaAsSb、InGaAsSb、SiC、Ga2O3、BN和金刚石中的一种或多种，在实际中一般优选AlGaN、AlInGaN、AlN、AlInN中的一种或多种。

第二电流扩展下限制层101b可以包括GaN、InGaN、InN、AlInN、AlGaN、AlInGaN、AlN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、InGaAsN、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、GaSb、InSb、InAs、InAsSb、AlGaSb、AlSb、InGaSb、AlGaAsSb、InGaAsSb、SiC、Ga2O3、BN和金刚石中的一种或多种，在实际中一般优选GaN、InGaN、InN、AlInN、AlInGaN中的一种或多种。

第三电流扩展下限制层101c可以包括GaN、InGaN、InN、AlInN、AlGaN、AlInGaN、AlN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、InGaAsN、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、GaSb、InSb、InAs、InAsSb、AlGaSb、AlSb、InGaSb、AlGaAsSb、InGaAsSb、SiC、Ga2O3、BN和金刚石中的一种或多种，在实际中一般优选AlGaN、AlInGaN、AlN、AlInN中的一种或多种。

三个电流扩展下限制层的组成成分可相同，也可不同。

需要说明的是，在下面的实施例中，通过调整生长材料、组分、掺杂、气氛N2/H2/NH3、温度、压强、转速、生长速率等生长条件组合来实现对各种元素分布的调整，这里就不一一赘述调整过程。

示例性地，所述第一电流扩展下限制层101a的饱和电子漂移速率为a，所述第二电流扩展下限制层101b的饱和电子漂移速率为b，所述第三电流扩展下限制层101c的饱和电子漂移速率为c，其中，1E6cm/s≤c≤a≤b≤5E8cm/s。

一实施例中对所有合格的半导体激光器通过SIMS二次离子质谱，得到的检测结果是各个电流扩展下限制层的电子漂移速率均满足：1E6cm/s≤c≤a≤b≤5E8cm/s。

示例性地，所述第二电流扩展下限制层101b的饱和电子漂移速率分布服从函数y＝Ax

示例性地，所述第一电流扩展下限制层101a的电子迁移率为d，第二电流扩展下限制层101b的电子迁移率为e，第所述三电流扩展下限制层的电子迁移率为f，10cm

所述第一电流扩展下限制层101a的电子迁移率分布服从线性函数分布；所述第二电流扩展下限制层101b的电子迁移率分布服从函数y＝Dx

示例性地，所述第一电流扩展下限制层101a的电子亲和能为g，第二电流扩展下限制层101b的电子亲和能为h，第三电流扩展下限制层101c的电子亲和能为i，0.2eV≤i≤g≤h≤15eV；

所述第一电流扩展下限制层101a的电子亲和能分布服从线性函数分布，第二电流扩展下限制层101b的电子亲和能分布具服从函数y＝Gx

示例性地，所述第一电流扩展下限制层101a的峰值速率电场为j，第二电流扩展下限制层101b的峰值速率电场为k，第三电流扩展下限制层101c的峰值速率电场为l，其中，20KV/cm≤k≤j≤l≤1000KV/cm；

所述第一电流扩展下限制层101a的峰值速率电场分布服从线性函数分布，所述第二电流扩展下限制层101b的峰值速率电场分布服从函数y＝x/sinx曲线分布，所述第三电流扩展下限制层101c的峰值速率电场分布服从线性函数分布。

示例性地，所述第一电流扩展下限制层101a的轻空穴有效质量为m，第二电流扩展下限制层101b的轻空穴有效质量为n，第三电流扩展下限制层101c的轻空穴有效质量为p，其中，20≤n≤m≤p≤1000m

所述第一电流扩展下限制层101a的轻空穴有效质量分布服从线性函数分布，所述第二电流扩展下限制层101b的轻空穴有效质量分布服从函数y＝x/sinx曲线分布，所述第三电流扩展下限制层101c的轻空穴有效质量分布服从线性函数分布。

示例性地，所述衬底100包括蓝宝石、硅、Ge、SiC、AlN、GaN、GaAs、InP、SiO

所述有源层103包括一到三个周期结构，所述周期结构包括阱层和垒层，所述阱层和所述垒层均包括一种以上宽禁带化合物半导体；

所述下限制层、所述下波导层102、所述上波导层104和所述上限制层105均包括一种以上宽禁带化合物半导体。

阱层可以为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlGaN、AlInGaN、AlN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、InGaAsN、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、GaSb、InSb、InAs、InAsSb、AlGaSb、AlSb、InGaSb、AlGaAsSb、InGaAsSb、SiC、Ga2O3、BN、金刚石的任意一种或任意组合，厚度为10～100埃米，垒层可以为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlGaN、AlInGaN、AlN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、InGaAsN、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、GaSb、InSb、InAs、InAsSb、AlGaSb、AlSb、InGaSb、AlGaAsSb、InGaAsSb、SiC、Ga

所述下限制层101、下波导层102、上波导层104、上限制层105可以为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlGaN、AlInGaN、AlN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、InGaAsN、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、GaSb、InSb、InAs、InAsSb、AlGaSb、AlSb、InGaSb、AlGaAsSb、InGaAsSb、SiC、Ga

所述衬底100可以包括蓝宝石、硅、Ge、SiC、AlN、GaN、GaAs、InP、InAs、GaSb、蓝宝石/SiO2复合衬底、Mo、TiW、CuW、Cu、蓝宝石/AlN复合衬底、金刚石、蓝宝石/SiNx、蓝宝石/SiO2/SiNx复合衬底、镁铝尖晶石MgAl

以蓝光激光器为例，根据本发明实施例对蓝光激光器引入上述实施例中的半导体激光器结构后，相较于传统激光器，蓝光激光器的限制因子从1.4％提升至2.71％，提升约93％；外量子效率从31.5％提升至47.6％，提升约51％。

表1激光器参数对比表

相比于现有技术，本发明实施例提供一种半导体激光器，通过调整各项生长参数，使所述第一电流扩展下限制层101a的饱和电子漂移速率、所述第二电流扩展下限制层101b的饱和电子漂移速率和所述第三电流扩展下限制层101c的饱和电子漂移速率分别服从预设分布，从而提升载流子横向扩展能力，提升双极性电导，降低激光器的串联电阻，降低激光器的电压；同时，降低激光器的串联电阻突变，改善激光器远离平衡态相变的对称性破缺，改善激光器的突变Kink现象。

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。