CN104993376B - 适用于激光显示的消相干准三维光子晶体超辐射光源 - Google Patents

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Abstract

一种适用于激光显示的消相干准三维光子晶体超辐射光源，包括：一N型衬底；一N型光子晶体波导层，其制作在N型衬底上；一有源层，其制作在N型光子晶体波导层上；一P型波导层，其制作在有源层上，该P型波导层上面的中间有一凸起的脊形波导结构，该波导结构为P型横向限制层，该P型横向限制层横向开有多个狭槽，形成啁啾狭槽结构；一绝缘层，其制作在P型横向限制层两侧及横向的狭槽内；一N电极，其制作在绝缘层以及P型横向限制层上；一P电极，其制作在N型衬底的背面。本发明针对红绿蓝三基色激光对谱宽的需求，设计啁啾狭槽，以达到对不同波长的光都实现无散斑的投影显示。

Description

适用于激光显示的消相干准三维光子晶体超辐射光源
技术领域
本发明属于半导体光源领域，特别涉及一种适用于激光显示的消相干准三维光子晶体超辐射光源。
背景技术
激光显示由于其色域广、效率高等独特优势成为了投影显示领域中的最有前景的方向。而半导体激光器由于其尺寸小、电光转换效率高等优势，最终将替代前置宽谱光源--灯泡，成为激光显示领域未来最合适的光源。然而，高质量的激光光源在激光显示应用存在的最大问题在于空间相干性。但有研究发现作为激光显示光源的三基色激光中的红光的谱宽达到5nm以上时，即使没有任何外置消相干元件，人眼也几乎无法分辨有无散斑。该研究内容给我们提供了思路。
因此，我们设计了所述一种适用于激光显示的边发射半导体超辐射光源，通过啁啾狭槽来实现宽谱超辐射发光。并且根据啁啾狭槽的啁啾度不同来调控最终获得的超辐射发光光源的谱宽。针对红绿蓝三基色激光对谱宽的需求，设计啁啾狭槽，以达到对不同波长的光都实现无散斑的投影显示。
此外，普通半导体激光器带来的另一问题是，由于横向和纵向的光束质量不同而存在较大的像散。我们利用N型光子晶体波导对光场的纵向扩展，实现降低垂直发散角的目的，以降低色散，直接应用于激光显示。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种适用于激光显示的消相干准三维光子晶体超辐射光源，其是通过啁啾狭槽来实现宽谱超辐射发光，并且根据啁啾狭槽的啁啾度不同来调控最终获得的超辐射发光光源的谱宽。针对红绿蓝三基色激光对谱宽的需求，设计啁啾狭槽，以达到对不同波长的光都实现无散斑的投影显示。
本发明提供一种适用于激光显示的消相干准三维光子晶体超辐射光源，包括：
一N型衬底；
一N型光子晶体波导层，其制作在N型衬底上；
一有源层，其制作在N型光子晶体波导层上；
一P型波导层，其制作在有源层上，该P型波导层上面的中间有一凸起的脊形波导结构，该波导结构为P型横向限制层，该P型横向限制层横向开有多个狭槽，形成啁啾狭槽结构；
一绝缘层，其制作在P型横向限制层两侧及横向的狭槽内；
一N电极，其制作在绝缘层以及P型横向限制层上；
一P电极，其制作在N型衬底的背面。
本发明的有益效果是，可以用作激光显示中的三基色光源，可以省去后置的消相干元件，因此可以大大降低投影***的复杂性，降低成本并且可以进一步缩小尺寸。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1为的结构立体示意图；
图2为本发明的实验结果：在不同的注入电流下的输出光谱；
图3为啁啾狭槽对应的反射谱(7对)；
图4为非啁啾均匀狭槽的反射谱(7对)。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种适用于激光显示的消相干准三维光子晶体超辐射光源，包括：
一N型衬底1，所述N型衬底1的材料为砷化镓、磷化铟或氮化镓，根据所述光子晶体波导层2以及有源层3的材料异质外延情况而定。
一N型光子晶体波导层2，其制作在N型衬底1上，所述N型光子晶体波导层2为周期重复制备的不同组分x的AlxGa1-xAs或者InxGa1-xN，所述N型光子晶体波导层2的周期数大于2。周期重复制备的不同组分材料形成周期折射率变化，对模式进行纵向扩展，降低输出光斑的纵向发散角，有益于减少后续的光斑整形过程而有可能直接应用于激光投影等领域。
一有源层3，其制作在N型光子晶体波导层2上，所述有源层3为量子阱或量子点结构的半导体增益材料，具体材料由激光投影所选定的红绿蓝三基色所需发光波长决定。所述有源层3为量子点或者单量子阱时，通常由一个芯层和两个光限制层组成。为了提高光电转换效率，通过采用重复制备的多个量子阱，提高有源区的光限制因子。
一P型波导层4，其制作在有源层3上，该P型波导层4上面的中间有一凸起的脊形波导结构，该波导结构为P型横向限制层5，所述P型横向限制层5的宽度为500nm-200μm，所述P型横向限制层5的剖面是矩形、梯形或者三角形，该P型横向限制层5形成横向的折射率差，对光模式起到横向局域的作用；该P型横向限制层5横向开有多个狭槽，形成啁啾狭槽结构。所述P型横向限制层5上的啁啾狭槽结构，分为周期性啁啾深度狭槽和啁啾周期狭槽。所述周期性啁啾深度狭槽是指狭槽周期均一，而刻蚀深度从一端到另一端逐渐增大或逐渐减小的狭槽结构。所述啁啾周期狭槽是指狭槽周期从一端到另一端逐渐变大或逐渐变小的狭槽结构。参阅图3所示，两种啁啾狭槽结构都能够提供一定宽度的高反射谱。与图4中的均匀狭槽相比较谱宽有明显变宽，这是获得宽谱超辐射发光的关键因素。横向限制层的另一端为自然解理面。光在啁啾狭槽与自然解理面之间形成共振，最终从自然解理面一端出射。
一绝缘层6，其制作在P型横向限制层5两侧及横向的狭槽内，所述绝缘层6的材料为二氧化硅或氧化铝。所述绝缘层6在所述横向限制层以及电极之间起到选择性绝缘的作用，使得非载流子注入的区域形成电绝缘。
一P电极7，其制作在绝缘层6以及P型横向限制层5上，所述P电极7的材料为金属。金属电极的面积覆盖整个器件，在封装时足够压焊多根Au线。所述P电极7通常选用Ti/Pt/Au材料以达到电极与器件之间的欧姆接触。
一N电极8，其制作在N型衬底1的背面，所述N电极8的材料为金属。所述N电极8通常采用Au/Ge/Ni/Au合金材料。为了获得更优且更稳定的电流电压特性，需要进一步做适当温度下的高温退火处理。
实施例一
本发明为一种适用于激光显示的消相干准三维光子晶体超辐射光源。该实施例中我们通过模拟和实验结果说明了该方法可以实现宽谱边发射输出。尽管在实验中波长并不是适用于激光显示的红、绿、蓝三基色光的任何一种，但基于此工作机理，我们可以实现任意波长的宽谱输出。
啁啾狭槽结构的方案具体过程描述如下：
步骤1，制作外延片：以N型GaAs材料为衬底1，在其上依次生长N型光子晶体波导层2、AlGaInAs多量子阱有源层3、P型波导层4和P型横向限制层5。
步骤2，在外延片上制作脊形波导：从外延片顶部刻蚀到P型波导层。
步骤3，在脊形波导上制作啁啾狭槽结构：在脊形波导的一端通过套刻显影、ICP刻蚀工艺刻蚀出啁啾狭槽。
步骤4，制作电极：PECVD沉积250nm厚的SiO2作为绝缘层6，再在P型限制层上掏SiO2窗口，沉积Ti/Pt/Au作为P电极7。对衬底进行减薄，在背面沉积Au/Ge/Ni/Au作为N电极8。最终获得如图1所示的器件。
该宽谱超辐射光源的工作机理：周期性啁啾深度狭槽提供宽谱高反射率反馈，参考图3，而另一端的自然解理面提供等间距纵模反馈。我们可以通过增大腔长使该结构FP(自然解理面一端)纵模间距小于传统FP腔激光器的单纵模的半高宽，以实现均匀的宽谱发光。
该实施例中我们采用了周期性啁啾深度狭槽结构。具体结构参数是狭槽周期为10μm，每个狭槽宽度为1μm，狭槽深度啁啾变化。在模拟与实验制备中均使用了7个周期的啁啾深度狭槽。获得了在激射之后2倍阈值的泵浦功率下-10nm的输出谱宽，参考图2所示。
以上实施例只是本发明所有方案中的优选方案之一，其他对基于啁啾狭槽的脊形波导边发射激光器结构的简单改变都属于本发明所保护的范围。

Claims (7)

1.一种适用于激光显示的消相干准三维光子晶体超辐射光源，包括：
一N型衬底；
一N型光子晶体波导层，其制作在N型衬底上；
一有源层，其制作在N型光子晶体波导层上，该N型光子晶体波导层为周期重复制备的不同组分x的AlxGa1-xAs或者InxGa1-xN，周期数大于2，周期重复制备的不同组分材料形成周期折射率变化，对模式进行纵向扩展；
一P型波导层，其制作在有源层上，该P型波导层上面的中间有一凸起的脊形波导结构，该波导结构为P型横向限制层，该P型横向限制层横向开有多个狭槽，形成啁啾狭槽结构，该啁啾狭槽结构分为周期性啁啾深度狭槽和啁啾周期狭槽，周期性啁啾深度狭槽指狭槽周期均一，而刻蚀深度从一端到另一端逐渐增大或逐渐减小的狭槽结构，啁啾周期狭槽指狭槽周期从一端到另一端逐渐变大或逐渐变小的狭槽结构；
一绝缘层，其制作在P型横向限制层两侧及横向的狭槽内；
一N电极，其制作在绝缘层以及P型横向限制层上；
一P电极，其制作在N型衬底的背面。
2.根据权利要求1所述的适用于激光显示的消相干准三维光子晶体超辐射光源，其中N型衬底的材料为砷化镓、磷化铟或氮化镓。
3.根据权利要求1所述的适用于激光显示的消相干准三维光子晶体超辐射光源，其中所述有源层为量子阱或量子点结构的半导体增益材料。
4.根据权利要求1所述的适用于激光显示的消相干准三维光子晶体超辐射光源，其中所述P型横向限制层的宽度为500nm-200μm；所述P型横向限制层的剖面是矩形、梯形或者三角形。
5.根据权利要求1所述的适用于激光显示的消相干准三维光子晶体超辐射光源，其中所述P型波导层的材料为AlxGa1-xAs、InxGa1-xAs或者InxGa1-xN。
6.根据权利要求1所述的适用于激光显示的消相干准三维光子晶体超辐射光源，其中所述P电极和N电极的材料为金属。
7.根据权利要求1所述的适用于激光显示的消相干准三维光子晶体超辐射光源，其中所述绝缘层的材料为二氧化硅或氧化铝。
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