CN111048994A - 一种边发射激光器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的边发射激光器及其制备方法，首先，通过在所述衬底表面依次堆叠的N型限制层、波导层、量子阱、对称波导层及P型限制层；所述波导层包括若干个依次堆叠的子波导层；所述对称波导层包括依次堆叠的第一对称波导层、高能带限流波导层、能带渐变波导层、第二对称波导层。通过在所述第一对称波导层和第二对称波导层中***所述高能带限流波导层和能带渐变波导层，所述高能带限流波导层用于限制所述第一对称波导层的载流子溢流；所述能带渐变波导层的能带沿第一方向自下而上逐渐降低，用于减小所述高能带限流波导层与所述第二对称波导层的能带差。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种边发射激光器及其制备方法。
背景技术
半导体激光器以其体积小、重量轻、价格便宜等优点广泛用于光纤通信、光盘存取、光谱分析和光信息处理等重要领域。而且特别适用于激光夜视、激光引信、激光雷达等军事领域。边发射半导体激光器是半导体激光器领域的重要组成部分，它是直接利用半导体材料的自然解理面来做谐振腔面，工艺简单、晶面完美。边发射半导体激光器具有以下优点：
1、由于有源层侧向尺寸减小，光场对称性增加，因而能提高光源与光纤的耦合效率。
2、因为在侧向对电子和光场有限制，有利于降低激光器的阈值电流。
3、由于有源区面积小，容易获得缺陷尽可能少或无缺陷的有源层，同时除用作谐振腔的解理面外，整个有源区与外界隔离，有利于提高器件的稳定性和可靠性。
由于边发射半导体激光器是将注入电流加在一条形电极上，这样注入到有源层的非平衡少数载流子由中心向两侧所形成的浓度梯度使其不可避免的会发生侧向扩散，影响有源区载流子分布的均匀性，从而对边发射激光器的阈值特性、输出功率、微分增益都产生了不良影响。
有鉴于此，本发明人专门设计了一种边发射激光器及其制备方法，本案由此产生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种边发射激光器及其制备方法，以解决现有技术中边发射激光器功率转化效率较低，微分增益低，载流子溢流的现象。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种边发射激光器，包括：
提供一衬底；
在所述衬底表面依次堆叠的缓冲层、N型限制层、波导层、量子阱、对称波导层及P型限制层；所述波导层包括若干个依次堆叠的子波导层；所述对称波导层包括依次堆叠的第一对称波导层、高能带限流波导层、能带渐变波导层、第二对称波导层，所述高能带限流波导层用于限制所述第一对称波导层的载流子溢流；所述能带渐变波导层的能带沿第一方向自下而上逐渐降低，用于减小所述高能带限流波导层与所述第二对称波导层的能带差；所述第一方向垂直于所述衬底，且由所述衬底指向所述P型限制层；
在所述P型限制层表面堆叠的P型包层。
优选地，所述能带渐变波导层的能带呈函数渐变，使能带渐变波导层的头、尾两端点的能带分别与高能带限流波导层、第二对称波导层的能带无限接近。
优选地，所述波导层包括若干个依次堆叠的子波导层，所述波导层为铟镓砷磷材料体系，并沿所述第一方向自下而上，各所述子波导层的铟组分、砷组分依序渐增且磷组分依序递减。
优选地，所述波导层包括沿所述第一方向自下而上依次堆叠的第一波导层、第二波导层、第三波导层及第四波导层，所述第一波导层、第二波导层、第三波导层、第四波导层的铟组分、砷组分依序渐增且磷组分依序递减。
优选地，所述第一对称波导层与所述第四波导层对称设置，所述第二对称波导层与所述第一波导层对称设置。
优选地，所述第一波导层包括InaGa(1-a)AsbP(1-b)层，且0≤a＜1，0＜b＜1；所述第二波导层包括IncGa(1-c)AsdP(1-d)层，且0≤c＜1，0＜d＜1；所述第三波导层包括IneGa(1-e)AsfP(1-f)层，且0≤e＜1，0＜f＜1；所述第四波导层包括InxGa(1-x)AsyP(1-y)层，且0≤x＜1，0＜y＜1。
优选地，所述0≤a＜c＜e＜x＜1，且0＜b＜d＜f＜y＜1。
优选地，所述第一对称波导层的包括InxGa(1-x)AsyP(1-y)层，且0≤x＜1，0＜y＜1。
优选地，所述高能带限流波导层包括AlxInAs，0.1＜x＜1。
优选地，所述能带渐变波导层包括AlGaInAs层，所述AlGaInAs层的能带沿所述第一方向自下而上逐渐降低。
优选地，所述第二对称波导层包括InaGa(1-a)AsbP(1-b)层，且0≤a＜1，0＜b＜1。
本发明还提供了一种边发射激光器的制备方法，所述制备方法包括：
S01、提供一衬底；
S02、在所述衬底表面依次生长缓冲层及N型限制层；
S03、在所述N型限制层表面生长波导层，所述波导层包括若干个依次堆叠的子波导层；
S04、在所述波导层表面生长量子阱；
S05、在所述量子阱表面生长对称波导层，所述对称波导层包括依次堆叠的第一对称波导层、高能带限流波导层、能带渐变波导层、第二对称波导层，所述高能带限流波导层用于限制所述第一对称波导层的载流子溢流；所述能带渐变波导层的能带沿生长方向自下而上逐渐降低，用于减小所述高能带限流波导层与所述第二对称波导层的能带差；
S06、在所述对称波导层表面生长P型限制层；
S07、在所述P型限制层表面生长P型包层。
优选地，所述波导层包括若干个依次堆叠的子波导层，所述波导层为铟镓砷磷材料体系，并沿第一方向自下而上，各所述子波导层的铟组分、砷组分依序渐增且磷组分依序递减；所述第一方向垂直于所述衬底，且由所述衬底指向所述P型限制层。
优选地，所述波导层包括沿所述第一方向自下而上依次堆叠的第一波导层、第二波导层、第三波导层及第四波导层，所述第一波导层、第二波导层、第三波导层、第四波导层的铟组分、砷组分依序渐增且磷组分依序递减。
优选地，所述第一对称波导层与所述第四波导层对称设置，所述第二对称波导层与所述第一波导层对称设置。
优选地，所述第一波导层包括InaGa(1-a)AsbP(1-b)层，且0≤a＜1，0＜b＜1；所述第二波导层包括IncGa(1-c)AsdP(1-d)层，且0≤c＜1，0＜d＜1；所述第三波导层包括IneGa(1-e)AsfP(1-f)层，且0≤e＜1，0＜f＜1；所述第四波导层包括InxGa(1-x)AsyP(1-y)层，且0≤x＜1，0＜y＜1。
优选地，所述0≤a＜c＜e＜x＜1，且0＜b＜d＜f＜y＜1。
优选地，所述第一对称波导层的包括InxGa(1-x)AsyP(1-y)层，且0≤x＜1，0＜y＜1；所述高能带限流波导层包括AlxInAs，0.1＜x＜1；所述能带渐变波导层包括AlGaInAs层，所述AlGaInAs层的能带沿所述第一方向自下而上逐渐降低；所述第二对称波导层包括InaGa(1-a)AsbP(1-b)层，且0≤a＜1，0＜b＜1。
经由上述的技术方案可知，本发明提供的边发射激光器及其制备方法，首先，通过在所述衬底表面依次堆叠的N型限制层、波导层、量子阱、对称波导层及P型限制层；所述波导层包括若干个依次堆叠的子波导层；所述对称波导层包括依次堆叠的第一对称波导层、高能带限流波导层、能带渐变波导层、第二对称波导层。通过在所述第一对称波导层和第二对称波导层中***所述高能带限流波导层和能带渐变波导层，所述高能带限流波导层用于限制所述第一对称波导层的载流子溢流；所述能带渐变波导层的能带沿第一方向自下而上逐渐降低，用于减小所述高能带限流波导层与所述第二对称波导层的能带差。通过所述第一对称波导层、高能带限流波导层、所述能带渐变波导层与第二对称波导层四者协同配合，在提高所述边发射激光器的微分增益的同时，有效降低能带间的势垒差异，从而减小边发射激光器的内阻，并改善其阈值；所述高能带限流波导层能有效限制所述量子阱的载流子溢流；所述能带渐变波导层的能带沿第一方向自下而上逐渐降低，解决了因所述高能带限流波导层与所述第二对称波导层能级差值大所导致的内阻及热损耗大的问题。
其次，所述能带渐变波导层的能带呈函数渐变，使能带渐变波导层的头、尾两端点的能带分别与高能带限流波导层、第二对称波导层的能带无限接近，从而更大程度上降低了量子阱与对称波导层的势垒结，从而在一定程度上降低了边发射激光器的热损耗，进一步达到了其微分增益的效果。
再次，所述波导层包括若干个依次堆叠的子波导层，所述波导层为铟镓砷磷材料体系，并沿所述第一方向自下而上，各所述子波导层的铟组分、砷组分依序渐增且磷组分依序递减；通过调控砷组分及铟组分比例，使各所述子波导层的铟组分、砷组分依序渐增，降低量子阱区的应力；同时，通过调控磷组分，使各所述子波导层的磷组分依序递减，从而减少晶格失配，降低由于晶格失配所产生的极化电场对发光效率的负面影响。
最后，采用上述的制备方法，其工艺简单、成本较低，且通过上述的制备方法所获得的边发射激光器产品的稳定性高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请提供的边发射激光器的结构示意图；
图2为本申请提供的VCSEL芯片在生长过程中的Al元素组分区间变化示意图；
图中符号说明：1、衬底，2、缓冲层，3、N型限制层，401、第一波导层，402、第二波导层，403、第三波导层，404、第四波导层，5、量子阱，601、第一对称波导层，602、高能带限流波导层，603、能带渐变波导层，604、第二对称波导层，7、P型限制层，8、P型包层。
具体实施方式
为使本发明的内容更加清晰，下面结合附图对本发明的内容作进一步说明。本发明不局限于该具体实施例。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，都属于本发明保护的范围。
一种边发射激光器，包括：
提供一衬底1，衬底1为InP衬底；
在衬底1表面依次堆叠的缓冲层2、N型限制层3、波导层、量子阱5、对称波导层及P型限制层7；波导层包括若干个依次堆叠的子波导层；对称波导层包括依次堆叠的第一对称波导层601、高能带限流波导层602、能带渐变波导层603、第二对称波导层604，高能带限流波导层602用于限制第一对称波导层601的载流子溢流；能带渐变波导层603的能带沿第一方向自下而上逐渐降低，用于减小高能带限流波导层602与第二对称波导层604的能带差；第一方向垂直于衬底1，且由衬底1指向P型限制层7；
在P型限制层7表面堆叠的P型包层8。
所述能带渐变波导层603的能带呈函数渐变，使能带渐变波导层603的头、尾两端点的能带分别与高能带限流波导层602、第二对称波导层604的能带无限接近。
波导层包括若干个依次堆叠的子波导层，波导层为铟镓砷磷材料体系，并沿第一方向自下而上，各子波导层的铟组分、砷组分依序渐增且磷组分依序递减。
波导层包括沿第一方向自下而上依次堆叠的第一波导层401、第二波导层402、第三波导层403及第四波导层404，第一波导层401、第二波导层402、第三波导层403、第四波导层404的铟组分、砷组分依序渐增且磷组分依序递减。
第一对称波导层601与第四波导层404对称设置，第二对称波导层604与第一波导层401对称设置。
第一波导层401包括InaGa(1-a)AsbP(1-b)层，且0≤a＜1，0＜b＜1；第二波导层402包括IncGa(1-c)AsdP(1-d)层，且0≤c＜1，0＜d＜1；第三波导层403包括IneGa(1-e)AsfP(1-f)层，且0≤e＜1，0＜f＜1；第四波导层404包括InxGa(1-x)AsyP(1-y)层，且0≤x＜1，0＜y＜1。
0≤a＜c＜e＜x＜1，且0＜b＜d＜f＜y＜1。
第一对称波导层601的包括InxGa(1-x)AsyP(1-y)层，且0≤x＜1，0＜y＜1。
高能带限流波导层602包括AlxInAs，0.1＜x＜1。
能带渐变波导层603包括AlGaInAs层，AlGaInAs层的能带沿第一方向自下而上逐渐降低。
第二对称波导层604包括InaGa(1-a)AsbP(1-b)层，且0≤a＜1，0＜b＜1。
能带渐变波导层603的能带以二次函数Y＝aX2+bX+C逐渐降低，其中X为生长时间。
其中，a＝0.3，c＝0.4，e＝0.5，x＝0.8，b＝0.6，d＝0.7，f＝0.8，y＝0.9。
在上述技术方案的基础上，在本申请的其他实施例中，第一波导层401、第二波导层402、第三波导层403及第四波导层404，第一波导层401、第二波导层402、第三波导层403、第四波导层404的铟组分、砷组分以及磷组分只要满足前述的范围和要求，并参照上述实施例进行适应性改变即可，本申请在此不做穷举。
本实施例还提供了一种边发射激光器的制备方法，制备方法包括：
S01、提供一衬底1；
S02、在衬底1表面依次生长缓冲层2及N型限制层3，N型限制层的生长区间如图2的A1段所示；
S03、在N型限制层3表面生长波导层，波导层包括若干个依次堆叠的子波导层，各子波导层的生长区间如图2的A21至A24段所示；
S04、在波导层表面生长量子阱5，量子阱5的生长区间如图2的A3段所示；
S05、在量子阱5表面生长对称波导层，对称波导层包括依次堆叠的第一对称波导层601、高能带限流波导层602、能带渐变波导层603、第二对称波导层604，高能带限流波导层602用于限制第一对称波导层601的载流子溢流；能带渐变波导层603的能带沿生长方向自下而上逐渐降低，用于减小高能带限流波导层602与第二对称波导层604的能带差；其中，第一对称波导层601的生长区间如图2的A41段所示，高能带限流波导层602的生长区间如图2的A42段所示，能带渐变波导层603的生长区间如图2的A43段所示，第二对称波导层604的生长区间如图2的A44段所示；
S06、在对称波导层表面生长P型限制层7，P型限制层7的生长区间如图2的A5段所示；
S07、在P型限制层7表面生长P型包层8。
波导层包括若干个依次堆叠的子波导层，波导层为铟镓砷磷材料体系，并沿第一方向自下而上，各子波导层的铟组分、砷组分依序渐增且磷组分依序递减；第一方向垂直于衬底1，且由衬底1指向P型限制层7。
波导层包括沿第一方向自下而上依次堆叠的第一波导层401、第二波导层402、第三波导层403及第四波导层404，第一波导层401、第二波导层402、第三波导层403、第四波导层404的铟组分、砷组分依序渐增且磷组分依序递减。
第一对称波导层601与第四波导层404对称设置，第二对称波导层604与第一波导层401对称设置。
第一波导层401包括InaGa(1-a)AsbP(1-b)层，且0≤a＜1，0＜b＜1；第二波导层402包括IncGa(1-c)AsdP(1-d)层，且0≤c＜1，0＜d＜1；第三波导层403包括IneGa(1-e)AsfP(1-f)层，且0≤e＜1，0＜f＜1；第四波导层404包括InxGa(1-x)AsyP(1-y)层，且0≤x＜1，0＜y＜1。
0≤a＜c＜e＜x＜1，且0＜b＜d＜f＜y＜1。
第一对称波导层601的包括InxGa(1-x)AsyP(1-y)层，且0≤x＜1，0＜y＜1；高能带限流波导层602包括AlxInAs，0.1＜x＜1；能带渐变波导层603包括AlGaInAs层，AlGaInAs层的能带沿第一方向自下而上逐渐降低；第二对称波导层604包括InaGa(1-a)AsbP(1-b)层，且0≤a＜1，0＜b＜1。
能带渐变波导层603的能带以二次函数Y＝aX2+bX+C逐渐降低，其中X为生长时间。
其中，a＝0.3，c＝0.4，e＝0.5，x＝0.8，b＝0.6，d＝0.7，f＝0.8，y＝0.9。
经由上述的技术方案可知，本实施例提供的边发射激光器及其制备方法，首先，通过在衬底1表面依次堆叠的N型限制层3、波导层、量子阱5、对称波导层及P型限制层7；波导层包括若干个依次堆叠的子波导层；对称波导层包括依次堆叠的第一对称波导层601、高能带限流波导层602、能带渐变波导层603、第二对称波导层604。通过在第一对称波导层601和第二对称波导层604中***高能带限流波导层602和能带渐变波导层603，高能带限流波导层602用于限制第一对称波导层601的载流子溢流；能带渐变波导层603的能带沿第一方向自下而上逐渐降低，用于减小高能带限流波导层602与第二对称波导层604的能带差。通过第一对称波导层601、高能带限流波导层602、能带渐变波导层603与第二对称波导层604四者协同配合，在提高边发射激光器的微分增益的同时，有效降低能带间的势垒差异，从而减小边发射激光器的内阻，并改善其阈值；高能带限流波导层602能有效限制量子阱5的载流子溢流；能带渐变波导层603的能带沿第一方向自下而上逐渐降低，解决了因高能带限流波导层602与第二对称波导层604能级差值大所导致的内阻及热损耗大的问题。
其次，能带渐变波导层603的能带呈函数渐变，使能带渐变波导层603的头、尾两端点的能带分别与高能带限流波导层602、第二对称波导层604的能带无限接近，从而更大程度上降低了量子阱5与对称波导层的势垒结，从而在一定程度上降低了边发射激光器的热损耗，进一步达到了其微分增益的效果。
再次，波导层包括若干个依次堆叠的子波导层，波导层为铟镓砷磷材料体系，并沿第一方向自下而上，各子波导层的铟组分、砷组分依序渐增且磷组分依序递减；通过调控砷组分及铟组分比例，使各子波导层的铟组分、砷组分依序渐增，降低量子阱区的应力；同时，通过调控磷组分比例，使各子波导层的磷组分依序递减，从而减少晶格失配，降低由于晶格失配所产生的极化电场对发光效率的负面影响。
最后，采用上述的制备方法，其工艺简单、成本较低，且通过上述的制备方法所获得的边发射激光器产品的稳定性高。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (14)
1.一种边发射激光器，其特征在于，包括：
提供一衬底；
在所述衬底表面依次堆叠的N型限制层、波导层、量子阱、对称波导层及P型限制层；所述波导层包括若干个依次堆叠的子波导层；所述对称波导层包括依次堆叠的第一对称波导层、高能带限流波导层、能带渐变波导层、第二对称波导层，所述高能带限流波导层用于限制所述第一对称波导层的载流子溢流；所述能带渐变波导层的能带沿第一方向自下而上逐渐降低，用于减小所述高能带限流波导层与所述第二对称波导层的能带差；所述第一方向垂直于所述衬底，且由所述衬底指向所述P型限制层；
在所述P型限制层表面堆叠的P型包层。
2.根据权利要求1所述的边发射激光器，其特征在于，所述波导层包括若干个依次堆叠的子波导层，所述波导层为铟镓砷磷材料体系，并沿所述第一方向自下而上，各所述子波导层的铟组分、砷组分依序渐增且磷组分依序递减。
3.根据权利要求2所述的边发射激光器，其特征在于，所述波导层包括沿所述第一方向自下而上依次堆叠的第一波导层、第二波导层、第三波导层及第四波导层，所述第一波导层、第二波导层、第三波导层、第四波导层的铟组分、砷组分依序渐增且磷组分依序递减。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的边发射激光器，其特征在于，所述第一对称波导层与所述第四波导层对称设置，所述第二对称波导层与所述第一波导层对称设置。
5.根据权利要求4所述的边发射激光器，其特征在于，所述第一波导层包括InaGa(1-a)AsbP(1-b)层，且0≤a＜1，0＜b＜1；所述第二波导层包括IncGa (1-c)AsdP(1-d)层，且0≤c＜1，0＜d＜1；所述第三波导层包括IneGa(1-e)AsfP(1-f)层，且0≤e＜1，0＜f＜1；所述第四波导层包括InxGa(1-x)AsyP(1-y)层，且0≤x＜1，0＜y＜1。
6.根据权利要求5所述的边发射激光器，其特征在于，所述0≤a＜c＜e＜x＜1，且0＜b＜d＜f＜y＜1。
7.根据权利要求5或6所述的边发射激光器，其特征在于，所述第一对称波导层的包括InxGa(1-x)AsyP(1-y)层，且0≤x＜1，0＜y＜1。
8.根据权利要求7所述的边发射激光器，其特征在于，所述高能带限流波导层包括AlxInAs，0.1＜x＜1。
9.根据权利要求8所述的边发射激光器，其特征在于，所述能带渐变波导层包括AlGaInAs层，所述AlGaInAs层的能带沿所述第一方向自下而上逐渐降低。
10.根据权利要求9所述的边发射激光器，其特征在于，所述第二对称波导层包括InaGa(1-a)AsbP(1-b)层，且0≤a＜1，0＜b＜1。
11.一种边发射激光器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
S01、提供一衬底；
S02、在所述衬底表面生长N型限制层；
S03、在所述N型限制层表面生长波导层，所述波导层包括若干个依次堆叠的子波导层；
S04、在所述波导层表面生长量子阱；
S05、在所述量子阱表面生长对称波导层，所述对称波导层包括依次堆叠的第一对称波导层、高能带限流波导层、能带渐变波导层、第二对称波导层，所述高能带限流波导层用于限制所述第一对称波导层的载流子溢流；所述能带渐变波导层的能带沿生长方向自下而上逐渐降低，用于减小所述高能带限流波导层与所述第二对称波导层的能带差；
S06、在所述对称波导层表面生长P型限制层；
S07、在所述P型限制层表面生长P型包层。
12.根据权利要求11所述的边发射激光器的制备方法，其特征在于，所述波导层包括若干个依次堆叠的子波导层，所述波导层为铟镓砷磷材料体系，并沿第一方向自下而上，各所述子波导层的铟组分、砷组分依序渐增且磷组分依序递减；所述第一方向垂直于所述衬底，且由所述衬底指向所述P型限制层。
13.根据权利要求12所述的边发射激光器的制备方法，其特征在于，所述波导层包括沿所述第一方向自下而上依次堆叠的第一波导层、第二波导层、第三波导层及第四波导层，所述第一波导层、第二波导层、第三波导层、第四波导层的铟组分、砷组分依序渐增且磷组分依序递减。
14.根据权利要求11-13任意一项所述的边发射激光器的制备方法，其特征在于，所述第一对称波导层与所述第四波导层对称设置，所述第二对称波导层与所述第一波导层对称设置。
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| CN201911318170.3A CN111048994A (zh) | 2019-12-19 | 2019-12-19 | 一种边发射激光器及其制备方法 |
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| CN101165979A (zh) * | 2006-10-18 | 2008-04-23 | 三星电子株式会社 | 半导体光电器件 |
| WO2019187583A1 (ja) * | 2018-03-30 | 2019-10-03 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 半導体発光素子 |
| CN210866774U (zh) * | 2019-12-19 | 2020-06-26 | 厦门乾照半导体科技有限公司 | 一种边发射激光器 |
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