CN116937328A - 一种半导体激光元件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种半导体激光元件，包括由下至上依次相连的衬底、下限制层、下波导层、有源层、上波导层和上限制层，在所述下限制层上构建有电子储蓄结构，用于实现对所述有源层的载流子分布的调控。本发明提供了的一种半导体激光元件，通过在下限制层上构建电子储蓄结构，以实现对有源层的载流子分布的调控，可以有效降低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。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电器件技术领域，尤其是涉及一种半导体激光元件。
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、结构简单紧凑和小型化等优点。但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出至少2个数量级，因而其引起的电子泄漏更强，存在更严重的俄歇复合及更强的极化效应，电子空穴不匹配更严重，导致出现更严重的效率衰减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，电子空穴跃迁到量子阱或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。因此，基于上述技术优势，氮化物半导体发光二极管被广泛应用。
然而，氮化物半导体激光器在实际应用过程中，存在以下问题：激光器使用电流大，因此电流密度大产生热量大，在元件的散热不佳、温度特性差的基础上，这加剧了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。而且，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，且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，在芯片材料热导率低，散热性能差的基础上，这会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。
发明内容
本发明旨在提供一种半导体激光元件，以解决上述技术问题，通过在下限制层上构建电子储蓄结构，以实现对有源层的载流子分布的调控，可以有效降低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。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种半导体激光元件，包括由下至上依次相连的衬底、下限制层、下波导层、有源层、上波导层和上限制层，在所述下限制层上构建有电子储蓄结构，用于实现对所述有源层的载流子分布的调控。
上述方案中，通过在下限制层上构建电子储蓄结构，以实现对有源层的载流子分布的调控，可以有效降低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。
进一步地，所述下限制层包括第一层级、第二层级和第三层级；所述电子储蓄结构通过所述第一层级、第二层级和第三层级进行构建，其中，有：
所述第一层级、第二层级和第三层级之间的热膨胀系数呈倒几型分布；
所述第一层级、第二层级和第三层级之间的弹性系数呈倒几型分布；
所述第一层级、第二层级和第三层级之间的晶格常数呈正几型分布。
上述方案中，下限制层可以通过调控生长过程的压强、材料组成、生长温度、生长速率、转速、时间、VIII比等生长手段，对第一层级、第二层级和第三层级的结构进行生长，使之满足热膨胀系数呈倒几型分布、弹性系数呈倒几型分布和晶格常数呈正几型分布的要求，便可完成电子储蓄结构的构建。
进一步地，所述第一层级的热膨胀系数为a，第二层级的热膨胀系数为b，第三层级的热膨胀系数为c，其中：2.5≤b≤a≤c≤5.5，单位为10-6/K。
上述方案中，第一层级、第二层级和第三层级的热膨胀系数设置，使下限制层中第一层级、第二层级和第三层级之间的热膨胀系数呈倒几型分布，其可以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；高于或低于该范围值均无法达到本方案的技术效果。
进一步地，所述第一层级的弹性系数为d，第二层级的弹性系数为e，第三层级的弹性系数为f，其中：200≤e≤f≤d≤400，单位为GPa。
上述方案中，第一层级、第二层级和第三层级的弹性系数设置，使下限制层中第一层级、第二层级和第三层级之间的弹性系数呈倒几型分布，其可以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；高于或低于该范围值均无法达到本方案的技术效果。
进一步地，所述第一层级的晶格常数为g，第二层级的晶格常数为h，第三层级的弹性系数为i，其中：3≤i≤g≤h≤4，单位为埃米。
上述方案中，第一层级、第二层级和第三层级的晶格常数设置，使下限制层中第一层级、第二层级和第三层级之间的晶格常数呈正几型分布，其可以实现对势垒高度的调控，进而调控有源层的载流子分布，降低非辐射复合损耗和自由载流子吸收损耗产生的热量，降低阈值电流和提升斜率效率；高于或低于该参数范围均无法达到本方案的技术效果。
进一步地，所述下限制层采用AlInGaN、AlInN、AlGaN、InN、AlN、InGaN和GaN的任意一种或任意组合形成，其厚度x满足：10≤x≤90000，单位为埃米。
进一步地，在所述下限制层中，有：所述第一层级、第二层级和第三层级之间的In/Mg元素比例呈正几型分布；所述第一层级、第二层级和第三层级之间的Si/Mg元素比例呈正几型分布；所述第一层级、第二层级和第三层级之间的Al/Mg元素比例呈U型分布。
上述方案中，下限制层中In/Mg元素比例及晶格常数分布的设计，可以实现对势垒高度的调控，进而调控有源层的载流子分布，降低非辐射复合损耗和自由载流子吸收损耗产生的热量，降低阈值电流和提升斜率效率。同时，下限制层中Al/Mg元素比例、热膨胀系数分布及弹性系数分布的设计，可以有效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。
进一步地，所述有源层为由阱层和垒层组成周期结构，其周期m满足：1≤m≤3；其中：所述阱层采用GaN、InGaN、InN、AlInN、AlInGaN、AlGaN的任意一种或任意组合形成，其厚度p满足：10≤p≤100，单位为埃米；所述垒层采用GaN、InGaN、InN、AlInN、AlInGaN、AlN的任意一种或任意组合，其厚度为q满足：10≤q≤200，单位为埃米。
进一步地，所述下波导层采用GaN、InGaN、InN、AlInN、AlInGaN、AlN的任意一种或任意组合形成，其厚度y满足：10≤y≤8000，单位为埃米；所述上波导层采用GaN、InGaN、InN、AlInN、AlInGaN、AlN的任意一种或任意组合形成，其厚度为z满足：10≤z≤8000，单位为埃米。
进一步地，所述上限制层采用AlInGaN、AlInN、AlGaN、InGaN、AlN和GaN的任意一种或任意组合形成，其厚度n满足：10≤n≤80000，单位为埃米。
进一步地，所述衬底采用蓝宝石、硅、Ge、SiC、AlN、GaN、GaAs、InP、蓝宝石/SiO2复合衬底、蓝宝石/AlN复合衬底、蓝宝石/SiNx、镁铝尖晶石MgAl2O4、MgO、ZnO、ZrB2、LiAlO2和LiGaO2复合衬底的任意一种。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的一种半导体激光元件结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的一种半导体激光元件的SIMS二次离子质谱图；
图3为本发明一实施例提供的一种半导体激光元件下限制层的SIMS二次离子质谱图；
图4为本发明一实施例提供的一种半导体激光元件下限制层的TEM透射电镜图；
图5为本发明一实施例提供的一种半导体激光元件下限制层和下波导层的TEM透射电镜图；
图6是本发明一实施例提供的一种半导体激光元件的有源层的TEM透射电镜图；
图7是本发明一实施例提供的一种半导体激光元件的上波导层和下波导层的TEM透射电镜图；
图8是本发明一实施例提供的一种半导体激光元件的上限制层的TEM透射电镜图；
其中：100、衬底；101、下限制层；101a、第一层级；101b：第二层级；101c：第三层级；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，本实施例提供了一种半导体激光元件，包括由下至上依次相连的衬底、下限制层、下波导层、有源层、上波导层和上限制层，在所述下限制层上构建有电子储蓄结构，用于实现对所述有源层的载流子分布的调控。
在本实施例中，通过在下限制层上构建电子储蓄结构，以实现对有源层的载流子分布的调控，可以有效降低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。
进一步地，所述下限制层包括第一层级、第二层级和第三层级；所述电子储蓄结构通过所述第一层级、第二层级和第三层级进行构建，其中，有：
所述第一层级、第二层级和第三层级之间的热膨胀系数呈倒几型分布；
所述第一层级、第二层级和第三层级之间的弹性系数呈倒几型分布；
所述第一层级、第二层级和第三层级之间的晶格常数呈正几型分布。
在本实施例中，第一层级、第二层级和第三层级的结构设计可参见图2、图3所示。下限制层可以通过调控生长过程的压强、材料组成(MO源：TMAL、TMGa、TMIn、NH3、NH2、H2的流量)、生长温度、生长速率、转速、时间、VIII比等生长手段，对第一层级、第二层级和第三层级的结构进行生长，使之满足热膨胀系数呈倒几型分布、弹性系数呈倒几型分布和晶格常数呈正几型分布的要求，便可完成电子储蓄结构的构建。
进一步地，所述第一层级的热膨胀系数为a，第二层级的热膨胀系数为b，第三层级的热膨胀系数为c，其中：2.5≤b≤a≤c≤5.5，单位为10-6/K。
在本实施例中，第一层级、第二层级和第三层级的热膨胀系数设置，使下限制层中第一层级、第二层级和第三层级之间的热膨胀系数呈倒几型分布，其可以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；高于或低于该范围值均无法达到本方案的技术效果。
进一步地，所述第一层级的弹性系数为d，第二层级的弹性系数为e，第三层级的弹性系数为f，其中：200≤e≤f≤d≤400，单位为GPa。
在本实施例中，第一层级、第二层级和第三层级的弹性系数设置，使下限制层中第一层级、第二层级和第三层级之间的弹性系数呈倒几型分布，其可以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；高于或低于该范围值均无法达到本方案的技术效果。
进一步地，所述第一层级的晶格常数为g，第二层级的晶格常数为h，第三层级的弹性系数为i，其中：3≤i≤g≤h≤4，单位为埃米。
在本实施例中，第一层级、第二层级和第三层级的晶格常数设置，使下限制层中第一层级、第二层级和第三层级之间的晶格常数呈正几型分布，其可以实现对势垒高度的调控，进而调控有源层的载流子分布，降低非辐射复合损耗和自由载流子吸收损耗产生的热量，降低阈值电流和提升斜率效率；高于或低于该参数范围均无法达到本方案的技术效果。
进一步地，所述下限制层采用AlInGaN、AlInN、AlGaN、InN、AlN、InGaN和GaN的任意一种或任意组合形成，其厚度x满足：10≤x≤90000，单位为埃米，具体可参见图4。
进一步地，在所述下限制层中，有：所述第一层级、第二层级和第三层级之间的In/Mg元素比例呈正几型分布；所述第一层级、第二层级和第三层级之间的Si/Mg元素比例呈正几型分布；所述第一层级、第二层级和第三层级之间的Al/Mg元素比例呈U型分布。
在本实施例中，下限制层中In/Mg元素比例及晶格常数分布的设计，可以实现对势垒高度的调控，进而调控有源层的载流子分布，降低非辐射复合损耗和自由载流子吸收损耗产生的热量，降低阈值电流和提升斜率效率。同时，下限制层中Al/Mg元素比例、热膨胀系数分布及弹性系数分布的设计，可以有效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。
进一步地，请参见图5、图6所示，所述有源层为由阱层和垒层组成周期结构，其周期m满足：1≤m≤3；其中：所述阱层采用GaN、InGaN、InN、AlInN、AlInGaN、AlGaN的任意一种或任意组合形成，其厚度p满足：10≤p≤100，单位为埃米；所述垒层采用GaN、InGaN、InN、AlInN、AlInGaN、AlN的任意一种或任意组合，其厚度为q满足：10≤q≤200，单位为埃米。
进一步地，请参见图7，所述下波导层采用GaN、InGaN、InN、AlInN、AlInGaN、AlN的任意一种或任意组合形成，其厚度y满足：10≤y≤8000，单位为埃米；所述上波导层采用GaN、InGaN、InN、AlInN、AlInGaN、AlN的任意一种或任意组合形成，其厚度为z满足：10≤z≤8000，单位为埃米。
进一步地，请参见图8，所述上限制层采用AlInGaN、AlInN、AlGaN、InGaN、AlN和GaN的任意一种或任意组合形成，其厚度n满足：10≤n≤80000，单位为埃米。
进一步地，所述衬底采用蓝宝石、硅、Ge、SiC、AlN、GaN、GaAs、InP、蓝宝石/SiO2复合衬底、蓝宝石/AlN复合衬底、蓝宝石/SiNx、镁铝尖晶石MgAl2O4、MgO、ZnO、ZrB2、LiAlO2和LiGaO2复合衬底的任意一种。
为了进一步说明本发明的技术特征，凸显其技术效果，本实施例将本发明提出的一种半导体激光元件与传统激光器进行了性能比对，具体数据请参见表1所示。
表1性能比对数据表
从表中容易看出，本发明提出的激光元件可以降低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。
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。
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。
Claims (10)
1.一种半导体激光元件，包括由下至上依次相连的衬底、下限制层、下波导层、有源层、上波导层和上限制层，其特征在于，在所述下限制层上构建有电子储蓄结构，用于实现对所述有源层的载流子分布的调控。
2.根据权利要求1所述的一种半导体激光元件，其特征在于，所述下限制层包括第一层级、第二层级和第三层级；所述电子储蓄结构通过所述第一层级、第二层级和第三层级进行构建，其中，有：
所述第一层级、第二层级和第三层级之间的热膨胀系数呈倒几型分布；
所述第一层级、第二层级和第三层级之间的弹性系数呈倒几型分布；
所述第一层级、第二层级和第三层级之间的晶格常数呈正几型分布。
3.根据权利要求2所述的一种半导体激光元件，其特征在于，所述第一层级的热膨胀系数为a，第二层级的热膨胀系数为b，第三层级的热膨胀系数为c，其中：2.5≤b≤a≤c≤5.5，单位为10-6/K。
4.根据权利要求2所述的一种半导体激光元件，其特征在于，所述第一层级的弹性系数为d，第二层级的弹性系数为e，第三层级的弹性系数为f，其中：200≤e≤f≤d≤400，单位为GPa。
5.根据权利要求2所述的一种半导体激光元件，其特征在于，所述第一层级的晶格常数为g，第二层级的晶格常数为h，第三层级的弹性系数为i，其中：3≤i≤g≤h≤4，单位为埃米。
6.根据权利要求1～5任一项所述的一种半导体激光元件，其特征在于，所述下限制层采用AlInGaN、AlInN、AlGaN、InN、AlN、InGaN和GaN的任意一种或任意组合形成，其厚度x满足：10≤x≤90000，单位为埃米。
7.根据权利要求1～5任一项所述的一种半导体激光元件，其特征在于，在所述下限制层中，有：
所述第一层级、第二层级和第三层级之间的In/Mg元素比例呈正几型分布；
所述第一层级、第二层级和第三层级之间的Si/Mg元素比例呈正几型分布；
所述第一层级、第二层级和第三层级之间的Al/Mg元素比例呈U型分布。
8.根据权利要求7所述的一种半导体激光元件，其特征在于，所述有源层为由阱层和垒层组成周期结构，其周期m满足：1≤m≤3；其中：所述阱层采用GaN、InGaN、InN、AlInN、AlInGaN、AlGaN的任意一种或任意组合形成，其厚度p满足：10≤p≤100，单位为埃米；所述垒层采用GaN、InGaN、InN、AlInN、AlInGaN、AlN的任意一种或任意组合，其厚度为q满足：10≤q≤200，单位为埃米。
9.根据权利要求7所述的一种半导体激光元件，其特征在于，所述下波导层采用GaN、InGaN、InN、AlInN、AlInGaN、AlN的任意一种或任意组合形成，其厚度y满足：10≤y≤8000，单位为埃米；所述上波导层采用GaN、InGaN、InN、AlInN、AlInGaN、AlN的任意一种或任意组合形成，其厚度为z满足：10≤z≤8000，单位为埃米。
10.根据权利要求7所述的一种半导体激光元件，其特征在于，所述上限制层采用AlInGaN、AlInN、AlGaN、InGaN、AlN和GaN的任意一种或任意组合形成，其厚度n满足：10≤n≤80000，单位为埃米。
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