CN118198860A - 具有琴弦式多量子阱有源层结构的氮化镓基垂直腔面发射激光器 - Google Patents
具有琴弦式多量子阱有源层结构的氮化镓基垂直腔面发射激光器 Download PDFInfo
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Abstract
本公开提供一种具有琴弦式多量子阱有源层结构的氮化镓基垂直腔面发射激光器，氮化镓基垂直腔面发射激光器的有源层为琴弦式多量子阱结构；其中，琴弦式多量子阱结构的有源层的势阱层宽度从P型侧向N型侧单调递减，被配置为抑制垂直腔面发射激光器注入电流在阈值附近时量子阱内的光吸收，提高自发辐射复合率，从而提升激光器工作电流下的受激辐射复合率。相对于等宽量子阱结构的垂直腔面发射激光器，琴弦式多量子阱有源层结构能够显著降低垂直腔面发射激光器的阈值电流，提高斜率效率。
Description
技术领域
本公开涉及半导体技术领域，尤其涉及一种具有琴弦式多量子阱有源层结构的氮化镓基垂直腔面发射激光器。
背景技术
垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity surface-Emitting Laser，VCSEL)，相比于发光二极管(Light-emitting Diode，LED)、边发射激光器(Edge-Emitting-Laser，EEL)，器件体积小，垂直腔面发射，可集成二维阵列；单纵模工作，激光散射角小，为圆形光斑，激射光谱窄，单色性好；阈值电流小，功耗低。基于这些优点，VCSEL被广泛应用于传感识别、光通信、显示照明、光存储等诸多领域。
VCSEL的器件结构为层状堆叠结构，主要组成部分有N型侧与P型侧(上下两端)分布式布拉格反射镜DBR(Distributed Bragg Reflector，DBR)以及由其所夹的谐振腔各层材料。上下DBR由折射率不同的光学厚度为器件发光波长λ/4的材料外延生长堆叠形成，通过形成高折射率的平行反射镜结构使得谐振腔内的光波反射形成驻波，驻波通过有源区的受激辐射获得正增益，随着电压的升高，注入电流增大，在整个谐振腔中获得足够正增益使得器件激射发光。谐振腔的主要构成由N型与P型导电层，单量子阱或多量子阱有源层，电子阻挡层(Electrons Block Layer，EBL)层，以及氧化物限制层。
EBL用于GaN基VCSEL抑制载流子向P型层泄漏，氧化物限制层为限制电流注入以及限制光的横波扩散。对于多量子阱有源层而言，载流子注入量子阱中发生辐射复合。VCSEL激光器的阈值电流附近的自发辐射复合率直接相关，降低VCSEL的阈值电流可减少能量损耗，提高器件性能。当注入电流在阈值附近时，量子阱中自发辐射复合占主导，自发辐射所产生光子与外加电压注入的载流子推动量子阱产生受激辐射，随着注入电流的增加受激辐射产生足够正增益时，器件产生激光。目前氮化镓基VCSEL普遍存在由于空穴迁移率小，小电流下有源区空穴分布不均，根据能带结构与费米能级计算可得，在平衡态以及阈值电流等弱电流下多量子阱有源层空穴浓度分布由P型侧向N型侧降低，而多量子阱电子浓度分布在各个阱中的差异不大。自发辐射率的计算如下公式所示：
对于相同材料体系的多量子阱而言，自发辐射率理论计算公式中的参数H，D均为与电子所处能级，电子空穴有效质量以及光波长有关的量，将阱做平衡态近似载流子浓度的变化反映不同阱中的能级变化，理论与实验表明不同阱中电子浓度近似为相同值，而空穴浓度变化明显。当器件处于阈值电流或小电流情况下，自发辐射与空穴浓度的成正比。
阈值电流附近，P型侧量子阱自发辐射复合产生光子，而N型侧价带空穴浓度低，产生光吸收，增大了器件的光损耗。整个器件在腔内发生一次来回反射的净增益为有源区的光增益减去有源区中的光吸收以及谐振腔材料以及晶面缺陷所带来的光损耗，再乘以与两侧DBR的反射率计算所得。量子阱光吸收使得器件获得净正增益阈值电流较高，电光转换效率低。
发明内容
有鉴于此，本公开提供一种具有琴弦式多量子阱有源层结构的氮化镓基垂直腔面发射激光器，用于解决上述技术问题。
本公开提供一种具有琴弦式多量子阱有源层结构的氮化镓基垂直腔面发射激光器，氮化镓基垂直腔面发射激光器的有源层为琴弦式多量子阱结构；其中，琴弦式多量子阱结构的有源层的势阱层厚度由P型侧向N型侧单调递减，被配置为抑制垂直腔面发射激光器注入电流在阈值附近时量子阱内的光吸收以及提高辐射复合率。
根据本公开的实施例，多量子阱中最靠近P型侧的量子阱的宽度使量子阱的能隙不大于垂直腔面发射激光器的谐振腔与DBR反射镜所设计的激射波长对应的能隙，最靠近N型侧的量子阱的宽度使量子阱的能隙大于垂直腔面发射激光器的谐振腔与DBR反射镜所设计的激射波长对应的能隙，相邻量子阱的宽度差的波动范围为0±1nm。
根据本公开的实施例，琴弦式多量子阱有源层的多量子阱的数量为3-5个，最靠近P型侧的量子阱的宽度为5nm-10nm，最靠近N型侧的量子阱的宽度为3nm-5nm。
根据本公开的实施例，琴弦式多量子阱有源层的量子阱势阱层的材料组分一致，量子阱势阱层的材料组分包括InxAlyGa1-x-yN；琴弦式多量子阱有源层的量子阱坍垒层的材料组分一致，量子阱坍垒层的材料组分包括GaN，InxGa1-xN，InxGa1-xN或AlxGa1-xN。
根据本公开的实施例，还包括：N型侧DBR、N型导电层、P型AlxGa1-xN电子阻挡层、P型导电层、氧化物限制层、P型电极接触层以及P型侧DBR；其中，N型侧DBR、N型导电层、琴弦式多量子阱有源层、P型AlxGa1-xN电子阻挡层、P型导电层、氧化物限制层、P型电极接触层以及P型侧DBR自下而上依次堆叠。
根据本公开的实施例，N型侧DBR和P型侧DBR为氮族DBR材料或者电介质DBR材料；N型侧DBR和P型侧DBR的光学厚度为垂直腔面发射激光器的谐振腔与DBR反射镜所设计的激射波长的四分之一；N型侧DBR与P型侧DBR的反射率均大于等于95％。
根据本公开的实施例，P型AlxGa1-xN电子阻挡层的禁带宽度大于琴弦式多量子阱有源层的势垒禁带宽度，在导带形成能垒抑制电子向P型层泄露。
根据本公开的实施例，氧化物限制层用于限制电流注入结构，限制电流注入结构存在导电通道；氧化物限制层的材料包括氧化物介电材料以及能够限制电流移动的反偏PN结层的P型掺杂或者N型掺杂材料；N型导电层和P型导电层的材料包括GaN。
根据本公开的实施例，垂直腔面发射激光器的工作方式为电注入方式，P型侧的电流导通通过P型电极接触层与电极接触，N型侧电流导通由N型导电层直接与电极接触。
根据本公开实施例提供的具有琴弦式多量子阱有源层结构的氮化镓基垂直腔面发射激光器，至少包括以下有益效果：
该氮化镓基垂直腔面发射激光器具有琴弦式多量子阱有源层结构，琴弦式多量子阱有源层的多量子阱宽度由P型侧向N型侧递减。对于量子阱结构而言，通过降低阱宽，在不改变量子阱组分的情况下，使得导带子能级相对于准费米能级升高；价带子能级相对于准费米能级降低，从而使得阱中的能隙增大。由爱因斯坦的光电效应可知，能隙越大，对应光吸收的光波长越短。靠近N型侧的价带空穴浓度低(电子占据的状态密度高)，N型侧价带电子将首先吸收与之能隙对应的光子，等宽阱P型侧与N型侧量子阱能带结构一致，将使得N型侧量子阱在器件P型侧发生辐射复合时吸收P型侧产生的光子，需要提高电流注入量才能产生足够光子发生受激辐射复合，该效应降低器件性能。通过“琴弦式多量子阱结构”设计，P型侧量子阱的阱宽增大，阱内的电子与空穴的总数增加，提高P型侧量子阱的光子产生率；N型侧量子阱的阱宽减小，增大N型侧能隙宽度，使得光吸收对应的波长变短，对P型侧量子阱辐射复合产生的小于N型侧对应能隙的光子的光吸收效果减弱，从而降低了N型侧量子阱光吸收所带来的不利影响。相较于等厚度量子阱结构氮化镓基VCSEL，阈值电流降低，斜率效率提高。
附图说明
以下参照附图来进一步说明本公开的各个特征之间的联系。附图均为示例性的，一些特征并不以实际比例示出，并且一些附图中可能省略了本公开所涉及领域的惯常的且对于本公开非必要的特征，或是额外示出了对于本公开非必要的特征，附图所示的各个特征的组合并不用以限制本公开。另外，在本说明书全文中，相同的附图标记所指代的内容也是相同的。具体的附图说明如下：
图1示意性示出了根据本公开实施例的琴弦式多量子阱结构的剖面图。
图2A示意性示出了根据本公开一实施例的具有琴弦式多量子阱有源层结构的氮化镓基垂直腔面发射激光器的剖面结构图。
图2B示意性示出了根据本公开另一实施例的具有琴弦式多量子阱有源层结构的氮化镓基垂直腔面发射激光器的剖面结构图。
图3示意性示出了根据本公开实施例的具有琴弦式多量子阱有源层结构的氮化镓基垂直腔面发射激光器的实际器件结构图。
图4示意性示出了根据本公开实施例的具有琴弦式多量子阱有源层结构的氮化镓基垂直腔面发射激光器与等宽阱垂直腔面发射激光器的PIV关系图。
【附图标记】
1-P型侧第一个量子阱，2-量子阱势垒层，3-N型侧最后一个量子阱，4-P型侧DBR，5-P型电极接触层，6-氧化物限制层，7-P型导电层，8-P型AIxGa1-xN电子阻挡层，9-琴弦式多量子阱结构的有源层，10-N型导电层，11-N型侧DBR。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，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，都属于本公开保护的范围。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
在本公开的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的子***或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
类似地，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
下面将结合具体的附图对本公开实施例提供的具有琴弦式多量子阱有源层结构的垂直腔面发射激光器的制备方法进行详细解释。
图1示意性示出了根据本公开实施例的琴弦式多量子阱结构的剖面图。图2A示意性示出了根据本公开一实施例的具有琴弦式多量子阱有源层结构的氮化镓基垂直腔面发射激光器的剖面结构图。图2B示意性示出了根据本公开另一实施例的具有琴弦式多量子阱有源层结构的氮化镓基垂直腔面发射激光器的剖面结构图。图3示意性示出了根据本公开实施例的具有琴弦式多量子阱有源层结构的氮化镓基垂直腔面发射激光器的实际器件结构图。
如图1所示，具有琴弦式多量子阱有源层结构的氮化镓基垂直腔面发射激光器的有源层为琴弦式多量子阱结构；其中，琴弦式多量子阱结构的有源层9的势阱层厚度由P型侧向N型侧单调递减，被配置为抑制垂直腔面发射激光器注入电流在阈值附近时量子阱内的光吸收以及提高辐射复合率。辐射复合率包括自发辐射复合率和激发辐射复合率，也即，琴弦式多量子阱结构的有源层9能够提高激光器的自发辐射复合率以及工作电流下的受激辐射复合率。
需要说明的是，“琴弦式多量子阱结构”的命名受到了结构上，量子阱宽度有规律递减，与常见乐器的琴弦直径由粗到细的排列相似，工作机制上，量子阱为电流注入量子阱辐射发光而琴弦的拨动琴弦发声的机制相类似的启发，不同宽度的量子阱所激射的波长有所差异与不同粗细琴弦所发的音频不同相仿。
在一个示例中，多量子阱中最靠近P型侧的量子阱的宽度使量子阱的能隙不大于垂直腔面发射激光器的谐振腔与DBR反射镜所设计的激射波长对应的能隙，最靠近N型侧的量子阱的宽度使量子阱的能隙大于垂直腔面发射激光器的谐振腔与DBR反射镜所设计的激射波长对应的能隙，相邻量子阱的宽度差的波动范围为0±1nm。
例如，P型侧第一个量子阱1(最靠近P型侧的量子阱)的宽度使得其所对应的能隙略低或等于谐振腔与DBR反射镜所设计的激射波长的对应能隙，N型侧最后一个量子阱3(最靠近N型侧的量子阱)的宽度使得其所对应的能隙略高于谐振腔与DBR反射镜所设计的激射波长的对应能隙。
在一个示例中，琴弦式多量子阱有源层的多量子阱的数量为3-5个，P型侧第一个量子阱1的宽度范围在5nm-10nm之间，N型侧最后一个量子阱3的宽度在3nm-5nm之间。
优选地，对于5个量子阱的琴弦式多量子阱结构的有源层9，一个典型的设计为P型侧第一个量子阱1的宽度为5nm，N型侧最后一个量子阱3的宽度为3nm，量子阱组分材料为In0.21Ga0.79N。
在一个示例中，琴弦式多量子阱结构的有源层9的量子阱势阱层的材料组分一致，量子阱势阱层的材料组分包括但不限于InxAlyGa1-x-yN。琴弦式多量子阱结构的有源层9的量子阱势垒层2的材料组分一致，量子阱势垒层2的材料组分包括但不限于GaN，InxGa1-xN，InxGa1-xN或AlxGa1-xN。
如图1-图3所示，具有琴弦式多量子阱有源层结构的氮化镓基垂直腔面发射激光器还包括：N型侧DBR11、N型导电层10、P型AlxGa1-xN电子阻挡层8、P型导电层7、氧化物限制层6、P型电极接触层5以及P型侧DBR4；其中，N型侧DBR11、N型导电层10、琴弦式多量子阱结构的有源层9、P型AlxGa1-xN电子阻挡层8、P型导电层7、氧化物限制层6、P型电极接触层5以及P型侧DBR4自下而上依次堆叠生长。
在一个示例中，N型侧DBR11和P型侧DBR4为氮族DBR材料或者电介质DBR材料。N型侧DBR11和P型侧DBR的光学厚度为垂直腔面发射激光器的谐振腔与DBR反射镜所设计的激射波长的四分之一。例如，N型侧DBR11采用16对光学厚度为出射光λ/4的TiO2/SiO2材料组成，P型侧DBR4采用16对光学厚度为出射光λ/4的GaN/AlGaN材料组成。N型侧DBR11和P型侧DBR4的反射率由生长材料的不同其所生长的周期数存在差异，N型侧DBR与P型侧DBR的反射率均大于等于95％，接近99％。在一个示例中，P型导电层7与N型导电10的材料组分包括但不限于GaN。
在一个示例中，P型AlxGa1-xN电子阻挡层8的禁带宽度大于琴弦式多量子阱结构的有源层9的势垒禁带宽度，在导带形成能垒抑制电子向P型层泄露。对于以GaN为量子阱势垒组分材料的琴弦式多量子阱结构而言，AlxGa1-xN的x的值为0.18，厚度为20nm。
在一个示例中，氧化物限制层6用于限制电流注入结构，氧化物限制层6的材料包括氧化物介电材料以及其他能够限制电流移动的反偏PN结层的P型掺杂或者N型掺杂材料，氧化物介电材料6例如可以包括SiO2。氧化物限制层6厚度的典型值可以为20nm。限制电流注入结构存在导电通道，导电通道的形状包括但不限于圆环，圆环的内圆典型直径可以为10μm。
在一个实施例中，氮化镓基垂直腔面发射激光器的工作方式为电注入方式，电极材料与器件形成欧姆接触的方式形成导通电路，P型侧的电流导通通过P型电极接触层5与电极接触，N型侧电流导通由N型导电层10直接与电极接触。也即，P型侧电极材料通过导电的P型侧DBR层4或者直接与P型电极接触层5接触形成欧姆接触，N型侧电极材料通过与导电的N型侧DBR层11或者直接与N型导电层10接触形成欧姆接触，由此形成导通电路。
为了进一步验证本公开实施例提供的具有琴弦式多量子阱有源层结构的氮化镓基垂直腔面发射激光器的优势，下面提供具体的模拟实验数据予以证明。
图4示意性示出了根据本公开实施例的具有琴弦式多量子阱有源层结构的氮化镓基垂直腔面发射激光器与等宽阱垂直腔面发射激光器的PIV关系图。
如图4所示，横坐标为电流，纵坐标为电压与功率。椭圆所圈曲线以及箭头指向对应的纵坐标轴，其中，实线椭圆所圈为电流与电压关系，虚线椭圆所圈为电流与输出功率关系。
图4对应的氮化镓基垂直腔面发射激光器中，P型侧DBR4的材料组分为GaN与AlN，P型电极接触层5的材料组分为氧化铟锡(Indium Tin Oxide，ITO)，氧化物限制层6的材料组分为SiO2，P型导电层7的材料组分为P型掺杂GaN，P型AlxGa1-xN电子阻挡层8的材料组分为P型掺杂Al0.18Ga0.82N，琴弦式多量子阱结构的有源层9中量子阱势阱层的材料组分为In0.21Ga0.79N，量子阱势垒层的材料组分为GaN，N型导电层10的材料组分为N型掺杂GaN，N型侧DBR11的材料组分为SiO2与TiO2。
从图4中可以明显看出，具有琴弦式多量子阱有源层结构的氮化镓基垂直腔面发射激光器的阈值电流相较于等宽阱氮化镓基垂直腔面发射激光器的阈值电流明显降低，斜率效率提高。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，上述仅为本公开的较佳实施例及所运用的技术原理。本领域技术人员会理解，本公开不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本公开的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本公开进行了较为详细的说明，但是本公开不仅仅限于以上实施例，在不脱离本公开的构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，均属于本公开的保护范畴。
Claims (9)
1.一种具有琴弦式多量子阱有源层结构的氮化镓基垂直腔面发射激光器，所述氮化镓基垂直腔面发射激光器的有源层为琴弦式多量子阱结构；
其中，所述琴弦式多量子阱结构的有源层的势阱层厚度由P型侧向N型侧单调递减，被配置为抑制所述垂直腔面发射激光器注入电流在阈值附近时量子阱内的光吸收以及提高辐射复合率。
2.根据权利要求1所述的氮化镓基垂直腔面发射激光器，其中，所述多量子阱中最靠近P型侧的量子阱的宽度使所述量子阱的能隙不大于所述垂直腔面发射激光器的谐振腔与DBR反射镜所设计的激射波长对应的能隙，最靠近N型侧的量子阱的宽度使所述量子阱的能隙大于所述垂直腔面发射激光器的谐振腔与DBR反射镜所设计的激射波长对应的能隙，相邻量子阱的宽度差的波动范围为0±1nm。
3.根据权利要求2所述的氮化镓基垂直腔面发射激光器，其中，所述琴弦式多量子阱有源层的多量子阱的数量为3-5个，最靠近P型侧的量子阱的宽度为5nm-10nm，最靠近N型侧的量子阱的宽度为3nm-5nm。
4.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中，所述琴弦式多量子阱有源层的量子阱势阱层的材料组分一致，所述量子阱势阱层的材料组分包括InxAlyGa1-x-yN；
所述琴弦式多量子阱有源层的量子阱势垒层的材料组分一致，所述量子阱势垒层的材料组分包括GaN，InxGa1-xN，InxGa1-xN或AlxGa1-xN。
5.根据权利要求1-4任一项所述的氮化镓基垂直腔面发射激光器，还包括：
N型侧DBR、N型导电层、P型AlxGa1-xN电子阻挡层、P型导电层、氧化物限制层、P型电极接触层以及P型侧DBR；
其中，所述N型侧DBR、所述N型导电层、所述琴弦式多量子阱有源层、所述P型AlxGa1-xN电子阻挡层、所述P型导电层、所述氧化物限制层、所述P型电极接触层以及P型侧DBR依次堆叠。
6.根据权利要求5所述的氮化镓基垂直腔面发射激光器，其中，所述N型侧DBR和所述P型侧DBR为氮族DBR材料或者电介质DBR材料；所述N型侧DBR和所述P型侧DBR的光学厚度为所述垂直腔面发射激光器的谐振腔与DBR反射镜所设计的激射波长的四分之一；所述N型侧DBR与P型侧DBR的反射率均大于等于95％。
7.根据权利要求5所述的氮化镓基垂直腔面发射激光器，其中，所述P型AlxGa1-xN电子阻挡层的禁带宽度大于所述琴弦式多量子阱有源层的势垒禁带宽度，在导带形成高能垒抑制电子向P型层泄露。
8.根据权利要求5所述的氮化镓基垂直腔面发射激光器，其中，所述氧化物限制层为用于限制电流注入区域的结构，所述限制电流注入区域的结构存在导电通道，使得电子空穴集中在谐振腔的有源区内产生辐射复合；
所述氧化物限制层的材料包括氧化物介电材料或形成能够限制电流移动的倒置PN结结构的P型掺杂或者N型掺杂材料；所述N型导电层和所述P型导电层的材料包括GaN。
9.根据权利要求5所述的氮化镓基垂直腔面发射激光器，其中，所述垂直腔面发射激光器的工作方式为电注入方式，P型侧的电流导通通过所述P型电极接触层与电极接触，N型侧电流导通由所述N型导电层直接与电极接触。
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