一种半导体激光元件制造技术

本发明专利技术涉及半导体光电器件的技术领域，特别涉及一种半导体激光元件，从下至上依次包括衬底、n层包覆层、下波导层、有源层、上波导层、电子阻挡层、p型包覆层和p型半导体，其中有源层为In

A semiconductor laser element

【技术实现步骤摘要】
一种半导体激光元件


[0001]本专利技术涉及半导体光电器件的
，特别是涉及一种具有改善激子极化激元激射的n型包覆层的半导体激光元件。

技术介绍

[0002]激光器广泛应用于显示、通讯、医疗、武器、制导、测距、切割、焊接等领域。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，半导体激光器具有体积小、重量轻、寿命长、结构简单等优点。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。氮化物半导体激光器存在以下问题：1)内部晶格失配大、应变大引起极化效应强，QCSE量子限制Stark效应强限制激光器电激射增益的提高；2)内部缺陷密度高、晶体质量不理想；3)p型半导体的Mg受主激活能大、离化效率低，空穴浓度远低于电子浓度、空穴迁移率远小于电子迁移率，导致量子阱中的电子空穴严重不对称不匹配；4)电子泄漏；5)空穴注入效率低；6)载流子去局域化；7)俄歇复合强；8)光波导吸收损耗高；9)量子阱发光效率低；10)p型电阻及欧姆接触差等；传统氮化物半导体激光器制作存在以下难点：1)量子阱In组分增加会产生In组分涨落和应变，激光器增益谱变宽，峰值增益下降；2)量子阱In组分增加，热稳定性变差；3)In容易产生偏析；4)激光器价带带阶差增加，空穴在量子阱中输运更困难，载流子注入不均匀，增益不均匀；5)激光器的折射率色散，限制因子随波长增加而减少，导致激光器的模式增益降低；6)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；7)高位错密度会降低激光器的寿命；8)固有碳杂质在p型半导体中会补偿受主、破坏p型等。

技术实现思路

[0003]为解决上述技术问题，本专利技术n型包覆层的Al梯度层之间与有源层间的Al组分梯度，Al
f
In
g
Ga1‑
f
‑
g
N与有源层、上波导层、下波层形成的In组分梯度构成Al组分和In组分双重梯度组合，形成激子极化激元激射结构和增益波导结构。
[0004]为实现上述目的，本专利技术是采用下述技术方案实现的：
[0005]一种半导体激光元件，从下至上依次包括衬底、n型包覆层、下波导层，有源层、上波导层、电子阻挡层、p型包覆层、p型半导体，所述n型包覆层具有激子极化激元激射结构和增益波导结构，其中有源层为In
b
Ga1‑
b
N/In
c
Al
d
Ga1‑
c
‑
d
N组成的周期结构，其中阱层为In
b
Ga1‑
b
N，垒层为In
c
Al
d
Ga1‑
c
‑
d
N；n型包覆层至少具有3层Al梯度层Al
e
Ga1‑
e
N/Al
f
In
g
Ga1‑
f
‑
g
N/Al
h
Ga1‑
h
N，所述n型包覆层之间具有Al组分梯度且与有源层的垒层In
c
Al
d
Ga1‑
c
‑
d
N间亦形成Al组分梯度：Al组分e＞h＞f≥d。
[0006]上述技术方案中，所述n型包覆层至少具有3层Al梯度层Al
e
Ga1‑
e
N/Al
f
In
g
Ga1‑
f
‑
g
N/Al
h
Ga1‑
h
N，由SIMS二次离子质谱测试的Al离子强度梯度20≥e/h≥4，200≥e/f≥50,50≥g/f≥10。
[0007]上述技术方案中，所述n型包覆层至少具有3层Al梯度层Al
e
Ga1‑
e
N/Al
f
In
g
Ga1‑
f
‑
g
N/Al
h
Ga1‑
h
N，由SIMS二次离子质谱测试的Al离子强度梯度分别为1E20～5E20(a.u.)，5E17～5E18(a.u.)，1E19～5E19(a.u.)。
[0008]上述技术方案中，所述n型包覆层至少具有3层Al梯度层Al
e
Ga1‑
e
N/Al
f
In
g
Ga1‑
f
‑
g
N/Al
h
Ga1‑
h
N，其中Al
f
In
g
Ga1‑
f
‑
g
N层In组分为g，所述上波导层为In
y
Ga1‑
y
N，下波导层为In
z
Ga1‑
z
N，所述n型包覆层中的Al
f
In
g
Ga1‑
f
‑
g
N与有源层的阱层In
b
Ga1‑
b
N、上波导层、下波层形成In组分梯度：b≥g≥z≥y。
[0009]上述技术方案中，所述n型包覆层至少具有3层Al梯度层Al
e
Ga1‑
e
N/Al
f
In
g
Ga1‑
f
‑
g
N/Al
h
Ga1‑
h
N，其中Al
f
In
g
Ga1‑
f
‑
g
N层由SIMS二次离子质谱测试的In离子强度为2E20～5E20(a.u.)。
[0010]上述技术方案中，所述n型包覆层的Al梯度层之间具有Al组分梯度且与有源层的垒层I本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种半导体激光元件，其特征在于，从下至上依次包括衬底、n型包覆层、下波导层，有源层、上波导层、电子阻挡层、p型包覆层和p型半导体，所述n型包覆层具有激子极化激元激射结构和增益波导结构，其中有源层为In
b
Ga1‑
b
N/In
c
Al
d
Ga1‑
c
‑
d
N组成的周期结构，其中阱层为In
b
Ga1‑
b
N，垒层为In
c
Al
d
Ga1‑
c
‑
d
N；n型包覆层至少具有3层Al梯度层Al
e
Ga1‑
e
N/Al
f
In
g
Ga1‑
f
‑
g
N/Al
h
Ga1‑
h
N，所述n型包覆层之间具有Al组分梯度且与有源层的垒层In
c
Al
d
Ga1‑
c
‑
d
N间亦形成Al组分梯度：Al组分e＞h＞f≥d。2.如权利要求1所述的一种半导体激光元件，其特征在于，所述n型包覆层至少具有3层Al梯度层Al
e
Ga1‑
e
N/Al
f
In
g
Ga1‑
f
‑
g
N/Al
h
Ga1‑
h
N，Al离子强度梯度20≥e/h≥4，200≥e/f≥50,50≥g/f≥10。3.如权利要求2所述的一种半导体激光元件，其特征在于，所述n型包覆层至少具有3层Al梯度层Al
e
Ga1‑
e
N/Al
f
In
g
Ga1‑
f
‑
g
N/Al
h
Ga1‑
h
N，Al离子强度梯度分别为1E20～5E20(a.u.)，5E17～5E18(a.u.)，1E19～5E19(a.u.)。4.如权利要求3所述的一种半导体激光元件，其特征在于，所述n型包覆层至少具有3层Al梯度层Al
e
Ga1‑
e
N/Al
f
In
g
Ga1‑
f
‑
g
N/Al
h
Ga1‑
h
N，其中Al
f
In
g
Ga1‑
f
‑
g
N层In组分为g，所述上波导层为In
y
Ga1‑
y
N，下波导层为In
z
Ga1‑
z
N，所述n型包覆层中的Al
f
In
g
Ga1‑
f
‑
g
N与有源层的阱层In
b
Ga1‑
b
N、上波导层、下波层形成In组分梯度：b≥g≥z≥y。5.如权利要求3所述的一种半导体激光元件，其特征在于，所述n型包覆层至少具有3层Al梯度层Al
e
Ga1‑
e
N/A...

【专利技术属性】
技术研发人员：阚钦，
申请(专利权)人：安徽格恩半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：