一种应变量子阱垂直腔面发射激光器及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种应变量子阱垂直腔面发射激光器，包括：顶部反射器和底部反射器，所述顶部反射器和底部反射器之间包括顶部空间层(p

【技术实现步骤摘要】
一种应变量子阱垂直腔面发射激光器及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及半导体激光器
，具体为一种应变量子阱垂直腔面发射激光器及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]垂直腔面发射激光器具有体积小、发散角小、光束质量高、成本低、易于二维集成等独特优势，近年来在半导体激光器领域引起了广泛的研究兴趣，并且也在应用端市场上迅速扩展，其中包括：3D面部识别、激光医美、气体探测、智能家居、激光雷达等应用。
[0003]垂直腔面发射激光器单纵模工作及低发散角等特性使其在气体传感领域有着巨大的潜在应用价值，其中氧气探测在生物、化学、工业等领域的使用尤为重要。氧气吸收谱线P9P9在763.842nm处，目前760nm波段的垂直腔面发射激光器仍存在着发射功率低等问题。现有技术手段常通过增大器件发射孔径来提升出射光功率，但较大的器件孔径将引起多横模传输，增大远场发散角，而气体探测需要单模激射的光源，故选择大孔径器件来提升输出光功率对气体探测的应用十分不利；另一方面，采用阵列结构设计实现大功率输出的方式较为复杂，需考虑相邻单颗器件间沟道距离、阵列填充因子和外延片均一性等问题，这将对器件结构和外延生长提出更高的要求。
[0004]因此，大功率密度、高转化效率和低阈值仍是目前应用于氧气传感器的短波段760nm垂直腔面发射激光器亟需突破的研究重点。

技术实现思路

[0005]本专利技术为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种应变量子阱垂直腔面发射激光器及其制备方法和应用，得到的垂直腔面发射激光器发射功率提升，光电转化效率增加，发光性能提高。
[0006]为实现所述技术目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]本专利技术首先提供一种应变量子阱垂直腔面发射激光器，包括：
[0008]顶部反射器和底部反射器，所述顶部反射器和底部反射器之间包括顶部空间层(p
‑
spacer)和底部空间层(n
‑
spacer)，所述顶部空间层和底部空间层之间设置有第一有源区和第二有源区，所述第一有源区和第二有源区之间设置有隧穿结。
[0009]优选的，所述应变量子阱垂直腔面发射激光器被配置用于发射760nm波长的激光。
[0010]优选的，所述顶部反射器包括分布式布拉格反射器(DBR)堆叠，所述底部反射器包括分布式布拉格反射器(DBR)堆叠。
[0011]更为优选的，所述顶部反射器分布式布拉格反射器(DBR)堆叠和所述底部反射器分布式布拉格反射器(DBR)堆叠均包括高折射率层和低折射率层的交替层。
[0012]更为优选的，所述交替层的排列顺序为：从中间向顶部反射器和底部反射器方向的起始层为高折射率层，其余层与低折射率层依次交替。
[0013]更为优选的，所述交替周期数为20
‑
40个周期。
[0014]优选的，所述高折射率层为Al
x
Ga1‑
x
As，x范围为0.25～0.35。
[0015]优选的，所述低折射率层为Al
x
Ga1‑
x
As，x范围为0.85～0.95。
[0016]优选的，所述顶部空间层为：AlGaAs。
[0017]优选的，所述底部空间层为：AlGaAs。
[0018]优选的，所述第一有源区和第二有源区均包括多量子阱层堆叠，所述多量子阱层堆叠包括设置在一系列势垒层之间的一系列量子阱。
[0019]更为优选的，所述多量子阱层堆叠具体为：所述第一有源区和第二有源区的两侧边界处均是势垒层，内部量子阱层与其依次交替。
[0020]更为优选的，所述量子阱层数为3。
[0021]更为优选的，所述量子阱层的材料为In
x
Ga
(1
‑
x
‑
y)
Al
y
As。
[0022]更为优选的，所述x的取值范围为0.01～0.2，y的取值范围为0.11～0.23。
[0023]更为优选的，所述量子阱层的厚度为6～15nm。
[0024]更为优选的，所述势垒层的材料为AlGaAs。
[0025]更为优选的，所述势垒层的厚度为8～15nm。
[0026]优选的，所述第一有源区和第二有源区通过所述隧道结串联。
[0027]优选的，所述隧穿结是重掺杂的PN结，包括P层和N层，所述P层和N层的厚度均为10～30nm，包括P层和N层，所述P层和N层的厚度均为10～30nm，所述隧穿结为同质结或异质结，所述P层和N层的材料选自GaAs、GaN、GaSb、InP、AlGaN、AlGaAs、InGaN、InGaAs、AlInGaAs、AlInGaN、AlGaAsSb等宽禁带和窄禁带材料中的一种或多种。
[0028]更为优选的，所述P层掺杂浓度范围为1～5
×
10
20
cm
‑3，所述N层掺杂浓度范围为1～5
×
10
19
cm
‑3。
[0029]更为优选的，所述隧穿结包括AlGaAs同质结和二类AlGaAs/AlGaAsSb异质隧穿结。
[0030]本专利技术还提供所述应变量子阱垂直腔面发射激光器的制备方法，包括以下步骤：
[0031]用MOCVD/MBE方法得到底部反射器，再依次生长底部空间层、第一有源区、隧穿结、第二有源区、顶部空间层，最后生长顶部反射器。
[0032]优选的，第一有源区和第二有源区二均包含3个量子阱层，从下至上生长的顺序为势垒层、阱层、势垒层、阱层、势垒层、阱层、势垒层；隧穿结从下至上依次生长P型重掺层、N型重掺层。
[0033]本专利技术还提供一种所述应变量子阱垂直腔面发射激光器或所述制备方法得到的垂直腔面发射激光器在氧气传感器上的应用。
[0034]本专利技术的有益效果是：
[0035]1、本专利技术的垂直腔面发射激光器结构采用双有源区结构，引入应变以提高增益，降低激光器阈值和价带间吸收，同时结合了隧穿结结构设计，使注入的载流子在双有源区在中进行两次光增益，因而输出光功率成倍增加，光电转换效率也随之提高，降低器件电阻，增加了载流子隧穿概率，有效减少器件的光吸收和热效应，实现了760nm的高性能双结垂直腔面发射激光器，以解决现有技术中出射功率低、效率低等问题。
[0036]2、本专利技术在量子阱层中引入少量In组分在有源区引入应变，降低器件阈值电流，可以有效地减小空穴的有效质量，提升载流子的迁移率，使导带和价带的态密度相等，从而降低了半导体就激光器开始受激辐射的阈值电流，应变量子阱的引入降低了阈值载流子密
度，提升了增益和转换效率以增大出射光功率，器件的发光性能得到有效地提升。专利技术人在研究过程中创造性的发现，在限定在760nm波长的情况下，相对于传统三元化合物的器件，本专利技术的性能都有明显提升，经计算，不同x值和y值之间的性能相差不大，给定本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应变量子阱垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：顶部反射器和底部反射器，所述顶部反射器和底部反射器之间包括顶部空间层和底部空间层，所述顶部空间层和底部空间层之间设置有第一有源区和第二有源区，所述第一有源区和第二有源区之间设置有隧穿结。2.根据权利要求1所述的一种应变量子阱垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述垂直腔面发射激光器被配置用于发射760nm波长的激光。3.根据权利要求1所述的一种应变量子阱垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述第一有源区和第二有源区均包括多量子阱层堆叠，所述多量子阱层堆叠包括设置在一系列势垒层之间的一系列量子阱层。4.根据权利要求3所述的一种应变量子阱垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述多量子阱层堆叠具体为：所述第一有源区和第二有源区的两侧边界处均是势垒层，内部量子阱层与其依次交替。5.根据权利要求4所述的一种应变量子阱垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述量子阱层的材料为In
x
Ga
(1
‑
x
‑
y)
Al
y
As。6.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：巫江，李妍，任翱博，赵飞云，唐枝婷，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：