一种半导体激光元件制造技术

本发明专利技术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、电子阻挡层和上限制层，所述有源层由阱层和垒层组成，基于阱层与垒层厚度设置的关系在有源层上形成斜率效率提升结构。本发明专利技术提供的一种半导体激光元件，通过在有源层上形成斜率效率提升结构，可以降低有源层的应力失配，降低量子限制Stark效应，进而提升激光元件的载流子注入效率和均匀性，使激光元件的增益谱变窄，提升热稳定性，提升斜率效率。提升斜率效率。提升斜率效率。

【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
，尤其是涉及一种半导体激光元件。

技术介绍

[0002]激光元件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、高密度光存储等领域。激光元件的种类很多，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元件；与其他类型激光元件相比，全固态半导体激光元件具有体积小、效率高、重量轻、稳定性好、寿命长、结构简单紧凑、小型化等优点。激光元件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，单颗激光元件输出功率可在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)激光元件的使用电流密度达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，而激光元件为受激跃迁辐射，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
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n结产生辐射复合发光，而激光元件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。氮化物半导体激光元件存在以下问题：1)内部晶格失配大、应变大引起极化效应强，QCSE量子限制Stark效应强限制激光元件电激射增益的提高；2)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，空穴注入效率低；且激光元件价带带阶差增加，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；电子泄漏，载流子去局域化，量子阱发光效率低；3)量子阱In组分增加会产生In组分涨落和应变，InN容易产生偏析，激光元件增益谱变宽，峰值增益下降，量子阱In组分增加，热稳定性变差；激光元件激射后，多量子阱有源区载流子浓度饱和，双极性电导效应减弱，激光元件的串联电阻增加，导致激光元件电压上升；6)传统的发光二极管或激光元件的有源层的阱层厚度一般小于垒层厚度，从而获得较好的垒层质量，但同时也会带来坏处，特别是激光元件的垒层厚度大于13nm时，电注入空穴只分布在p侧的量子阱中，靠近n侧的量子阱几乎没有空穴注入，并且量子限制Stark效应强烈，使激光元件量子阱的电子空穴波函数在空间上分离，降低量子效率。

技术实现思路

[0003]本专利技术旨在提供一种半导体激光元件，以解决上述技术问题，通过在有源层上形成斜率效率提升结构，以降低有源层的应力失配，降低量子限制Stark效应，进而提升激光元件的载流子注入效率和均匀性，使激光元件的增益谱变窄，提升热稳定性，进而提升斜率
效率。
[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术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、电子阻挡层和上限制层，所述有源层由阱层和垒层组成，基于阱层与垒层厚度设置的关系，在有源层上形成斜率效率提升结构。
[0005]上述方案中，通过在有源层上形成斜率效率提升结构，可以降低有源层的应力失配，降低量子限制Stark效应，进而提升激光元件的载流子注入效率和均匀性，使激光元件的增益谱变窄，提升热稳定性，进而提升斜率效率。
[0006]进一步地，所述基于阱层与垒层厚度设置的关系，具体为：所述阱层厚度大于或等于垒层厚度，且小于或等于2倍垒层厚度，阱层厚度可以设置为30～80埃米，垒层厚度可以设置为20～50埃米。其中，阱层In组分大于或等于上波导层和下波导层的In组分。
[0007]进一步地，在所述阱层和垒层中，H/C浓度比例为5～50；H/O浓度比例为2～20；O/C浓度比例为1～5；Si/H浓度比例为10～2000。
[0008]上述方案中，有源层上形成的斜率效率提升结构，通过设计量子阱特定的H/C浓度比例、H/O浓度比例、O/C浓度比例和Si/H浓度比例等杂质浓度比例的调控，可以降低有源层的InN偏析，使激光元件的增益谱变窄，提升热稳定性；同时，提升载流子局域化，减少电子泄漏，增强双极性电导，提升增益均匀性和有源层的量子效率，进而提升斜率效率。
[0009]进一步地，所述斜率效率提升结构的H/O浓度比例和H/C浓度比例与所述上波导层、下波导层相同，无H/O浓度梯度、无H/C浓度梯度；斜率效率提升结构与上波导层、下波导层间形成Si/H浓度梯度。
[0010]上述方案中，有源层、上波导层及下波导层相同的H/O浓度比例、H/C浓度比例，使斜率效率提升结构的杂质浓度保持一致且控制在相对低水平，进一步降低有源层的InN偏析，提升有源层的阱垒质量和界面质量，降低增益谱和增益均匀性。而在斜率效率提升结构与上波导层、下波导层间形成Si/H浓度梯度，可以增强有源层的载流子局域化，降低电子泄漏，提升载流子注入效率和注入均匀性，提升增益均匀性和量子效率，进而提升斜率效率。同时，进一步降低激光元件的串联电阻，降低激光元件的电压。
[0011]进一步地，所述斜率效率提升结构与上波导层、下波导层间形成Si/H浓度梯度，满足：斜率效率提升结构的Si/H浓度比例≥下波导层的Si/H浓度比例≥上波导层的Si/H浓度比例。
[0012]上述方案所提出的斜率效率提升结构通过阱垒厚度差、特定的H/C浓度比例、H/O浓度比例、O/C浓度比例及其与上波导层、下波导层的Si/H浓度梯度、H/O浓度梯度和H/C浓度梯度关系设计，可以提升激光元件的载流子注入效率和均匀性，使阈值电流从2KA/cm2以上下降到1KA/cm2以下，斜率效率从0.5W/A以下提升至1.5W/A以上。
[0013]进一步地，所述下限制层、下波导层、有源层、上波导层、电子阻挡层和上限制层均采用GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN、SiC、Ga2O3、BN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP的任意一种或任意组合形成。
[0014]进一步地，所述衬底包括蓝宝石、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
[0015]图1为本专利技术一实施例提供的一种半导体激光元件结构示意图；
[0016]图2为本专利技术一实施例提供的斜率效率提升结构的TEM投射电镜图；
[0017]图3为专利技术实施例的提供的一种半导体激光元件的SIMS二次离子质谱图；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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、电子阻挡层和上限制层，所述有源层由阱层和垒层组成，其特征在于，基于阱层与垒层厚度设置的关系，在有源层上形成斜率效率提升结构。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，所述基于阱层与垒层厚度设置的关系，具体为：所述阱层厚度大于或等于垒层厚度，且小于或等于2倍垒层厚度。3.根据权利要求1所述的一种半导体激光元件，其特征在于，在所述阱层和垒层中，H/C浓度比例为5～50。4.根据权利要求1所述的一种半导体激光元件，其特征在于，在所述阱层和垒层中，H/O浓度比例为2～20。5.根据权利要求1所述的一种半导体激光元件，其特征在于，在所述阱层和垒层中，O/C浓度比例为1～5。6.根据权利要求1所述的一种半导体激光元件，其特征在于，在所述阱层和垒层中，Si/H浓度比例为10～2000。7.根据权利要求1～6任一项所述的一种半导体激光元件，其特征在于，所述斜率效率提升结构的H/O浓度比例和H/C浓度与所述上波导层、下波导层相同；斜率效率提升结构与上波导...

【专利技术属性】
技术研发人员：阚宏柱，李水清，请求不公布姓名，王星河，蔡鑫，张江勇，胡志勇，陈婉君，刘紫涵，黄军，张会康，
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：