【技术实现步骤摘要】
本申请涉及半导体光电器件领域，尤其涉及一种gan基半导体激光芯片。
技术介绍
1、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、高密度光存储等领域。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，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、小型化等优点。
2、激光器与氮化物半导体发光二极管存在较大的区别：
3、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；
4、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；
5、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；
6、4)原理不同：发光二极管为在外界电压作用下，电子空穴跃迁到有源层或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。
7、氮化物半导体激光
8、1)有源层晶格失配与应变大诱导产生强压电极化效应，产生较强的qcse量子限制stark效应，激光器价带带阶差增加，抑制空穴注入，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，限制了激光器电激射增益的提高；
9、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，且量子阱极化电场提升空穴注入势垒、空穴溢出有源层等问题，空穴注入不均匀和效率偏低，导致量子阱中的电子空穴严重不对称不匹配，电子泄漏和载流子去局域化，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，同时，激光器增益谱变宽，峰值增益下降，导致激光器阈值电流增大且斜率效率降低；
10、3)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；
11、4)光波导吸收损耗高，固有碳杂质在p型半导体中会补偿受主、破坏p型等，p型掺杂的离化率低，大量未电离的mg受主杂质会导致内部光学损耗上升，且激光器的折射率色散，高浓度载流子浓度起伏影响有源层的折射率，限制因子随波长增加而减少，导致激光器的模式增益降低；
12、5)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，且量子阱极化电场提升空穴注入势垒、空穴溢出有源层等问题，空穴注入不均匀和效率偏低，导致量子阱中的电子空穴严重不对称不匹配，电子泄漏和载流子去局域化，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，同时，激光器增益谱变宽，峰值增益下降，导致激光器阈值电流增大且斜率效率降低。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题之一，本专利技术提供了一种gan基半导体激光芯片。
2、本专利技术实施例提供了一种gan基半导体激光芯片，包括从下至上依次设置的衬底、下包覆层、下波导层、有源层、上波导层、电子阻挡层和上包覆层，所述有源层为阱层和垒层组成的周期结构，所述有源层包括第一子有源层和第二子有源层，所述下波导层、第一子有源层阱层、第二子有源层阱层、第二子有源层垒层、上波导层、电子阻挡层和上包覆层之间构成导带有效态密度梯度、分离能梯度、极化光学声子能量梯度和峰值速率电场梯度。
3、优选地，所述第一子有源层阱层的导带有效态密度为a，所述第二子有源层阱层的导带有效态密度为b，所述第二子有源层垒层的导带有效态密度为c，下波导层的导带有效态密度为d，上波导层的峰值导带有效态密度为e1，上波导层的谷值导带有效态密度为e2，上包覆层的导带有效态密度为f，电子阻挡层的导带有效态密度为g，所述第一子有源层阱层、第二子有源层阱层、第二子有源层垒层、下波导层、上波导层、上包覆层、电子阻挡层的导带有效态密度形成导带有效态密度梯度：b≤a≤e2≤d≤e1≤f≤g≤c。
4、优选地，所述第一子有源层阱层的分离能为h，所述第二子有源层阱层的分离能为i，所述第二子有源层垒层的分离能为j，下波导层的分离能为k，上波导层的峰值分离能为l1，上波导层的谷值分离能为l2，上包覆层的分离能为m，电子阻挡层的分离能为n，所述第一子有源层阱层、第二子有源层阱层、第二子有源层垒层、下波导层、上波导层、上包覆层、电子阻挡层的分离能形成分离能梯度：i≤h≤l2≤k≤l1≤j≤m≤n。
5、优选地，所述第一子有源层阱层的极化光学声子能量为o，所述第二子有源层阱层的极化光学声子能量为p，所述第二子有源层垒层的极化光学声子能量为q，下波导层的极化光学声子能量为r，上波导层的峰值极化光学声子能量为s1，上波导层的谷值极化光学声子能量为s2，上包覆层的极化光学声子能量为t，电子阻挡层的极化光学声子能量为u，所述第一子有源层阱层、第二子有源层阱层、第二子有源层垒层、下波导层、上波导层、上包覆层、电子阻挡层的极化光学声子能量形成极化光学声子能量梯度：p≤o≤r2≤r≤r1≤q≤t≤u。
6、优选地，所述第一子有源层阱层的峰值速率电场为a，所述第二子有源层阱层的峰值速率电场为b，所述第二子有源层垒层的峰值速率电场为c，下波导层的峰值速率电场为d，上波导层的峰值速率电场峰值为e1，上波导层的峰值速率电场谷值为e2，上包覆层的峰值速率电场为f，电子阻挡层的峰值速率电场为g，所述第一子有源层阱层、第二子有源层阱层、第二子有源层垒层、下波导层、上波导层、上包覆层、电子阻挡层的峰值速率电场形成峰值速率电场梯度：b≤a≤e2≤d≤e1≤c≤f≤g。
7、优选地，所述上波导层与电子阻挡层的界面导带有效态密度分布具有函数y＝x-2第一象限曲线分布；
8、所述上波导层与电子阻挡层的界面分离能分布具有函数y＝x2-ex曲线分布。
9、优选地，所述上波导层与电子阻挡层的界面极化光学声子能量分布具有函数y＝x2-ex曲线分布；
10、所述上波导层与电子阻挡层的界面峰值速率电场分布具有函数y＝x-2第一象限曲线分布。
11、优选地，所述有源层周期数为1至5；
12、所述有源层为gan、ingan、inn、alinn、algan、alingan、aln、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、ingaasn、alinas、alinp、algap、ingap、gasb、insb、ina本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种GaN基半导体激光芯片，包括从下至上依次设置的衬底、下包覆层、下波导层、有源层、上波导层、电子阻挡层和上包覆层，其特征在于，所述有源层为阱层和垒层组成的周期结构，所述有源层包括第一子有源层和第二子有源层，所述下波导层、第一子有源层阱层、第二子有源层阱层、第二子有源层垒层、上波导层、电子阻挡层和上包覆层之间构成导带有效态密度梯度、分离能梯度、极化光学声子能量梯度和峰值速率电场梯度。
2.根据权利要求1所述的GaN基半导体激光芯片，其特征在于，所述第一子有源层阱层的导带有效态密度为a，所述第二子有源层阱层的导带有效态密度为b，所述第二子有源层垒层的导带有效态密度为c，下波导层的导带有效态密度为d，上波导层的峰值导带有效态密度为e1，上波导层的谷值导带有效态密度为e2，上包覆层的导带有效态密度为f，电子阻挡层的导带有效态密度为g，所述第一子有源层阱层、第二子有源层阱层、第二子有源层垒层、下波导层、上波导层、上包覆层、电子阻挡层的导带有效态密度形成导带有效态密度梯度：b≤a≤e2≤d≤e1≤f≤g≤c。
3.根据权利要求1所述的GaN基半导体激光芯片，其特
4.根据权利要求1所述的GaN基半导体激光芯片，其特征在于，所述第一子有源层阱层的极化光学声子能量为o，所述第二子有源层阱层的极化光学声子能量为p，所述第二子有源层垒层的极化光学声子能量为q，下波导层的极化光学声子能量为r，上波导层的峰值极化光学声子能量为s1，上波导层的谷值极化光学声子能量为s2，上包覆层的极化光学声子能量为t，电子阻挡层的极化光学声子能量为u，所述第一子有源层阱层、第二子有源层阱层、第二子有源层垒层、下波导层、上波导层、上包覆层、电子阻挡层的极化光学声子能量形成极化光学声子能量梯度：p≤o≤r2≤r≤r1≤q≤t≤u。
5.根据权利要求1所述的GaN基半导体激光芯片，其特征在于，所述第一子有源层阱层的峰值速率电场为A，所述第二子有源层阱层的峰值速率电场为B，所述第二子有源层垒层的峰值速率电场为C，下波导层的峰值速率电场为D，上波导层的峰值速率电场峰值为E1，上波导层的峰值速率电场谷值为E2，上包覆层的峰值速率电场为F，电子阻挡层的峰值速率电场为G，所述第一子有源层阱层、第二子有源层阱层、第二子有源层垒层、下波导层、上波导层、上包覆层、电子阻挡层的峰值速率电场形成峰值速率电场梯度：B≤A≤E2≤D≤E1≤C≤F≤G。
6.根据权利要求1所述的GaN基半导体激光芯片，其特征在于，所述上波导层与电子阻挡层的界面导带有效态密度分布具有函数y＝x-2第一象限曲线分布；
7.根据权利要求1所述的GaN基半导体激光芯片，其特征在于，所述上波导层与电子阻挡层的界面极化光学声子能量分布具有函数y＝x2-ex曲线分布；
8.根据权利要求1所述的GaN基半导体激光芯片，其特征在于，所述有源层周期数为1至5；
9.根据权利要求1所述的GaN基半导体激光芯片，其特征在于，所述下包覆层、上波导层、下波导层、电子阻挡层、上包覆层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlGaN、AlInGaN、AlN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、InGaAsN、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、GaSb、InSb、InAs、InAsSb、AlGaSb、AlSb、InGaSb、AlGaAsSb、InGaAsSb、SiC、Ga2O3、BN、金刚石的任意一种或任意组合。
10.根据权利要求1所述的GaN基半导体激光芯片，其特征在于，所述衬底包括蓝宝石、硅、Ge、SiC、AlN、GaN、GaAs、InP、InAs、GaSb、蓝宝石/SiO2复合衬底、Mo、TiW、CuW、Cu、蓝宝石/AlN复合衬底、金刚石、石墨烯、蓝宝石/SiNx、蓝宝石/SiO2/SiNx复合衬底、蓝宝石/SiNx/SiO2复合衬底、镁铝尖晶石MgAl2O4、MgO、ZnO、ZrB2、LiAlO2和LiGaO2复合衬底的任意一种。
...【技术特征摘要】
1.一种gan基半导体激光芯片，包括从下至上依次设置的衬底、下包覆层、下波导层、有源层、上波导层、电子阻挡层和上包覆层，其特征在于，所述有源层为阱层和垒层组成的周期结构，所述有源层包括第一子有源层和第二子有源层，所述下波导层、第一子有源层阱层、第二子有源层阱层、第二子有源层垒层、上波导层、电子阻挡层和上包覆层之间构成导带有效态密度梯度、分离能梯度、极化光学声子能量梯度和峰值速率电场梯度。
2.根据权利要求1所述的gan基半导体激光芯片，其特征在于，所述第一子有源层阱层的导带有效态密度为a，所述第二子有源层阱层的导带有效态密度为b，所述第二子有源层垒层的导带有效态密度为c，下波导层的导带有效态密度为d，上波导层的峰值导带有效态密度为e1，上波导层的谷值导带有效态密度为e2，上包覆层的导带有效态密度为f，电子阻挡层的导带有效态密度为g，所述第一子有源层阱层、第二子有源层阱层、第二子有源层垒层、下波导层、上波导层、上包覆层、电子阻挡层的导带有效态密度形成导带有效态密度梯度：b≤a≤e2≤d≤e1≤f≤g≤c。
3.根据权利要求1所述的gan基半导体激光芯片，其特征在于，所述第一子有源层阱层的分离能为h，所述第二子有源层阱层的分离能为i，所述第二子有源层垒层的分离能为j，下波导层的分离能为k，上波导层的峰值分离能为l1，上波导层的谷值分离能为l2，上包覆层的分离能为m，电子阻挡层的分离能为n，所述第一子有源层阱层、第二子有源层阱层、第二子有源层垒层、下波导层、上波导层、上包覆层、电子阻挡层的分离能形成分离能梯度：i≤h≤l2≤k≤l1≤j≤m≤n。
4.根据权利要求1所述的gan基半导体激光芯片，其特征在于，所述第一子有源层阱层的极化光学声子能量为o，所述第二子有源层阱层的极化光学声子能量为p，所述第二子有源层垒层的极化光学声子能量为q，下波导层的极化光学声子能量为r，上波导层的峰值极化光学声子能量为s1，上波导层的谷值极化光学声子能量为s2，上包覆层的极化光学声子能量为t，电子阻挡层的极化光学声子能量为u，所述第一子有源层阱层、第二子有源层阱层、第二子有源层垒层、下波导层、上波导层、上包覆层、电子阻挡层的极化光学声子能量形成极化光学声子能量梯度：p≤o≤r2≤r≤r1...
【专利技术属性】
技术研发人员：郑锦坚，蔡鑫，黄军，陈婉君，李水清，王星河，
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：
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