一种单晶生长方法及单晶氮化镓基半导体激光器元件与流程

本技术涉及半导体光电器件领域，尤其涉及一种单晶生长方法及单晶氮化镓基半导体激光器元件。

背景技术：

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。

7、半导体激光器存在以下问题：抛物线能带结构中，载流子必须从接近带底处开始填充，由于靠近能带底部的态密度较小，处于该能态的载流子对受激辐射不能产生正贡献，但导带与价带的较高能态之间产生受激辐射复合前又必须填充这些能态，导致激光器的阈值电流上升。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题之一，本发明提供了一种单晶生长方法及单晶氮化镓基半导体激光器元件。

2、本发明实施例第一方面提供了一种具有渐变带隙层的单晶氮化镓基半导体激光器元件的单晶生长方法，所述方法包括：

3、采用mocvd金属有机化学气相外延生长方法，在单晶衬底上依次外延生长渐变带隙层、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的单晶外延层；

4、控制单晶外延层的生长温度、生长时间、压强、转速、温度、生长速率、n2/h2/nh3的流量比例、掺杂元素浓度或杂质元素掺入浓度的组合，制备具有渐变带隙层的单晶氮化镓基半导体激光器元件；

5、其中，所述渐变带隙层采用al原子渐变通入的方法生长单晶外延层，并且所述渐变带隙层的al原子渐变通入mocvd的渐变特性符合y=x-a(a＞1且a为奇数)的函数曲线分布，x为渐变带隙层往单晶衬底方向的深度。

6、优选地，所述渐变带隙层还采用温度渐变、压强渐变、转速渐变或n2/h2/nh3的流量比例渐变的任意一种或任意几种组合的方法生长单晶外延层；

7、所述渐变带隙层的温度渐变特性符合y=ex/x第三象限曲线分布；

8、或所述渐变带隙层的压强渐变特性符合函数y=xex曲线分布；

9、或所述渐变带隙层的转速渐变特性符合y=x/lnx第四象限曲线分布；

10、或所述渐变带隙层的n2/h2/nh3的流量比例渐变特性符合y=ex/x第三象限曲线分布。

11、本发明实施例第二方面提供了一种由本发明实施例第一方面所述的具有渐变带隙层的单晶氮化镓基半导体激光器元件制备的具有渐变带隙层的单晶氮化镓基半导体激光器元件，包括从下至上依次设置的单晶衬底、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，所述单晶衬底与下包覆层之间设置有渐变带隙层，所述渐变带隙层具有禁带宽度分布特性、击穿场强分布特性、分离能分布特性和峰值电子漂移速率分布特性。

12、优选地，所述渐变带隙层的禁带宽度具有函数y=ex/x第三象限曲线分布；

13、或所述渐变带隙层的击穿场强具有函数y=xex曲线分布；

14、或所述渐变带隙层的分离能具有函数y=x/lnx第四象限曲线分布；

15、或所述渐变带隙层的峰值电子漂移速率具有函数y=xex曲线分布；

16、其中，x为渐变带隙层往单晶衬底方向的深度。

17、优选地，所述渐变带隙层还具有导带有效态密度分布特性、价带有效态密度分布特性、轻空穴有效质量分布特性和重空穴有效质量分布特性。

18、优选地，所述渐变带隙层的导带有效态密度具有函数y=xex曲线分布，

19、所述渐变带隙层的价带有效态密度具有函数y=ex/x第三象限曲线分布；

20、或所述渐变带隙层的轻空穴有效质量具有函数y=ex/x第三象限曲线分布，

21、所述渐变带隙层的重空穴有效质量具有函数y=x/lnx第四象限曲线分布；

22、其中，x为渐变带隙层往单晶衬底方向的深度。

23、优选地，所述渐变带隙层还具有o/in元素比例分布特性、o/mg元素比例分布特性和o/si元素比例分布特性。

24、优选地，所述渐变带隙层的o/in元素比例具有函数y=x/lnx第四象限曲线分布；

25、所述渐变带隙层的o/mg元素比例具有函数y=ex/x第三象限曲线分布；

26、所述渐变带隙层的o/si元素比例具有函数y=ex/x第三象限曲线分布；

27、其中，x为渐变带隙层往单晶衬底方向的深度。

28、优选地，所述渐变带隙层还设置在下包覆层与下波导层之间、下波导层与有源层之间、有源层内部、有源层与上波导层之间、上波导层与电子阻挡层之间、电子阻挡层与上包覆层之间的任意一个或任意几个位置上。

29、优选地，所述渐变带隙层为algan、alinn、alingan、ingan/alingan超晶格、ingan/alinn超晶格、algan/algan超晶格、algan/gan超晶格、algan/alingan超晶格、algan/alinn超晶格的任意一种或任意组合。

30、优选地，所述有源层为阱层和垒层组成的周期结构，周期数为3≥m≥1，阱层为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，厚度为10埃米至150埃米，垒层为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，厚度为10埃米至200埃米。

31、优选地，所述下包覆层、下波导层、上波导层、电子阻挡层和上包覆层为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的任意一种或任意组合。

32、优选地，所述单晶衬底包括蓝宝石、硅、ge、sic、aln、gan、gaas、inp、inas、gasb、蓝宝石/sio2复合单晶衬底、mo、tiw、cuw、cu、蓝宝石/aln复合单晶衬底、金刚石、蓝宝石/sinx、蓝宝石/sio2/sinx复合单晶衬底、蓝宝石/sinx /sio2复合单晶衬底、镁铝尖晶石mgal2o4、mgo、zno、zrb2、lialo2和ligao2复合单晶衬底的任意一种。

33、本发明的有益效果如下：本发明在半导体激光器元件的单晶衬底与下包覆层之间设置渐变带隙层，并采用al原子渐变通入、温度渐变、压强渐变、转速渐变或n2/h2/nh3的流量比例渐变的任意一种或任意几种组合的方式，进而控制该渐变带隙层具有禁带宽度分布特性、击穿场强分布特性、分离能分布特性和峰值电子漂移速率分布特性，从而产生净受激发射的电子在导带的占据几率大于价带的占据几率，导带与价带的准费米能级差大于或等于禁带宽度，使注入载流子限制在有源层而得到高的非平衡电子浓度，使导带底部的电子数远远大于价带顶的空穴数，加快实现粒子数反转，随着激励源持续注入，使载流子的辐射大于损耗，加快高度简并的电子空穴复合产生激光辐射在光学谐振腔内振荡并放大，产生受激发射并持续放大发射，产生相干激光输出，从而降低激光器的非辐射复合损耗，降低温度淬灭比例、光学灾变比例；并降低单晶衬底与下限制层之间的缺陷、位错引起的散射以及界面处合金无序散射等引发的声子散射，降低单晶衬底与下限制层之间的热阻以及激光器元件的整体热阻，抑制温度引起的器件性能退化和失效，进一步降低温度淬灭比例。