一种GaN基的单晶半导体激光芯片及其制备方法与流程

本发明属于半导体光电器件，具体涉及一种gan基的单晶半导体激光芯片及其制备方法。

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，激光器的种类很多，其分类方式也多样，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，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。

3、现有的氮化物半导体激光器存在以下问题：1)热效应：激光器介质中的热效应主要来源于量子缺陷相关的发热，即泵浦光与振荡光之间的光子能量差形成的斯托克斯频移损耗转换为热量，以及量子效率损耗相关的发热，即泵浦能级到激光上能级的耦合率不为1的能量损失转换为热量；以上两者共同产生大量废热，使激光器温度分布不均匀，引起热膨胀和热应力分布不均匀；当热失配足够大时，会产生温度淬灭、激光器断裂问题；传统激光器泵浦光吸收系数衰减也会导致纵向温度分布不均匀，产生热透镜效应和应力双折射效应，引起激光光束去极化和失真，降低光束质量并导致光束的能量损失，从而影响激光器的输出功率和效率；2)激光器使用电流大，电流密度大产生热量大，且器件的散热不佳，温度特性差，会加剧半导体外延层间的热失配，导致阈值电流上升、输出光功率和斜率效率下降等问题。

技术实现思路

1、本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种结构简单，设计合理的半导体激光芯片。

2、本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

3、一种gan基的单晶半导体激光芯片，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、上限制层，所述下限制层包括第一下限制层和第二下限制层，所述衬底、第一下限制层、第二下限制层、下波导层每两组相邻的材料层之间均增设有单晶谐振等离子热电层。

4、作为本发明的进一步优化方案，所述单晶谐振等离子热电层包括第一单晶谐振等离子热电层、第二单晶谐振等离子热电层和第三单晶谐振等离子热电层，所述第一单晶谐振等离子热电层设于衬底与第一下限制层之间，所述第二单晶谐振等离子热电层设于第一下限制层和第二下限制层之间，所述第三单晶谐振等离子热电层设于第二下限制层与下波导层之间。

5、作为本发明的进一步优化方案，所述第一单晶谐振等离子热电层、第二单晶谐振等离子热电层、第三单晶谐振等离子热电层的导带有效态密度分布分别具有函数y＝ex/x2第二象限曲线分布、函数y＝ax2+bx+c曲线分布，其中a＜0，以及函数y＝(ex+e-x)/(ex-e-x)第一象限曲线分布。

6、作为本发明的进一步优化方案，所述第一单晶谐振等离子热电层、第二单晶谐振等离子热电层、第三单晶谐振等离子热电层的热导率分布分别具有函数y＝(ex+e-x)/(ex-e-x)第三象限曲线分布、函数y＝ax2+bx+c曲线分布，其中a＞0，以及函数y＝l nx/ex曲线分布。

7、作为本发明的进一步优化方案，所述第一单晶谐振等离子热电层、第二单晶谐振等离子热电层、第三单晶谐振等离子热电层的热膨胀系数分布分别具有函数y＝ex/l nx第三象限曲线分布、函数y＝x2-s i nx曲线分布以及函数y＝l nx/x曲线分布。

8、作为本发明的进一步优化方案，所述第一单晶谐振等离子热电层、第二单晶谐振等离子热电层、第三单晶谐振等离子热电层的弹性系数分布分别具有函数y＝xex第三象限曲线分布、函数y＝x2+ex曲线分布以及函数y＝x2/ex曲线分布。

9、作为本发明的进一步优化方案，所述单晶谐振等离子热电层为gan、i ngan、i nn、a l i nn、a l gan、a l i ngan、a l n、gaas、gap、i np、a l gaas、a l i ngaas、a l ga inp、i ngaas、i ngaasn、a l i nas、a l i np、a l gap、i ngap、gasb、i nsb、i nas、inassb、a l gasb、a l sb、i ngasb、a l gaassb、i ngaassb、si c、ga2o3、bn的任意一种或任意组合。

10、作为本发明的进一步优化方案，所述第一单晶谐振等离子热电层、第二单晶谐振等离子热电层、第三单晶谐振等离子热电层的a l/mg元素比例分布分别具有函数y＝xex第三象限曲线分布、函数y＝x2+ex曲线分布以及函数y＝x2/ex曲线分布；

11、所述第一单晶谐振等离子热电层、第二单晶谐振等离子热电层、第三单晶谐振等离子热电层的si/mg元素比例分布分别具有函数y＝ex2+fx+g曲线分布，其中e＜0、函数y＝hx2+i x+j曲线分布，其中h＜0，以及函数y＝arccotx曲线分布。

12、一种gan基的单晶半导体激光芯片的制备方法，该方法包括以下步骤：

13、s1、选择衬底材料作为基础底片，并清洗底片，除去其表面的污染物；

14、s2、对底片的表面进行预处理，再将其放置在mocvd的反应室中的衬底架上，并将反应室抽真空；

15、s3、导入金属有机化学气体前体和载体气体，然后对底片进行预热；

16、s4、调控设定的温度、压强、反应元素选择及比例、转速、生长速率、v/i i i比例、掺杂元素的组合，在衬底上方生长第一单晶谐振等离子热电层；

17、s5、调控设定的温度、压强、反应元素选择及比例、转速、生长速率、v/i i i比例、掺杂元素的组合，依次生长第一下限制层、第二单晶谐振等离子热电层、第二下限制层及第三单晶谐振等离子热电层；

18、s6、调控设定的温度、压强、反应元素选择及比例、转速、生长速率、v/i i i比例、掺杂元素的组合，依次生长下波导层、有源导、上波导层、电子阻挡层、上限制层；

19、s7、在生长完成后，逐渐降低反应室的温度，使生长的单晶材料冷却并固化在衬底上，将衬底从反应室中取出并进行后续处理后，形成单晶半导体激光芯片。

20、作为本发明的进一步优化方案，所述步骤s4至步骤s6中，生长温度为500～1200℃，生长压强为100～600torr，反应元素为tmga、tega、tmal、tmi n、nh3、n2、h2，转速为500～1500转，生长速率为0.2～10um/h，v/ⅲ比为100～80000，掺杂元素为si h4、乙硅烷以及cp2mg中的任意一种。

21、本发明的有益效果在于：本发明通过增设单晶谐振等离子热电层产生极大的纳米尺度光限域和选择吸收谐振光谱，诱发形成局域温度梯度，从而提升激光器的散热功能，解决应力双折射问题和激光光束失真问题，提升光束质量因子，同时，通过热引发质子转移调控受体和供电子能量势垒，产生电子多重散射，以及通过调控电荷分离态与声子散射和声子传输，降低斯托克斯频移的热损耗，从而降低激光器的阈值并提升光功率与斜率效率。