一种具有应变释放上波导层的氮化镓基半导体激光器的制作方法

本申请涉及半导体光电器件领域，尤其涉及一种具有应变释放上波导层的氮化镓基半导体激光器。

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：氮化镓激光器的缺陷密度大、杂质浓度大、应力大等晶体质量问题，制约激光器性能和可靠性的提升；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，引起量子阱的能带倾斜，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，电子空穴波函数交叠几率减少，从而引起激光器增益不均匀、辐射复合效率下降，限制了激光器电激射增益的提高。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题之一，本发明提供了一种具有应变释放上波导层的氮化镓基半导体激光器。

2、本发明实施例提供了一种具有应变释放上波导层的氮化镓基半导体激光器，包括从下至上依次设置的衬底、下包覆层、下波导层、有源层、上波导层和上包覆层，所述上波导层具有共价键能分布特性和密度分布特性。

3、优选地，所述上波导层的共价键能具有弧形分布。

4、优选地，所述上波导层的共价键能具有函数y＝loga((m+x)/(m-x))(0＜a＜1，m＞0)第二象限曲线分布，x为上波导层往有源层方向的深度。

5、优选地，所述上波导层的密度具有弧形分布。

6、优选地，所述上波导层的密度具有函数y＝logb((n+x)/(n-x))(b＞1，n＞0)第三象限曲线分布。

7、优选地，所述上波导层还具有光子能量吸收系数分布特性，所述上波导层的光子能量吸收系数具有弧形分布。

8、优选地，所述上波导层的光子能量吸收系数具有函数y＝logc((p+x)/(p-x))(0＜c＜1，p＞0)第二象限曲线分布，且0＜a≤c＜1＜b。

9、优选地，所述上波导层还具有空穴迁移率分布特性，所述上波导层的空穴迁移率具有弧形分布。

10、优选地，所述上波导层的空穴迁移率具有函数y＝ex/x第三象限曲线分布。

11、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；

12、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；

13、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。

14、优选地，所述下包覆层、下波导层、上波导层、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的任意一种或任意组合。

15、优选地，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、蓝宝石/sinx、蓝宝石/sio2/sinx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。

16、本发明的有益效果如下：本发明的氮化镓基半导体激光器的上波导层具有共价键能分布特性和密度分布特性，从而形成应变释放上波导层，降低有源层的in团簇、inn偏析等问题，实现有源层in组分均匀、稳定低应力、界面陡峭的ingan量子阱结构，降低量子阱的缺陷和界面态密度，降低非辐射复合中心，提升激光器的寿命和可靠性，同时，调控激光器全结构应力分布，抑制自发极化和压电极化效应，抑制qcse效应，降低能带倾斜和外延生长过程中应力失配导致的高密度缺陷，降低量子阱的缺陷、热衰退和界面态密度，提升电子空穴波函数的空间交叠几率，从而提升辐射复合效率，降低光吸收损耗。

技术特征：

1.一种具有应变释放上波导层的氮化镓基半导体激光器，包括从下至上依次设置的衬底、下包覆层、下波导层、有源层、上波导层和上包覆层，其特征在于，所述上波导层具有共价键能分布特性和密度分布特性。

2.根据权利要求1所述的具有应变释放上波导层的氮化镓基半导体激光器，其特征在于，所述上波导层的共价键能具有弧形分布。

3.根据权利要求2所述的具有应变释放上波导层的氮化镓基半导体激光器，其特征在于，所述上波导层的共价键能具有函数y＝loga((m+x)/(m-x))(0＜a＜1，m＞0)第二象限曲线分布，x为上波导层往有源层方向的深度。

4.根据权利要求3所述的具有应变释放上波导层的氮化镓基半导体激光器，其特征在于，所述上波导层的密度具有弧形分布。

5.根据权利要求4所述的具有应变释放上波导层的氮化镓基半导体激光器，其特征在于，所述上波导层的密度具有函数y＝logb((n+x)/(n-x))(b＞1，n＞0)第三象限曲线分布。

6.根据权利要求5所述的具有应变释放上波导层的氮化镓基半导体激光器，其特征在于，所述上波导层还具有光子能量吸收系数分布特性，所述上波导层的光子能量吸收系数具有弧形分布。

7.根据权利要求6所述的具有应变释放上波导层的氮化镓基半导体激光器，其特征在于，所述上波导层的光子能量吸收系数具有函数y＝logc((p+x)/(p-x))(0＜c＜1，p＞0)第二象限曲线分布，且0＜a≤c＜1＜b。

8.根据权利要求7所述的具有应变释放上波导层的氮化镓基半导体激光器，其特征在于，所述上波导层还具有空穴迁移率分布特性，所述上波导层的空穴迁移率具有弧形分布。

9.根据权利要求8所述的具有应变释放上波导层的氮化镓基半导体激光器，其特征在于，所述上波导层的空穴迁移率具有函数y＝ex/x第三象限曲线分布。

10.根据权利要求1所述的具有应变释放上波导层的氮化镓基半导体激光器，其特征在于，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。

技术总结本发明提出了一种具有应变释放上波导层的氮化镓基半导体激光器，其中，氮化镓基半导体激光器的上波导层具有共价键能分布特性和密度分布特性，从而形成应变释放上波导层，降低有源层的In团簇、InN偏析等问题，实现有源层In组分均匀、稳定低应力、界面陡峭的InGaN量子阱结构，降低量子阱的缺陷和界面态密度，降低非辐射复合中心，提升激光器的寿命和可靠性，同时，调控激光器全结构应力分布，抑制自发极化和压电极化效应，抑制QCSE效应，降低能带倾斜和外延生长过程中应力失配导致的高密度缺陷，降低量子阱的缺陷、热衰退和界面态密度，提升电子空穴波函数的空间交叠几率，从而提升辐射复合效率，降低光吸收损耗。技术研发人员：郑锦坚,蓝家彬,张会康,刘紫涵,蔡鑫,张江勇,寻飞林,邓和清,胡志勇,曹军,李晓琴,李水清受保护的技术使用者：安徽格恩半导体有限公司技术研发日：技术公布日：2024/9/29