一种半导体激光器的制作方法

1.本发明涉及半导体光电器件技术领域，尤其是涉及一种半导体激光器。


背景技术：

2.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、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，全固态半导体紫外激光器具有体积小、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。
3.现有的半导体激光器远离平衡态相变对应的对称性破缺，导致在阈值处出现不连续或突变现象，如电导上跳、电容下沉、结电压上跳、串联电阻下沉、理想因子上跳等问题。


技术实现要素：

4.本发明提供一种半导体激光器，以解决现有的半导体激光器远离平衡态相变对应的对称性破缺，导致在阈值处出现不连续或突变现象的技术问题。
5.本发明的一个实施例提供了一种半导体激光器，包括：
6.从下往上依次设置的衬底、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；
7.所述有源层包括阱层和垒层；
8.所述阱层的晶格常数大于等于所述垒层的晶格常数；
9.所述阱层的热膨胀系数小于等于所述垒层的热膨胀系数；
10.所述阱层的弹性系数小于等于垒层的弹性系数。
11.进一步的，所述有源层的晶格常数、热膨胀系数和弹性系数均呈u型分布。
12.进一步的，所述有源层的周期数m满足1≤m≤3。
13.进一步的，所述有源层的阱层包括ingan、inn、gan、alingan、alinn和algan的至少一种，且所述有源层的阱层厚度为10～200埃米，发光波长为200～500nm；
14.所述有源层的垒层包括gan、alingan、alinn、algan和aln的至少一种，且所述有源层的垒层厚度为5～500埃米。
15.进一步的，所述有源层的in/c元素比例呈倒u型分布。
16.进一步的，所述下波导层为ingan、inn、gan、alingan、aln、algan和alinn的任意一种或任意组合，所述下波导层的厚度为10～5000埃米；所述上波导层为ingan、inn、gan、alingan、alinn、algan的任意一种或任意组合，所述上波导层的厚度为20～6000埃米；所述上限制层为gan、alingan、aln、alinn和algan的任意一种或任意组合，所述上限制层的厚度为20～50000埃米；所述下限制层为gan、alingan、aln、alinn和algan的任意一种或任意组合，所述下限制层的厚度为50～90000埃米。
17.进一步的，所述有源层为阱层和垒层组成的周期结构，所述周期结构的周期为s:1≤s≤10；所述有源层的阱层为gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、
alinp、algap、ingap、sic、ga2o3和bn的任意一种或任意组合，厚度为t:5≤t≤100埃米，发光波长为500～1600nm；所述有源层的垒层为gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap sic、ga2o3和bn的任意一种或任意组合，厚度为u:10≤u≤200埃米。
18.进一步的，所述下波导层为gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap、sic、ga2o3和bn的任意一种或任意组合，厚度为v:10≤v≤9000埃米；所述上波导层为gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap、sic、ga2o3和bn的任意一种或任意组合，厚度为w:10≤w≤9000埃米；所述下限制层为gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap、sic、ga2o3和bn的任意一种或任意组合，厚度为r:10≤r≤90000埃米；所述上限制层和电子阻挡层为gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap、sic、ga2o3和bn的任意一种或任意组合，厚度为g:10≤g≤80000埃米。
19.进一步的，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。
20.在本发明实施例中，通过设计所述阱层的晶格常数大于等于所述垒层的晶格常数，所述阱层的热膨胀系数小于等于所述垒层的热膨胀系数，所述阱层的弹性系数小于等于垒层的弹性系数，能够有效调控半导体激光器有源层的耗尽区的载流子俘获效应、深能级缺陷和绝缘界面，从而能够抑制激光器原理平衡态相变的对称性破缺，进而能够有效解决激光器在阈值处出现突变现象，消除电导上跳、电容下深和结电压上跳等问题。
附图说明
21.图1是本发明实施例提供的半导体激光器的结构示意图；
22.图2是本发明实施例提供的半导体激光器的一种sims二次离子质谱图；
23.图3是本发明实施例提供的半导体激光器的另一种sims二次离子质谱图；
24.图4是本发明实施例提供的半导体激光器的下限制层tem透镜电镜图；
25.图5是本发明实施例提供的半导体激光器的有源层tem透镜电镜图。
具体实施方式
26.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
27.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
28.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可
以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
29.请参阅图1，本发明的一个实施例提供了一种半导体激光器，包括：
30.从下往上依次设置的衬底100、下限制层101、下波导层102、有源层103、上波导层104、电子阻挡层105和上限制层106；
31.所述有源层103包括阱层和垒层；
32.所述阱层的晶格常数大于等于所述垒层的晶格常数；
33.所述阱层的热膨胀系数小于等于所述垒层的热膨胀系数；
34.所述阱层的弹性系数小于等于垒层的弹性系数。
35.在本发明实施例中，通过设计所述阱层的晶格常数大于等于所述垒层的晶格常数，所述阱层的热膨胀系数小于等于所述垒层的热膨胀系数，所述阱层的弹性系数小于等于垒层的弹性系数，能够有效调控半导体激光器有源层103的耗尽区的载流子俘获效应、深能级缺陷和绝缘界面，从而能够抑制激光器原理平衡态相变的对称性破缺，进而能够有效解决激光器在阈值处出现突变现象，消除电导上跳、电容下深和结电压上跳等问题。
36.在一个实施例中，所述有源层103的晶格常数、热膨胀系数和弹性系数均呈u型分布。
37.在本发明实施例中，通过将有源层103的晶格常数、热膨胀系数、弹性系数分布设计为呈u型分布，能够有效调控激光器的绝缘界面。
38.在一个实施例中，所述有源层103的周期数m满足1≤m≤3。
39.在本发明实施例中，有源层103可以通过阱层和垒层组成周期性结构的量子阱，由于半导体激光器的电流密度是led的几十倍甚至几百倍，过多的量子阱会导致热量积聚，导致器件烧坏，且半导体激光器要求有源层103的质量和界面要非常好，从而使激光激射的波长半高宽窄，形成单模出射，过多的量子阱对数会使in组分波动，半高宽变大，导致激光产生多模。因此本发明实施例中，有源层103103的阱层和所述有源层103的垒层组成的量子阱，其周期设置为不大于3，以避免量子阱热量积聚以及激光产生多模。
40.在一个实施例中，所述有源层103的阱层包括ingan、inn、gan、alingan、alinn和algan的至少一种，且所述有源层103的阱层厚度为10～200埃米，发光波长为200～500nm；
41.所述有源层103的垒层包括gan、alingan、alinn、algan和aln的至少一种，且所述有源层103的垒层厚度为5～500埃米。
42.在一个实施例中，所述有源层103的in/c元素比例呈倒u型分布。
43.本发明实施例有源层103的晶格常数、热膨胀系数和弹性系数均呈u型分布，结合有源层103的in/c元素比例分布呈倒u型分布，能够有效抑制深能级缺陷，抑制激光器远离平衡态相变的对称性破缺，从而能够有效解决激光器在阈值处出现突变现象，消除电导上跳、电容下深和结电压上跳等问题。
44.在一个实施例中，所述下波导层102为ingan、inn、gan、alingan、aln、algan和alinn的任意一种或任意组合，所述下波导层102的厚度为10～5000埃米；所述上波导层104为ingan、inn、gan、alingan、alinn、algan的任意一种或任意组合，所述上波导层104的厚度为20～6000埃米；所述上限制层106为gan、alingan、aln、alinn和algan的任意一种或任意
组合，所述上限制层106的厚度为20～50000埃米；所述下限制层101为gan、alingan、aln、alinn和algan的任意一种或任意组合，所述下限制层101的厚度为50～90000埃米。
45.在一个实施例中，所述有源层103为阱层和垒层组成的周期结构，所述周期结构的周期为s:1≤s≤10；所述有源层103的阱层为gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap、sic、ga2o3和bn的任意一种或任意组合，厚度为t:5≤t≤100埃米，发光波长为500～1600nm；所述有源层103的垒层为gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap sic、ga2o3和bn的任意一种或任意组合，厚度为u:10≤u≤200埃米。
46.在一个实施例中，所述下波导层102为gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap、sic、ga2o3和bn的任意一种或任意组合，厚度为v:10≤v≤9000埃米；所述上波导层104为gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap、sic、ga2o3和bn的任意一种或任意组合，厚度为w:10≤w≤9000埃米；所述下限制层101为gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap、sic、ga2o3和bn的任意一种或任意组合，厚度为r:10≤r≤90000埃米；所述上限制层106和电子阻挡层105为gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap、sic、ga2o3和bn的任意一种或任意组合，厚度为g:10≤g≤80000埃米。
47.在一个实施例中，衬底100包括蓝宝石、硅、ge、sic、aln、gan、gaas、inp、蓝宝石/sio2复合衬底100、蓝宝石/aln复合衬底100、蓝宝石/sinx、镁铝尖晶石mgal2o4、mgo、zno、zrb2、lialo2和ligao2复合衬底100的任意一种。
48.请参阅图2-3，分别为本发明实施例提供的一种sims二次离子质谱图和另一种sims二次离子质谱图。
49.请参阅图4-5，分别为本发明实施例提供的下限制层101tem透镜电镜图和有源层103tem透镜电镜图。
50.实施本发明实施例，具有以下有益效果：
51.在本发明实施例中，通过设计所述阱层的晶格常数大于等于所述垒层的晶格常数，所述阱层的热膨胀系数小于等于所述垒层的热膨胀系数，所述阱层的弹性系数小于等于垒层的弹性系数，能够有效调控半导体激光器有源层103的耗尽区的载流子俘获效应、深能级缺陷和绝缘界面，从而能够抑制激光器原理平衡态相变的对称性破缺，进而能够有效解决激光器在阈值处出现突变现象，消除电导上跳、电容下深和结电压上跳等问题。
52.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种半导体激光器，其特征在于，包括：从下往上依次设置的衬底、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；所述有源层包括阱层和垒层；所述阱层的晶格常数大于等于所述垒层的晶格常数；所述阱层的热膨胀系数小于等于所述垒层的热膨胀系数；所述阱层的弹性系数小于等于垒层的弹性系数。2.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述有源层的晶格常数、热膨胀系数和弹性系数均呈u型分布。3.如权利要求1或2所述的半导体激光器，其特征在于，所述有源层的周期数m满足1≤m≤3。4.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述有源层的阱层包括ingan、inn、gan、alingan、alinn和algan的至少一种，且所述有源层的阱层厚度为10～200埃米，发光波长为200～500nm；所述有源层的垒层包括gan、alingan、alinn、algan和aln的至少一种，且所述有源层的垒层厚度为5～500埃米。5.如权利要求4所述的半导体激光器，其特征在于，所述有源层的in/c元素比例呈倒u型分布。6.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述下波导层为ingan、inn、gan、alingan、aln、algan和alinn的任意一种或任意组合，所述下波导层的厚度为10～5000埃米；所述上波导层为ingan、inn、gan、alingan、alinn、algan的任意一种或任意组合，所述上波导层的厚度为20～6000埃米；所述上限制层为gan、alingan、aln、alinn和algan的任意一种或任意组合，所述上限制层的厚度为20～50000埃米；所述下限制层为gan、alingan、aln、alinn和algan的任意一种或任意组合，所述下限制层的厚度为50～90000埃米。7.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述有源层为阱层和垒层组成的周期结构，所述周期结构的周期为s:1≤s≤10；所述有源层的阱层为gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap、sic、ga2o3和bn的任意一种或任意组合，厚度为t:5≤t≤100埃米，发光波长为500～1600nm；所述有源层的垒层为gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap sic、ga2o3和bn的任意一种或任意组合，厚度为u:10≤u≤200埃米。8.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述下波导层为gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap、sic、ga2o3和bn的任意一种或任意组合，厚度为v:10≤v≤9000埃米；所述上波导层为gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap、sic、ga2o3和bn的任意一种或任意组合，厚度为w:10≤w≤9000埃米；所述下限制层为gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap、sic、ga2o3和bn的任意一种或任意组合，厚度为r:10≤r≤90000埃米；所述上限制层和电子阻挡层为gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap、sic、ga2o3和bn的任意一种或任意组合，厚度为g:10≤g≤80000埃米。
9.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，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。

技术总结
本发明公开了一种半导体激光器，包括：从下往上依次设置的衬底、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；有源层包括阱层和垒层；阱层的晶格常数大于等于垒层的晶格常数；阱层的热膨胀系数小于等于垒层的热膨胀系数；阱层的弹性系数小于等于垒层的弹性系数。本发明通过设计阱层的晶格常数大于等于垒层的晶格常数，阱层的热膨胀系数小于等于垒层的热膨胀系数，阱层的弹性系数小于等于垒层的弹性系数，能够有效调控半导体激光器有源层的耗尽区的载流子俘获效应、深能级缺陷和绝缘界面，能够抑制激光器原理平衡态相变的对称性破缺，从而能够有效解决激光器在阈值处出现突变现象，消除电导上跳、电容下深和结电压上跳等问题。跳等问题。跳等问题。


技术研发人员：阚宏柱 李水清 请求不公布姓名 王星河 陈婉君 蔡鑫 张江勇 胡志勇
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：2023.06.06
技术公布日：2023/9/20