本发明属于半导体激光器,具体涉及一种非线性波导结构及其生长方法。
背景技术:
1、半导体激光器是一种非常重要的光电子器件,以其功率大、体积小、效率高、波长范围宽的优势,在激光切割、激光焊接、激光显示、激光照明、激光通信、激光检测等领域有重要的应用。其中gan基半导体激光器,其发光波长可以覆盖从紫外光到绿光的可见光波段,且发光效率非常高,是所有发光器件中光电转化效率最高的器件,因此在多个领域有不可替代性的应用。虽然gan基激光器已经实现商业化,例如日本的夏普和德国欧司朗等公司已经有gan激光器产品,但是针对其结构和性能的研究还远未停止,业内一直在为追求更高的发光效率、更大的发光功率和更大的波长范围而努力,每年都会有新的技术被发明创造,这也说明人类对该领域的认知还在不断进步中。本发明的主要特点是对激光器的波导结构进行了优化设计和实现,获得了更优的效果,进一步提升了gan基激光器的性能。
2、要产生激光,通常需要满足三大基本条件:1、工作介质能达到粒子数布居反转;2、泵浦源能提供粒子跃迁至高能级的能量;3、有光学谐振腔能产生光增益。常见的半导体边发射激光器结构设计如图1所示。有源区(多量子阱异质结)即工作介质,在外部供电或者光源泵浦的情况下,p区的空穴和n区的电子在有源区复合产生光子,泵浦能量超过阈值即可满足粒子数布居反转的条件,是核心的发光区域。为了满足光学谐振腔的条件,通常会在出光方向设计出两个平行的光滑面来充当谐振腔,如图1的(a)所示。为了获得增益,还需在垂直于出光方向的另外两个轴向对光做限制,减少光的耗散,提高谐振腔的增益。在边发射条形半导体激光器中,垂直于出光方向的两个轴向,通常会使用不同的光限制方法,主要有增益波导和折射率波导两种。增益波导结构是利用有限的接触面积使注入的载流子局域化,主要集中在接触面积之下的整个腔长,有电流注入的区域折射率会产生变化,略高于没有注入的区域,从而起到光限制的作用,最终效果是只有在这个有载流子注入的区域内产生光增益,而光一定程度的也被限制在这个区域。但是由载流子注入引起的折射率变化是很小的,因此单纯的增益波导,其光限制能力较差,有大量的光场会泄漏到非增益区从而被吸收,导致激光器阈值很高。比较常见的是折射率波导和增益波导的结合,来实现较好的光限制。折射率波导是通过设计调控材料组分结构,从而实现折射率的变化,来形成波导结构对光产生限制作用。对于化合物半导体激光器(例如gaas、gan等),没有办法用离子注入的方法来改变局部的材料组分,因此只能通过外延生长的时候生长不同组分的材料或者用刻蚀的方法去除部分区域的材料然后再生长别的材料从而实现折射率的调控。由于半导体激光器的制作工艺限制,边发射半导体激光器在左右两个方向的光限制波导通常用刻蚀的方法,去除两侧的材料,再镀折射率低于半导体材料的绝缘介质膜(例如sio2等),形成如图1的(a)所示的脊形结构,两侧等效折射率较低,并且电流只从脊形上方注入,因此横向的光会被限制在脊形下方的区域,这便是增益波导和折射率波导结合的效果。在另一个轴向,即垂直于平面的方向,则是通过外延生长的时候,调控生长的材料组分,来实现的折射率波导,如图1的(b)所示的上下波导层位置,上下两层平面波导将光限制在有源区。这样在上下左右四个方向对光进行了限制,允许光从前后的谐振腔面射出,形成激光束。上波导和下波导在有源区的两侧,靠近核心区域,因此也是十分重要的结构。上下波导层的设计,主要的参数包括:波导层厚度、折射率结构、晶体质量、掺杂浓度、应力分布等,这些参数对提高激光器的性能都是比较关键的。其中,折射率和波导层厚度共同决定了波导层对有源区发出的光的限制能力,晶体质量和参杂浓度决定了对光的吸收多少,应力分布会改变量子阱的极化状态和能带结构,对发光波长和激光器寿命都有影响。针对上下波导层这些参数,都有各自的设计思路和实现方法,本发明重点讨论的是上下波导层厚度和折射率结构的设计优化和实现方法。左右方向的折射率波导属于工艺加工问题,不是本发明的讨论重点,如无具体描述,本文中的波导将特指图1(b)所示的上下波导结构。
3、波导层的折射率结构指的是随着波导层的厚度变化其折射率的变化,即折射率与波导厚度的函数关系。常见的波导折射率结构有两种,如图2所示,一种是恒定折射率结构,即折射率随波导厚度不变,另一种是折射率随波导厚度线性变化的结构。
4、半导体激光器的波导层的折射率是和其组分相关的,因此在生长的过程中调控其组分比例即可实现折射率的调控。以gan基蓝绿光边发射激光器为例,量子阱一般是in组分较高的ingan,其折射率较低,与其匹配的波导层一般是in组分含量较低的ingan,在生长过程中,通过调节生长参数,减少in的组分含量,就可以实现比有源区更高折射率的波导结构的生长。
5、现有技术中,恒定折射率结构的优点是生长实现方法非常简单,在生长上下波导的时候固定参数生长就可以实现恒定波导结构。线性波导结构的优点是相对容易计算平均折射率,对于评估光限制能力与波导厚度的关系比较容易。两者相比而言,在平均折射率相等的情况下,线性折射率波导比恒定折射率波导有更好的光限制能力,也能减少失配应力,在相同条件下,线性折射率波导结构的阈值电流更低,光功率更高。
6、现有技术的缺点是:
7、1)对于相同厚度的波导,恒定折射率波导的光限制能力不如平均折射率等于恒定折射率的渐变波导。
8、2)线性渐变波导的生长控制比较难,一般的做法是将波导厚度分为多个薄层,在生长每个薄层的时候参数是固定的,生长下一个薄层的时候,生长条件向着设计值方向略微调整,直到完成所有设计的薄层生长。最终通过大尺度上的近似,得到接近于线性折射率分布的波导结构,如图3所示。很明显,切片数量越多,越能近似线性分布,因此通常为了得到较好的线性波导,需要进行上百片的薄层分割。所以该方法的生长步骤十分繁琐,控制困难,生产效率不高。
9、3)恒定组分(折射率)波导,由于波导折射率明显高于有源区的折射率,因此其组分相差也比较大,这就会在界面处产生较大的晶格失配,不仅会产生较大的失配应力和极化电荷,影响量子阱的能带结构,也会产生较多的位错,缩短激光器寿命。在ingan波导,折射率越高,in组分越少,当in组分降低到零,即为gan材料。而低in组分的ingan其生长温度是高于高in组分的,因为温度升高会减少in原子的并入。因此波导层生长温度是高于有源区的。并且高in组分的ingan在高温下是不稳定的,容易分解或者发生成分偏析,形成in团簇,降低量子阱的发光效率。所以对于恒定折射率波导的生长而言,生长完高in组分的量子阱(in组分15~30%),再生长低in组分的ingan上波导(in组分1~10%)的时候,则其生长的温度要提高几十摄氏度,这很容易造成量子阱性能退化。
10、4)线性波导虽然通过分成足够多的薄层,使得相邻两层之间的参数变化是比较微小的,有利于减少失配应力和位错。但是由于分层较多,导致薄层之间界面较多,通常界面处是点缺陷较多的区域,上百个薄层界面会产生较多的点缺陷,从而增加光吸收损耗,不利于提高激光器性能。并且较多的界面会产生较大的粗糙度,也会增加光的吸收。
技术实现思路
1、本发明针对上述问题,提供一种非线性波导结构及其生长方法。
2、本发明采用的技术方案如下:
3、一种非线性波导结构,所述非线性波导结构的折射率随波导厚度呈非线性变化,所述折射率的非线性变化通过组分的非线性变化实现。
4、进一步地,所述组分的非线性变化的实现方式为:在生长的过程中,通过连续变化的参量调控组分,使组分连续变化。
5、进一步地,所述连续变化的参量包括下列中的至少一种:温度、气源流量。
6、进一步地,所述折射率的非线性变化为抛物线型非线性变化。
7、进一步地,所述非线性波导结构为in组分连续变化的ingan波导层或ingan/gan超晶格波导层。
8、进一步地,所述ingan波导层或ingan/gan超晶格波导层中in组分的质量分数的起点为0%-10%,终点为0%-10%;所述ingan波导层或ingan/gan超晶格波导层的厚度为25nm~500nm。
9、一种非线性波导结构的生长方法,在生长的过程中,通过连续变化的参量调控组分,使组分实现连续的非线性变化,进而使得折射率随波导厚度呈非线性变化,从而得到非线性波导结构。
10、进一步地,所述通过连续变化的参量调控组分,使组分实现连续的非线性变化,采用以下三种方式之一实现:
11、1)变流量生长:生长过程中恒定温度,调节气源流量;
12、2)变温生长:生长过程中恒定气源流量,调节温度;
13、3)协同生长:生长过程中既调节温度又调节气源流量,使温度和气源流量同时变化。
14、一种半导体激光器,包括波导层,所述波导层采用本发明的非线性波导结构。
15、进一步地,所述半导体激光器的波导层包括位于有源区两侧的上波导层和下波导层;所述上波导层和下波导层为in组分连续变化的ingan波导层或ingan/gan超晶格波导层,且靠近有源区的区域的in组分含量高。
16、本发明的核心创新点是提出了一种非线性波导的结构设计和实现方法,其主要目的有以下几方面:
17、1)上波导层一般是非故意掺杂的,即不会特意掺入mg作为p型掺杂,目的是为了减少吸收,但这样一来,波导层的导电性就相对比较差,那么会增加激光器的串联电阻,升高开启电压,产生更多的发热,缩短器件的寿命。如果能降低波导层的厚度而又不影响其光限制能力,那么将有利于提高器件性能。对于相同厚度和相同平均折射率的波导,非线性波导可以提供比线性波导和恒定折射率波导更好的光限制能力。因此,在达到所需光限制能力的情况下,可以进一步减少波导层的厚度,从而降低串联电阻,减少发热量,提升寿命。
18、2)本发明设计的非线性波导,靠近有源区较大范围内的in组分都相对较高,因此高温生长低in组分的时候,有源区已经被覆盖了较厚的波导层,有利于保护量子阱,减少量子阱的退化,从而提高量子阱的性能。
19、3)非线性波导,由于是连续生长,没有明显的生长界面,从而减少了界面处形成的点缺陷数量,也改善了表面的平滑度,减少了光吸收,减少发热,提高寿命,同时也减小激光器的阈值,提升功率。因此非线性波导能够获得多方面的综合性能提升。
20、为实现上述目的,本发明的主要创新点是:将线性in组分渐变ingan变为抛物线性组分ingan。
21、本发明的有益效果如下:
22、1.在相同条件下,本发明的非线性波导与线性波导和恒定折射率波导相比,能有效地降低激光器阈值电流,提升光功率和寿命,使激光器的综合性能得到提升。
23、2.生长相同厚度的情况下,本发明的非线性波导比线性波导所需的时间更短,这是由于参数变化的过程中无需等待其稳定,从而可以实现连续快速的生长,这样便能节省外延结构生长时间,提高生产效率,降低生产成本。
1.一种非线性波导结构,其特征在于,所述非线性波导结构的折射率随波导厚度呈非线性变化,所述折射率的非线性变化通过组分的非线性变化实现。
2.根据权利要求1所述的非线性波导结构,其特征在于,所述组分的非线性变化的实现方式为:在生长的过程中,通过连续变化的参量调控组分,使组分连续变化。
3.根据权利要求2所述的非线性波导结构,其特征在于,所述连续变化的参量为下列中的至少一种:温度、气源流量。
4.根据权利要求1所述的非线性波导结构,其特征在于,所述折射率的非线性变化为抛物线型非线性变化。
5.根据权利要求1~4中任一项所述的非线性波导结构,其特征在于,所述非线性波导结构为in组分连续变化的ingan波导层或ingan/gan超晶格波导层。
6.根据权利要求5所述的非线性波导结构,其特征在于,所述ingan波导层或ingan/gan超晶格波导层中in组分的质量分数的起点为0%-10%,终点为0%-10%;所述ingan波导层或ingan/gan超晶格波导层的厚度为25nm-500nm。
7.一种非线性波导结构的生长方法,其特征在于,在生长的过程中,通过连续变化的参量调控组分,使组分实现连续的非线性变化,进而使得折射率随波导厚度呈非线性变化,从而得到非线性波导结构。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述通过连续变化的参量调控组分,使组分实现连续的非线性变化,采用以下三种方式之一实现:
9.一种半导体激光器,包括波导层,其特征在于,所述波导层采用权利要求1~6中任一项所述的非线性波导结构。
10.根据权利要求9所述得到半导体激光器,其特征在于,所述波导层包括位于有源区两侧的上波导层和下波导层;所述上波导层和下波导层为in组分连续变化的ingan波导层或ingan/gan超晶格波导层,且靠近有源区的区域的in组分含量高。