一种氮化镓基半导体紫光紫外激光芯片的制作方法

本申请涉及半导体光电器件领域，尤其涉及一种氮化镓基半导体紫光紫外激光芯片。

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，电子空穴跃迁到有源层或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、氮化物半导体激光器存在以下问题：

8、1)量子阱in组分增加会产生in组分涨落和应变，激光器增益谱变宽，峰值增益下降；量子阱in组分增加，热稳定性变差，高温p型半导体和限制层生长会使有源层产生热退化，降低有源层的质量和界面质量；有源层内部缺陷密度高、inn与gan互溶隙较大、inn相分离偏析、热退化、晶体质量不理想，导致量子阱质量和界面质量不理想，增加非辐射复合中心或光学灾变；

9、2)量子阱极化电场提升空穴注入势垒、空穴溢出有源层等问题，空穴注入不均匀和效率偏低，导致量子阱中的电子空穴严重不对称不匹配，电子泄漏和载流子去局域化，空穴在量子阱中输运更困难，载流子注入不均匀，增益不均匀，同时，激光器增益谱变宽，峰值增益下降，导致激光器阈值电流增大且斜率效率降低；

10、3)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，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，增益不均匀，限制了激光器电激射增益的提高；

11、4)光波导吸收损耗高，固有碳杂质在p型半导体中会补偿受主、破坏p型等，p型掺杂的离化率低，大量未电离的mg受主杂质会导致内部光学损耗上升，且激光器的折射率色散，高浓度载流子浓度起伏影响有源层的折射率，限制因子随波长增加而减少，导致激光器的模式增益降低。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题之一，本发明提供了一种氮化镓基半导体紫光紫外激光芯片。

2、本发明实施例提供了一种氮化镓基半导体紫光紫外激光芯片，包括从下至上依次设置的衬底、下限制层、下波导层、有源层、上波导层和上限制层，所述有源层具有in元素分布、si掺杂浓度分布、mg掺杂浓度分布、c元素分布、o元素分布和h元素分布特性，所述上波导层具有al元素分布、in元素分布、c元素分布、o元素分布和h元素分布特性，所述下波导层具有al元素分布、in元素分布、si掺杂浓度分布、c元素分布、o元素分布和h元素分布特性。

3、优选地，所述有源层的in元素分布呈函数y＝exsinx曲线分布。

4、优选地，所述有源层的mg掺杂浓度分布、si掺杂浓度分布，c元素分布、h元素分布和o元素分布呈常数函数分布。

5、优选地，所述上波导层的in元素分布呈函数y＝x-cosx曲线分布，下波导层的in元素分布呈函数y＝cosx/x第三象限曲线分布。

6、优选地，所述上波导层的al元素分布呈y＝x2-ex曲线分布，所述下波导层的al元素分布呈y＝lnx/x曲线分布。

7、优选地，所述下波导层的si掺杂浓度呈函数y＝lnx/ex曲线分布。

8、优选地，所述下波导层的c元素分布和o元素分布呈y＝(ex-e-x)/(ex+e-x)曲线分布，下波导层的h元素分布呈常数函数分布。

9、优选地，所述上波导层的h元素分布、c元素分布和o元素分布呈y＝lnx-ex曲线分布。

10、优选地，所述下限制层、下波导层层，有源层、上波导层、上限制层包括gan、algan、ingan、alingan、aln、inn、alinn、sic、ga2o3、bn、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap的任意一种或任意组合，所述上波导层和下波导层的厚度为20埃米至1000埃米。

11、优选地，所述衬底包括蓝宝石、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。

12、本发明的有益效果如下：本发明通过对有源层、上波导层和下波导层中的al元素、in元素、si掺杂浓度、mg掺杂浓度、c元素、o元素和h元素进行特定设计，从而抑制有源层in组分涨落和inn相分离，提升有源层的晶体质量和界面质量，减少缺陷和降低热退化，抑制光学灾变，同时，调控有源层的极化电场，降低空穴注入有源层的势垒，提升有源层电子空穴的对称性和匹配性，减少电子泄漏，提升激光器的峰值增益和增益均匀性，并且通过上波导层和下波导层的设计降低光波导的吸收损耗以及激光折射率色散对限制因子的影响，提升激光器的光束质量和限制因子。

技术特征：

1.一种氮化镓基半导体紫光紫外激光芯片，包括从下至上依次设置的衬底、下限制层、下波导层、有源层、上波导层和上限制层，其特征在于，所述有源层具有in元素分布、si掺杂浓度分布、mg掺杂浓度分布、c元素分布、o元素分布和h元素分布特性，所述上波导层具有al元素分布、in元素分布、c元素分布、o元素分布和h元素分布特性，所述下波导层具有al元素分布、in元素分布、si掺杂浓度分布、c元素分布、o元素分布和h元素分布特性。

2.根据权利要求1所述的氮化镓基半导体紫光紫外激光芯片，其特征在于，所述有源层的in元素分布呈函数y＝exsinx曲线分布。

3.根据权利要求1所述的氮化镓基半导体紫光紫外激光芯片，其特征在于，所述有源层的mg掺杂浓度分布、si掺杂浓度分布，c元素分布、h元素分布和o元素分布呈常数函数分布。

4.根据权利要求1所述的氮化镓基半导体紫光紫外激光芯片，其特征在于，所述上波导层的in元素分布呈函数y＝x-cosx曲线分布，下波导层的in元素分布呈函数y＝cosx/x第三象限曲线分布。

5.根据权利要求1所述的氮化镓基半导体紫光紫外激光芯片，其特征在于，所述上波导层的al元素分布呈y＝x2-ex曲线分布，所述下波导层的al元素分布呈y＝lnx/x曲线分布。

6.根据权利要求1所述的氮化镓基半导体紫光紫外激光芯片，其特征在于，所述下波导层的si掺杂浓度呈函数y＝lnx/ex曲线分布。

7.根据权利要求1所述的氮化镓基半导体紫光紫外激光芯片，其特征在于，所述下波导层的c元素分布和o元素分布呈y＝(ex-e-x)/(ex+e-x)曲线分布，下波导层的h元素分布呈常数函数分布。

8.根据权利要求1所述的氮化镓基半导体紫光紫外激光芯片，其特征在于，所述上波导层的h元素分布、c元素分布和o元素分布呈y＝lnx-ex曲线分布。

9.根据权利要求1所述的氮化镓基半导体紫光紫外激光芯片，其特征在于，所述下限制层、下波导层层，有源层、上波导层、上限制层包括gan、algan、ingan、alingan、aln、inn、alinn、sic、ga2o3、bn、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap的任意一种或任意组合，所述上波导层和下波导层的厚度为20埃米至1000埃米。

10.根据权利要求1所述的氮化镓基半导体紫光紫外激光芯片，其特征在于，所述衬底包括蓝宝石、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
本发明提出了一种氮化镓基半导体紫光紫外激光芯片，包括从下至上依次设置的衬底、下限制层、下波导层、有源层、上波导层和上限制层，对有源层、上波导层和下波导层中的Al元素、In元素、Si掺杂浓度、Mg掺杂浓度、C元素、O元素和H元素进行特定设计。本发明能够抑制有源层In组分涨落和InN相分离，提升有源层的晶体质量和界面质量，减少缺陷和降低热退化，抑制光学灾变，调控有源层的极化电场，降低空穴注入有源层的势垒，提升有源层电子空穴的对称性和匹配性，减少电子泄漏，提升激光器的峰值增益和增益均匀性，通过上波导层和下波导层的设计降低光波导的吸收损耗以及激光折射率色散对限制因子的影响，提升激光器的光束质量和限制因子。

技术研发人员：郑锦坚,陈婉君,黄军,张会康,李晓琴,刘紫涵,李水清,王星河
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：2024/3/12