一种具有InN相分离抑制层的半导体激光器的制作方法

n
x
ga
1-x
n(103a)，垒层为gan(103b)，阱层(103a)厚度为10～100埃米，垒层(103b)厚度为10～150埃米。
6.进一步的，所述i nn相分离抑制层由i nyga
1-y
n(107a)和gan(107b)组成，i nn相分离抑制层的i nyga
1-y
n厚度(107a)小于等于有源层的i n
x
ga
1-x
n阱层(103a)厚度，i n组分y＜x，i nn相分离抑制层的gan(107b)厚度大于有源层的垒层gan(103b)厚度。
7.进一步的，所述i nn相分离抑制层的i nyga
1-y
n(107a)厚度为10～50埃米，gan(107b)厚度为20～200埃米。
8.进一步的，所述inn相分离抑制层的缺陷密度小于等于1e6 cm-2
，抑制缺陷诱导有源层的i n偏析。
9.进一步的，所述i nn相分离抑制层的i n/al元素强度比例小于有源层的i n/al元素强度比例。
10.进一步的，所述i nn相分离抑制层的i n/al元素强度比例为1e4～6e4，有源层103的i n/al元素强度比例为6e4～5e5,有源层103的i n/al元素强度比例与i nn相分离抑制层i n/al元素强度比例的比值为k:1＜k＜50。
11.进一步的，所述上波导层的i n/al元素强度比例为1～6e4，从有源层往上波导层方向逐渐下降，呈弧形分布；下波导层的i n/al元素强度比例为2e2～6e4,从有源层往下波导方向逐渐下降，呈弧形分布。
12.进一步的，所述上波导层、有源层、i nn相分离抑制层和下波导层组成i n/al元素强度比例梯度，进一步抑制有源层的i n偏析。
13.进一步的，所述i nn相分离抑制层107的si/mg浓度比例为150～500，有源层的si/mg浓度比例为1～150，i nn相分离抑制层107的si/mg浓度比例大于有源层的si/mg浓度比例。
14.进一步的，所述下波导层的si/mg浓度比例为0.5～200，从i nn相分离抑制层往下波导层方向逐渐下降；上波导层的si/mg浓度比例为0.0001～10，从有源层103往上波导层方向逐渐下降。
15.进一步的，所述i nn相分离抑制层的si浓度最高，往下波导层102方向的s i浓度呈下降趋势，s i浓度下降角度为α：30≤α≤70；i nn相分离抑制层往有源层方向的si浓度呈下降趋势，si浓度下降角度为β：45≤β≤90；s i浓度下降角度β大于α。
16.进一步的，所述上波导层、有源层、i nn相分离抑制层和下波导层组成s i/mg浓度比例梯度和s i浓度下降角度，进一步抑制有源层的i n偏析。
17.进一步的，所述下限制层、下波导层层，上波导层、电子阻挡层、上限制层包括gan、al gan、i ngan、al i ngan、al n、i nn、al i nn、sic、ga2o3、bn、gaas、gap、i np、al gaas、al i ngaas、al ga i np、i ngaas、al i nas、al i np、al gap、i ngap的任意一种或任意组合；所述半导体激光元件包括发光波长为200nm～300nm的半导体深紫外激光器，发光波长为300nm～420nm的半导体紫外激光器，发光波长为420nm～480nm的半导体蓝光激光器，发光波长为500nm～550nm的半导体绿光激光器，发光波长为550nm～700nm的半导体红光与黄光激光器，发光波长为800nm～1000nm的半导体红外激光器，发光波长为1000nm～1600nm的半导体远红外激光器。
18.在本实施例中，所述衬底包括蓝宝石、硅、ge、si c、al n、gan、gaas、i np、蓝宝石/
sio2复合衬底、蓝宝石/al n复合衬底、蓝宝石/sin
x
、镁铝尖晶石mgal2o4、mgo、zno、zrb2、lialo2和ligao2复合衬底的任意一种。
19.相比于现有技术：通过设计i nn相分离抑制层的i nyga
1-y
n厚度(107a)小于等于有源层的i n
x
ga
1-x
n阱层(103a)厚度，i n组分y＜x，i nn相分离抑制层的gan(107b)厚度大于有源层的垒层gan(103b)厚度，设计有源层的周期数小于等于3，inn相分离抑制层i n/al元素强度比例(由si ms二次离子质谱仪测试)小于有源层的i n/al元素强度比例来抑制有源层的i n偏析，同时，控制i nn相分离抑制层的缺陷密度小于等于1e6 cm-2
，设计上波导层、有源层、i nn相分离抑制层和下波导层组成i n/al元素强度比例梯度，设计上波导层、有源层、i nn相分离抑制层和下波导层组成si/mg浓度比例梯度和si浓度下降角度，进一步抑制有源层的i n偏析，降低非辐射复合，提升斜率效率和外量子效率以及光束质量因子。
附图说明
20.图1是本发明实施例的一种具有inn相分离抑制层的半导体激光器的结构示意图；
21.图2是本发明实施例的一种具有inn相分离抑制层的半导体激光器的斜率效率提升结构的tem透射电镜图；
22.图3是本发明实施例的一种具有inn相分离抑制层的半导体激光器的sims二次离子质谱图；
23.图4是本发明实施例的一种具有inn相分离抑制层的半导体激光器的sims二次离子质谱图(标识si浓度下降角度)；
24.其中，说明书附图的附图标记如下：
25.100：衬底；101：下限制层；102：下波导层层；103：有源层；104：上波导层，105：电子阻挡层，106：上限制层，107：inn相分离抑制层。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.请参照图1和图2，为本发明提供的半导体激光器的一种实施例的结构示意图，该半导体激光器，包括从下到上依次层叠设置的衬底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上限制层106，所述有源层103与下波导层层102间具有inn相分离抑制层107。
28.在本实施例中，所述有源层103由阱层和垒层组成周期结构，周期为m:1≤m≤3，阱层为i n
x
ga
1-x
n(103a)，垒层为gan(103b)，阱层(103a)厚度为10～100埃米，垒层(103b)厚度为10～150埃米。
29.在本实施例中，所述i nn相分离抑制层107由i nyga
1-y
n(107a)和gan(107b)组成，i nn相分离抑制层的i nyga
1-y
n厚度(107a)小于等于有源层的i n
x
ga
1-x
n阱层(103a)厚度，i n组分y＜x，i nn相分离抑制层的gan(107b)厚度大于有源层的垒层gan(103b)厚度。
30.在本实施例中，所述i nn相分离抑制层107的i nyga
1-y
n(107a)厚度为10～50埃
米，gan(107b)厚度为20～200埃米。
31.在本实施例中，所述i nn相分离抑制层107的缺陷密度小于等于1e6 cm-2
，抑制缺陷诱导有源层的i n偏析。
32.现有的氮化物半导体激光器存在以下问题：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。通过设计i nn相分离抑制层的inyga
1-y
n厚度(107a)小于等于有源层的i n
x
ga
1-x
n阱层(103a)厚度，i n组分y＜x，inn相分离抑制层的gan(107b)厚度大于有源层的垒层gan(103b)厚度，设计有源层的周期数小于等于3，i nn相分离抑制层i n/al元素强度比例(由sims二次离子质谱仪测试)小于有源层的i n/al元素强度比例来抑制有源层的in偏析，同时，控制inn相分离抑制层的缺陷密度小于等于1e6 cm-2
，设计上波导层、有源层、i nn相分离抑制层和下波导层组成i n/al元素强度比例梯度，设计上波导层、有源层、i nn相分离抑制层和下波导层组成s i/mg浓度比例梯度和si浓度下降角度，进一步抑制有源层的i n偏析，降低非辐射复合，提升斜率效率和外量子效率以及光束质量因子。
33.请参阅图3和图4，
34.在本实施例中，所述i nn相分离抑制层107的i n/al元素强度比例(由s ims二次离子质谱仪测试)小于有源层的i n/al元素强度比例。
35.在本实施例中，所述i nn相分离抑制层107的i n/al元素强度比例(由s ims二次离子质谱仪测试)为1e4～6e4，有源层103的i n/al元素强度比例为6e4～5e5,有源层103的in/al元素强度比例与i nn相分离抑制层i n/al元素强度比例的比值为k:1＜k＜50。
36.在本实施例中，所述上波导层104的i n/al元素强度比例(由si ms二次离子质谱仪测试)为1～6e4，从有源层往上波导层方向逐渐下降，呈弧形分布；下波导层的in/al元素强度比例为2e2～6e4,从有源层往下波导方向逐渐下降，呈弧形分布。
37.在本实施例中，所述上波导层104、有源层103、i nn相分离抑制层107和下波导层102组成i n/al元素强度比例梯度，共同抑制有源层的i n偏析。
38.在本实施例中，所述i nn相分离抑制层107的s i/mg浓度比例(由sims二次离子质谱仪测试)为150～500，有源层103的s i/mg浓度比例为1～150，i nn相分离抑制层107的s i/mg浓度比例大于有源层的si/mg浓度比例。
39.在本实施例中，所述下波导层102的s i/mg浓度比例(由s ims二次离子质谱仪测试)为0.5～200，从i nn相分离抑制层107往下波导层102方向逐渐下降；上波导层的si/mg浓度比例为0.0001～10，从有源层103往上波导层方向逐渐下降。
40.在本实施例中，所述i nn相分离抑制层107的s i浓度最高，往下波导层102方向的si浓度呈下降趋势，si浓度下降角度为α：30≤α≤70；i nn相分离抑制层107往有源层103方向的s i浓度呈下降趋势，s i浓度下降角度为β：45≤β≤90；s i浓度下降角度β大于α。
41.在本实施例中，所述上波导层104、有源层103、i nn相分离抑制层107和下波导层102组成s i/mg浓度比例梯度和si浓度下降角度，进一步抑制有源层的in偏析。
42.在本实施例中，所述下限制层101、下波导层层102，上波导层104、电子阻挡层105、
上限制层106包括gan、al gan、i ngan、al i ngan、al n、i nn、al i nn、si c、ga2o3、bn、gaas、gap、i np、al gaas、al i ngaas、alga i np、i ngaas、al i nas、al inp、al gap、i ngap的任意一种或任意组合；所述半导体激光元件包括发光波长为200nm～300nm的半导体深紫外激光器，发光波长为300nm～420nm的半导体紫外激光器，发光波长为420nm～480nm的半导体蓝光激光器，发光波长为500nm～550nm的半导体绿光激光器，发光波长为550nm～700nm的半导体红光与黄光激光器，发光波长为800nm～1000nm的半导体红外激光器，发光波长为1000nm～1600nm的半导体远红外激光器。
43.在本实施例中，所述衬底100包括蓝宝石、硅、ge、sic、al n、gan、gaas、i np、蓝宝石/sio2复合衬底、蓝宝石/al n复合衬底、蓝宝石/sin
x
、镁铝尖晶石mgal2o4、mgo、zno、zrb2、lialo2和ligao2复合衬底的任意一种。
44.采用本发明实施例，半导体激光器的增益如下表所示：
45.蓝光激光器-项目传统激光器本发明激光器变化幅度光束质量因子m23.72.176％斜率效率(w/a)1.251.8548％光功率(w)3.55.146％外量子效率28.50％40.10％41％
46.半导体激光器的光束质量因子从3.7提升至2.1，提升76％，斜率效率从1.25提升至1.85w/a，提升48％，光功率从3.5w提升至5.1w提升46％，外量子效率从28.5％提升至40.1％，提升约41％，现有的氮化物半导体激光器存在以下问题：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。通过设计i nn相分离抑制层的i nyga
1-y
n厚度(107a)小于等于有源层的i n
x
ga
1-x
n阱层(103a)厚度，i n组分y＜x，i nn相分离抑制层的gan(107b)厚度大于有源层的垒层gan(103b)厚度，设计有源层的周期数小于等于3，i nn相分离抑制层i n/al元素强度比例(由sims二次离子质谱仪测试)小于有源层的i n/al元素强度比例来抑制有源层的i n偏析，同时，控制i nn相分离抑制层的缺陷密度小于等于1e6 cm-2
，设计上波导层、有源层、i nn相分离抑制层和下波导层组成in/al元素强度比例梯度，设计上波导层、有源层、i nn相分离抑制层和下波导层组成s i/mg浓度比例梯度和s i浓度下降角度，进一步抑制有源层的i n偏析，降低非辐射复合，提升斜率效率和外量子效率以及光束质量因子。
47.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种具有inn相分离抑制层的半导体激光器，从下至上依次包括衬底、下限制层、下波导层，有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层，其特征在于：所述有源层与下波导层间具有inn相分离抑制层，所述inn相分离抑制层由in
y
ga
1-y
n(107a)和gan(107b)组成，inn相分离抑制层的in
y
ga
1-y
n厚度(107a)小于等于有源层的in
x
ga
1-x
n阱层(103a)厚度，in组分y＜x，inn相分离抑制层的gan(107b)厚度大于有源层的垒层gan(103b)厚度。2.如权利要求1所述的一种具有inn相分离抑制层的半导体激光器，其特征在于，所述inn相分离抑制层的in
y
ga
1-y
n(107a)厚度为10～50埃米，gan(107b)厚度为20～200埃米。3.如权利要求1所述的一种具有inn相分离抑制层的半导体激光器，其特征在于，所述inn相分离抑制层的缺陷密度小于等于1e6 cm-2
，抑制缺陷诱导有源层的in偏析。4.如权利要求1所述的一种具有inn相分离抑制层的半导体激光器，其特征在于，所述inn相分离抑制层in/al元素强度比例(由sims二次离子质谱仪测试)小于有源层的in/al元素强度比例。5.如权利要求1所述的一种具有inn相分离抑制层的半导体激光器，其特征在于，所述inn相分离抑制层in/al元素强度比例(由sims二次离子质谱仪测试)为1e4～6e4，有源层的in/al元素强度比例为6e4～5e5,有源层的in/al元素强度比例与inn相分离抑制层in/al元素强度比例的比值为k:1＜k＜50。6.如权利要求1所述的一种具有inn相分离抑制层的半导体激光器，其特征在于，所述上波导层的in/al元素强度比例(由sims二次离子质谱仪测试)为1～6e4，从有源层往上波导层方向逐渐下降，呈弧形分布；下波导层的in/al元素强度比例为2e2～6e4,从有源层往下波导方向逐渐下降，呈弧形分布。7.如权利要求1所述的一种具有inn相分离抑制层的半导体激光器，其特征在于，所述上波导层、有源层、inn相分离抑制层和下波导层组成in/al元素强度比例梯度，进一步抑制有源层的in偏析。8.如权利要求1所述的一种具有inn相分离抑制层的半导体激光器，其特征在于，所述inn相分离抑制层si/mg浓度比例为150～500，有源层的si/mg浓度比例为1～150，inn相分离抑制层的si/mg浓度比例大于有源层的si/mg浓度比例；所述下波导层si/mg浓度比例为0.5～200，从inn相分离抑制层往下波导层方向逐渐下降；上波导层的si/mg浓度比例为0.0001～10，从有源层往上波导层方向逐渐下降；所述inn相分离抑制层si浓度最高，往下波导层方向的si浓度呈下降趋势，si浓度下降角度为α：30≤α≤70；inn相分离抑制层往有源层方向的si浓度呈下降趋势，si浓度下降角度为β：45≤β≤90；si浓度下降角度β大于α；所述上波导层、有源层、inn相分离抑制层和下波导层组成si/mg浓度比例梯度和si浓度下降角度，进一步抑制有源层的in偏析。9.如权利要求1所述的一种具有inn相分离抑制层的半导体激光器，其特征在于，所述有源层由阱层和垒层组成周期结构，周期为m:1≤m≤3，阱层为in
x
ga
1-x
n(103a)，垒层为gan(103b)，阱层(103a)厚度为10～100埃米，垒层(103b)厚度为10～150埃米；所述下限制层、下波导层层，上波导层、电子阻挡层、上限制层包括gan、algan、ingan、alingan、aln、inn、alinn、sic、ga2o3、bn、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、al inas、alinp、algap、ingap的任意一种或任意组合；所述半导体激光元件包括发光波长为200nm～300nm的半导体深紫外激光器，发光波长为300nm～420nm的半导体紫外激光器，发光波长为420nm
～480nm的半导体蓝光激光器，发光波长为500nm～550nm的半导体绿光激光器，发光波长为550nm～700nm的半导体红光与黄光激光器，发光波长为800nm～1000nm的半导体红外激光器，发光波长为1000nm～1600nm的半导体远红外激光器。10.如权利要求1所述的一种具有inn相分离抑制层的半导体激光器，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/sin
x
、镁铝尖晶石mgal 2
o4、mgo、zno、zrb2、lialo2和ligao2复合衬底的任意一种。

技术总结
本发明公开了一种具有InN相分离抑制层的半导体激光器，从下至上依次包括衬底、下限制层、下波导层，有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层，所述有源层与下波导层间具有InN相分离抑制层。通过设计上波导层、有源层、InN相分离抑制层和下波导层组成In/Al元素强度比例梯度，设计上波导层、有源层、InN相分离抑制层和下波导层组成Si/Mg浓度比例梯度和Si浓度下降角度，进一步抑制有源层的In偏析，降低非辐射复合，提升斜率效率和外量子效率以及光束质量因子。因子。因子。


技术研发人员：李水清 请求不公布姓名 王星河 张江勇 蔡鑫 陈婉君
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：2023.06.15
技术公布日：2023/8/16