[發明專利]用于全色顯示照明的垂直腔面發射激光器陣列

在審

• 申請號: 201710064594.6
• 申請日: 2017-02-04
• 公開（公告）號: CN106785909A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 鄭志威;張保平;沃納·霍夫曼;梅洋
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: H01S5/183
• 分類號: H01S5/183;H01S5/187
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務所(普通合伙)35200
• 代理人: 馬應森,曾權

技術領域

本發明涉及半導體激光器，尤其是涉及用于全色顯示照明的垂直腔面發射激光器陣列。

背景技術

半導體激光器由于其小體積、低功耗、低成本等優點，相比于固態激光器和氣體激光器，受到了更大的關注與研究。基于不同半導體材料的禁帶寬度，半導體激光器可覆蓋從紫外到紅外的寬光譜范圍。當前，不同波長的半導體激光器已被成功研制并商業化，例如，2～5μm激光器用于生物醫療應用，1.3～1.55μm激光器用于光通信應用，850～1000nm激光器用于光互聯技術，405～450nm激光器用于光刻、照明等應用。但是，在綠光波段，特別是500～600nm，半導體激光器的研究面臨著較大的困難，進展一直比較緩慢，稱之為"green gap”，也就是“綠色鴻溝”難題。而且，此波長范圍的綠光對于廣色域激光顯示應用來說是極其重要的。

當前，綠光半導體激光器所使用的材料主要為以氮化鎵(GaN)、氮化銦(InN)和氮化鋁(AlN)為代表的氮化物半導體材料，有源區主要為InGaN量子阱。2009年，Nichia公司首次做出了波長大于500nm的綠光激光器，隨后，Osram、Sumitomo等公司更是將激射波長推進至532nm，然而，激射波長的延伸隨之帶來閾值電流增大等問題依然存在，“綠色鴻溝”并沒有得到有效解決。雖然二維InGaN量子阱材料已廣泛應用于藍光半導體激光器并且商業化，但是在綠光波段內，InGaN量子阱的發光效率會有顯著的降低。這是因為發光波長越長，所需要的In組分就越高，然而較高的In組分會帶來更大的晶格失配，這會帶來高密度的缺陷以及較大的應力，應力則會造成量子限制斯塔克效應，使電子與空穴的輻射復合效率大幅度降低。上述原因都將使綠光波長的InGaN量子阱發光效率降低。這是當前綠光激光器面臨的重要問題。

相比于量子阱結構，量子點這種零維結構有效地限制了電子和空穴，而且量子點有源區內部應力較小，量子限制斯塔克效應較為微弱，有利于獲得更高的輻射發光效率和更低的閾值電流。密歇根大學研究組(M.Zhang,et al,A InGaN/GaN quantum dot green(λ＝524nm)laser,Appl.Phys.Lett.98,221104(2011))已報道了基于量子點結構的綠光邊發射激光器，顯示出量子點結構帶來的優勢。然而，邊發射激光器由于其腔長很長，多達百μm量級，若要調整激射波長，需要改變材料的增益波長，如改變量子點In組分等，大大增加了制備成本與工藝復雜度。相比于邊發射激光器，垂直腔面發射激光器的腔長很短，縱模間距較大，因而可通過調整腔長改變模式分布來實現對激射波長的有效控制，這對于實現廣色域激光顯示的應用是十分重要的。

發明內容

本發明的目的在于提供一種低閾值、長激射波長的綠光垂直腔面發射激光器，解決“綠色鴻溝”問題，并實現多波長激射的綠光垂直腔面發射激光器陣列和廣色域顯示照明的用于全色顯示照明的垂直腔面發射激光器陣列。

本發明從下至上設有散熱銅襯底、鍵合層、電流擴展與P型電極、電流限制層、P型GaN層、量子點有源區、N型GaN層和N型電極；所述N型GaN層、量子點有源區和P型GaN層依次生長在散熱銅襯底上，電流限制層沉積在P型GaN層上，在電流限制層中開設P型電流注入孔，電流擴展與P型電極生長在注入孔中，在電流擴展與P型電極中沉積有P型電極和底部分布布拉格反射鏡，鍵合層鍵合于底部分布布拉格反射鏡與散熱銅襯底之間，在N型GaN層上沉積N型電極和頂部分布布拉格反射鏡，底部分布布拉格反射鏡與頂部分布布拉格反射鏡之間構成諧振腔。

所述鍵合層可通過金屬鍵合或電鍍的方式形成，如Sn，Ni等，分布布拉格反射鏡可通過物理氣相沉積的方法形成，如TiO₂/SiO₂等，電流擴展層可采用ITO，電流限制層可采用SiO₂、Si₃N₄等絕緣層，增益區采用InGaN量子點，電極材料可采用Cr/Au等材料。