[發明專利]半導體激光器及其制備方法

有效

• 申請號: 201711346623.4
• 申請日: 2017-12-14
• 公開（公告）號: CN109962406B
• 公開（公告）日: 2021-11-12
• 發明（設計）人: 張韻;倪茹雪
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H01S5/32
• 分類號: H01S5/32;H01S5/323;H01S5/34;H01S5/343
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 任巖

本公開提供了一種半導體激光器及其制備方法，所述半導體激光器由下至上依次包括：溝槽型圖形化襯底、n型層、有源層和p型層；其中，所述溝槽型圖形化襯底上具有多個相互平行的溝槽，所述溝槽的延伸方向與激光器的光子諧振方向平行。本公開半導體激光器及其制備方法，通過長條狀溝槽的延伸方向與激光器的光子諧振方向平行，即使光子諧振方向與外延材料中低穿透位錯區域平行，在振蕩過程中，此區域的非輻射復合較低、增益較大，可以率先實現激射，降低激射閾值，從而有效提高了半導體激光器的光學效率和性能。

技術領域

本公開涉及激光器技術領域，特別涉及一種低閾值半導體激光器及其制備方法。

背景技術

當大尺寸高質量的單晶同質襯底較難獲得或同質襯底的導電、導熱等特性無法滿足器件要求時，絕大多數半導體材料都是采用異質外延的方式，即外延材料與襯底不是同一種材料。襯底材料與外延材料之間存在晶格失配和熱失配，當外延層的厚度超過臨界厚度時引起應變弛豫，會導致外延層表面粗糙和穿透位錯密度較高。粗糙的表面會增加器件的制造工藝難度；對于半導體光電器件，較高的穿透密度位錯會降低器件的性能，甚至導致器件性能的降低、退化和失效。控制表面粗糙度并降低穿透位錯密度，可以采用V/III比調制外延、高溫退火、緩沖層技術、圖形化襯底技術等。

在圖形化襯底上進行材料的外延，利用圖形傾斜面的鏡像力作用能夠有效地降低外延材料中的穿透位錯密度，實現高質量外延材料的制備。圖形化襯底可為單一材料的圖形化襯底，如納米圖形藍寶石襯底(nano-patterned sapphire substrates，NPSS)等；或在平面襯底材料上制備不同材料的圖形化薄膜而形成的復合圖形化襯底，如在藍寶石襯底上制備圖形化AlN薄膜等。以在藍寶石上制備圖形化AlN薄膜而形成的復合圖形化襯底為例，它可以改善外延材料質量的具體原因為：由于晶格失配和熱失配，在異質襯底與平面AlN薄膜的界面處會產生高密度的穿透位錯，并不斷向上延伸到平面AlN薄膜中；在平面AlN薄膜上制作圖形形成圖形化AlN薄膜后，進行AlN的外延，由于AlN的橫向外延作用，有部分穿透位錯會隨著AlN的橫向生長而向空氣隙彎曲并終止在空氣隙的界面，導致圖形上方區域位錯湮滅，從而降低了圖形上方的穿透位錯密度；在接下來n型層、有源層、p型層的器件全結構外延過程中，圖形上方的外延層中穿透位錯密度降低，從而使外延層的整體材料質量提升?？紤]到穿透位錯作為非輻射復合中心，對光電器件的性能的影響十分顯著。如對于LED，它們將降低器件的內量子效率、影響光提取效率，從而造成LED的光功率較低等；再如對于激光器，它們將增大非輻射復合，造成激光器的壽命縮短、功率密度減小、出光強度降低等。

除了傳統的溝槽型(長條狀)圖形化襯底，董鵬等人在藍寶石襯底上、陳翔等人在以藍寶石為襯底的平面AlN薄膜上制作納米孔陣型圖形。這些圖形化襯底的目的都是降低外延層中的穿透位錯密度，從而使外延層的整體材料質量提升，最終提高器件的光電性能。

發明內容

(一)要解決的技術問題

鑒于上述技術問題，本公開提供了一種半導體激光器及其制備方法。本公開半導體激光器及其制備方法，通過長條狀溝槽的延伸方向與激光器的光子諧振方向平行，即使光子諧振方向與外延材料中低穿透位錯區域平行，在振蕩過程中，此區域的非輻射復合較低、增益較大，可以率先實現激射，降低激射閾值，從而有效提高了半導體激光器的光學效率和性能。

(二)技術方案

根據本公開的一個方面，提供了一種半導體激光器，由下至上依次包括：溝槽型圖形化襯底、n型層、有源層和p型層；其中，所述溝槽型圖形化襯底上具有多個相互平行的溝槽，所述溝槽的延伸方向與激光器的光子諧振方向平行。

在本公開的一些實施例中，所述溝槽為長條狀溝槽，多個溝槽形成多個相互平行且獨立的長條狀臺面，用于材料外延；所述長條狀溝槽的寬度為10納米～100微米，長條狀臺面的高度為10納米～10微米。