一种具有低热损耗量子阱的氮化物半导体激光芯片的制作方法

本发明属于半导体光电器件，具体涉及一种具有低热损耗量子阱的氮化物半导体激光芯片。

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。激光器的种类很多，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。激光器与氮化物半导体发光二极管存在较大的区别，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；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；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；4)原理不同：发光二极管为在外界电压作用下，电子空穴跃迁到量子阱或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。

2、氮化物半导体激光器存在以下问题：由于光学过程中的非弹性散射，泵浦光与振荡光之间的光子能量差形成的斯托克斯频移损耗转换为热量，以及泵浦能级到激光上能级的耦合率不为1的能量损失转换为热量，两者共同产生大量废热，使激光器温度分布不均匀，对器件稳定性和寿命造成负面影响，由于局部吸收泵浦光导致的局部升温可能产生温度梯度，导致光学器件的光学性能随温度变化而不稳定，导致器件过热，引起热膨胀和热应力分布不均匀，产生温度淬灭、激光器断裂、热透镜效应和应力双折射效应。

技术实现思路

1、本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种结构简单，设计合理的具有低热损耗量子阱的氮化物半导体激光芯片。

2、本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

3、一种具有低热损耗量子阱的氮化物半导体激光芯片，包括从下至上依次相连的衬底、下包覆层、下波层，有源层、上波导层、上包覆层，所述有源层为低热损耗量子阱；

4、其中，所述低热损耗量子阱从下至上依次包括第一低热损耗量子阱层、第二低热损耗量子垒层、第三低热损耗量子阱层。

5、进一步地，所述第一低热损耗量子阱层、第二低热损耗量子垒层、第三低热损耗量子阱层均为i ngan、gan、i nn、a l i nn、a l n、a l i ngan、i ngan/gan超晶格、i ngan/ingan超晶格、i ngan/a l i ngan超晶格、i ngan/a l i nn超晶格、i ngan/a l gan超晶格的任意一种或任意组合。

6、进一步地，所述第一低热损耗量子阱层以及所述第三低热损耗量子阱层的饱和电子漂移速率分布、密度分布均具有倒u型分布；所述第一低热损耗量子阱层以及所述第三低热损耗量子阱层的纵向声速分布、横向声速分布均具有u型分布；

7、所述第二低热损耗量子垒层的饱和电子漂移速率分布、密度分布、纵向声速分布、横向声速分布均具有常数函数分布。

8、进一步地，所述第一低热损耗量子阱层的饱和电子漂移速率分布具有y＝ax2+bx+c曲线分布，其中，a＜0；

9、所述第二低热损耗量子垒层的饱和电子漂移速率分布具有常数函数y＝d1分布，其中，d1为常数；

10、所述第三低热损耗量子阱层的饱和电子漂移速率分布具有函数y＝ex2+fx+g曲线分布，其中，e＜0。

11、进一步地，所述第一低热损耗量子阱层的密度分布具有y＝hx2+i x+j曲线分布，其中，h＜0；

12、所述第二低热损耗量子垒层的密度分布具有常数函数y＝d2分布，其中，d2为常数；

13、所述第三低热损耗量子阱层的密度分布具有函数y＝mx2+nx+l曲线分布，其中，m＜0。

14、进一步地，所述第一低热损耗量子阱层的纵向声速分布具有y＝p1 x2+q1 x+o1曲线分布，其中，p1＞0；

15、所述第二低热损耗量子垒层的纵向声速分布具有常数函数y＝d3分布，其中，d3为常数；

16、所述第三低热损耗量子阱层的纵向声速分布具有函数y＝r1 x2+s1 x+t1曲线分布，其中，r1＞0。

17、进一步地，所述第一低热损耗量子阱层的横向声速分布具有y＝p2x2+q2x+o2曲线分布，其中，p2＞0；

18、所述第二低热损耗量子垒层的横向声速分布具有常数函数y＝d4分布，其中，d4为常数；

19、所述第三低热损耗量子阱层的横向声速分布具有函数y＝r2x2+s2x+t2曲线分布，其中，r2＞0。

20、进一步地，所述第一低热损耗量子阱层的重空穴有效质量分布具有y＝cscx第一象限曲线分布；

21、所述第二低热损耗量子垒层的重空穴有效质量分布具有常数函数y＝d6分布，其中，d6为常数；

22、所述第三低热损耗量子阱层的重空穴有效质量分布具有函数y＝cscx第一象限曲线分布。

23、进一步地，所述第一低热损耗量子阱层和第三低热损耗量子阱层的饱和电子漂移速率分布、密度分布、纵向声速分布、横向声速分布具有如下关系：e≤a≤m≤h＜0＜r2≤p2≤r1≤p1；

24、所述第二低热损耗量子垒层的饱和电子漂移速率分布、密度分布、纵向声速分布、横向声速分布具有如下关系：d2≤d4≤d3≤d1。

25、进一步地，所述下包覆层、下波导层、上波导层、上包覆层为gan、i ngan、i nn、a li nn、a l gan、a l i ngan、a l n、gaas、gap、i np、a l gaas、a l i ngaas、a l ga i np、i ngaas、i ngaasn、a l i nas、a l i np、a l gap、i ngap、gasb、i nsb、i nas、i nassb、al gasb、a l sb、i ngasb、a l gaassb、i ngaassb、si c、ga2o3、bn、金刚石的任意一种或任意组合；

26、所述衬底包括蓝宝石、硅、ge、si c、a l n、gan、gaas、i np、i nas、gasb、蓝宝石/sio2复合衬底、mo、t iw、cuw、cu、蓝宝石/a l n复合衬底、金刚石、石墨烯、蓝宝石/si nx、蓝宝石/sio2/si nx复合衬底、蓝宝石/si nx/sio2复合衬底、镁铝尖晶石mga l2o4、mgo、zno、zrb2、lia l o2和li gao2复合衬底的任意一种。

27、本发明的有益效果在于：本发明通过设置第一低热损耗量子阱层、第二低热损耗量子垒层、第三低热损耗量子阱层以及分别对其饱和电子漂移速率分布进行调控，从而低热损耗量子阱降低泵浦光与振荡光之间的光子能量差，减少斯托克斯频移产生的废热量，同时，提升泵浦能级到激光上能级的耦合率，大大减少激光器的热应力及热膨胀分布不均匀，改善激光器热透镜现象和应力双折射效应，调控光的偏振状态，抑制激光光束的去极化和失真，提升激光的相干性和远场ffp图像质量以及光束质量因子；同时，调控饱和电子漂移速率分布，降低有源层的自由载流子吸收损耗和焦耳热损耗，提升激光器的散热能力，减少有源层的热量积蓄，改善激光器的老化光衰。