GaN基边缘发射激光器(EEL)的优化设计

GaN基激光器基于其发光效率高、波长调控范围广、体积小等优点,在激光存储、激光照明、激光打印、激光显示等领域具有重要的应用。GaN基激光器的发展和面临的问题有很多与Ga N基LED类似,包括材料质量、p型掺杂、电子泄漏等问题,这里不再赘述。Ga N基激光器与LED的主要区别在于其波导和谐振腔结构。

图3.2.9　GaN基可见光激光器的典型结构[25]

Ga N激光器按照光的出射方向可以分为边缘发射和面发射两种,边发射激光器的光从平行于衬底的方向出射,而面发射激光器的光从垂直于衬底的方向出射。首先介绍典型的FP(Fabry-perot)腔Ga N基边发射可见光激光器,结构如图3.2.9所示。z方向按照从下到上的顺序依次是n电极、Ga N衬底、n-AlGa N下限制层、n-In GaN下波导层、多量子阱有源区、非故意掺杂(UID)-InGaN上波导层、p型电子阻挡层、p-AlGaN上限制层、p-GaN层和p电极。在这些外延层中,多量子阱有源区的折射率最高,有源区在z方向上下延伸折射率都呈递减趋势。这种中间高、上下低的折射率分布能够将光场限制在上下波导层之间。为了在y方向对光场进行限制,一般采用如图3.2.9所示的脊型结构,具体实现方法是刻蚀掉两侧部分p型层,再淀积一层二氧化硅。由于二氧化硅和空气的折射率比p型层折射率小,这种脊型结构使y方向的折射率也呈现出中间高、两侧低的分布,进而将光场限制在脊型中间。因此,激光在y、z方向都受到了限制,只能在x方向传播。根据前述的半导体激光器原理,在传播方向需形成谐振腔。在此结构中,可以通过机械解理或刻蚀的方法形成x方向的前、后腔面,并通过蒸镀介质膜来调控前、后腔面的反射率。在图3.2.9所示中,激光从前腔面出射,因此前腔面的反射率比后腔面小,以保证激光从前腔面出射。

从载流子限制角度考虑,图3.2.9所示中的多量子阱有源区和两侧材料形成双异质结。对激光器施加正向偏压时,电子和空穴分别从n型层和p型层向有源区注入。n型层和p型层材料的禁带宽度大于有源区材料,当载流子从宽带隙材料注入窄带隙材料时,利用超注入原理,如图3.2.10所示,宽带隙材料不需要特别高的掺杂浓度即能高效地实现有源区的载流子注入。再加上有源区两侧的宽禁带材料还起到对注入的载流子的限制作用,使有源区在较小的注入电流下即能实现粒子数反转并产生增益。当增益大于或等于总的光学损耗时,光在谐振腔里形成稳定的振荡,并从前腔面出射特定模式的激光。(www.xing528.com)

图3.2.10　双异质结的超注入现象

目前,GaN基蓝紫光激光器已经实现了商品化。但和LED类似,随着波长进一步向长波和短波方向延伸,也会面临相应的困难。对于长波方向的绿光,需要InGa N量子阱的In组分更高,如第2章节的论述,高In组分会引起材料质量差、In组分起伏、量子限制斯塔克效应等问题,最终导致激光器激射困难、出射光谱线变宽等现象。对于短波方向的紫外光,与前述紫外LED类似,主要挑战包括高Al组分材料质量、p-GaN层对紫外光的吸收、AlGaN层p型掺杂困难。图3.2.11所示为一个中紫外波段Ga N基激光器的结构示意。对于AlGa N材料,Al组分越高,折射率越小。激光器波长越短,有源层Al组分需求越高,为了实现垂直方向中间高、上下低的折射率分布来限制光场,波导层中Al组分也要相应地更高。如此高的Al组分在异质衬底上难以实现高质量的外延,此结构以Al N作为衬底材料,以减小高Al组分外延层的位错,提高外延层质量。在图3.2.11所示的结构基础上,可以通过减小p-Ga N层的厚度来尽量减少对紫外光的吸收;还可以在p-GaN和p-Al0.75 Ga0.25 N限制层间插入Al组分渐变的AlGaN层,以减小p-Ga N和p-Al0.75 Ga0.25 N之间的空穴势垒,有利于空穴的注入。

图3.2.11　GaN基中紫外波段激光器结构示意图[26]