[发明专利]一种多波长GaN基垂直腔面发射激光器的有源区结构设计

说明书

本发明涉及氮化物半导体垂直腔面发射激光器领域，公开了一种多波长GaN基垂直腔面发射激光器的有源区结构设计方法，包括对激光器腔长、量子点位置以及量子点尺寸的设计；通过对多层量子点的尺寸和其在谐振腔内空间位置的精确设计，使得不同尺寸量子点的发光与对应的腔模及腔内的驻波光场实现最大程度的耦合，从而使得多个激光模式同时获得足够大的增益并最终实现稳定的多波长激光输出。同时，本发明还提供了采用这种有源区制作的多波长GaN基垂直腔面发射激光器的具体器件结构及其应用。

技术领域

本发明提供了一种多波长GaN基垂直腔面发射激光器的有源区结构设计，具体涉及氮化物半导体垂直腔面发射激光器领域。

背景技术

GaN基材料作为第三代半导体材料，具有直接带隙及非常高的辐射复合率。其发光波长通过改变合金组分可覆盖整个可见光波段，因此在固态照明、光存储、光通讯以及全色显示等领域具有广泛的应用前景。

多波长垂直腔面发射激光器可以同时共轴输出多个波长的激光，可应用于空间测距、太赫兹信号发生器、光混频及非线性光学等领域。目前报道的主要是GaAs基的多波长垂直腔面发射激光器，其采用一对耦合的谐振腔结构，通过分别对两个谐振腔进行独立控制从而获得不同波长的激光输出(P.Michler,M.Hilpert,et al.,Dynamics of dual-wavelength emission from a coupled semiconductor microcavity laser,Appl.Phys.Lett.,70:2073(1997)；A.S.Logginov,A.G.Rzhanov,et al.,Conditions fortwo-frequency lasing in coupled-cavity vertical-cavity surface-emittinglasers,Quantum Electron.,37:534(2007)；T.Kitada,H.Ota,et al.,Two-colorsurface-emitting lasers using a semiconductor coupled multilayer cavity,Appl.Phys.Express 9:111201(2016))。对于GaN基垂直腔面发射激光器，由于氮化物分布布拉格反射镜(DBR)生长困难，且p型欧姆接触难以实现，而介质膜DBR又不导电，因此无法使用类似的耦合谐振腔获得多波长激光输出。鉴于多波长GaN基垂直腔面发射激光器的重要研究价值及巨大应用潜力，特别是在现实增强(AR)、3D成像、激光光谱学和医疗检测等领域，因此设计出一种可行的方案使得在单谐振腔结构下获得GaN基垂直腔面发射激光器的多波长激光输出显得十分迫切和必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多波长GaN基垂直腔面发射激光器的有源区结构设计，同时本发明还提供了采用所述有源区制作的多波长GaN基垂直腔面发射激光器的具体结构及其应用。

本发明提供了多层堆叠量子点的有源区结构设计方法，具体设计方法包括以下步骤：

(1)根据激光的出射波长(激光器的腔模)设计激光器的腔长。

步骤(1)中，垂直腔面发射激光器的腔长由所述需要出射的两个以上的激光波长(激光器的腔模)确定；腔长一旦确定，则出射波长也就确定了，二者是一一对应关系；激光器的腔长设计可以使用TFCalc等软件来实现，具体方法如实施例1中所述。

(2)根据激光的出射波长设计量子点的尺寸，使得不同尺寸量子点层的发光中心波长与对应的激光的出射波长相匹配。

由于不同尺寸量子点的发光波长不同，因此必须对不同量子点层的尺寸进行精确设计，使得不同尺寸量子点层的发光中心波长与对应的激光的出射波长相匹配。根据激光的出射波长设计量子点的尺寸，使尺寸小的量子点发光中心波长与短波长激光的出射波长一致，尺寸大的量子点发光中心波长与长波长激光的出射波长一致。

步骤(2)中，所述的不同尺寸的量子点由于受到的量子限制作用不同而具有不同的发光波长。