適用于激光顯示的消相干準三維光子晶體超輻射光源的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于半導體光源領域，特別涉及一種適用于激光顯示的消相干準三維光子晶體超福射光源。
【背景技術】
[0002]激光顯示由于其色域廣、效率高等獨特優勢成為了投影顯示領域中的最有前景的方向。而半導體激光器由于其尺寸小、電光轉換效率高等優勢，最終將替代前置寬譜光源一燈泡，成為激光顯示領域未來最合適的光源。然而，高質量的激光光源在激光顯示應用存在的最大問題在于空間相干性。但有研宄發現作為激光顯示光源的三基色激光中的紅光的譜寬達到5nm以上時，即使沒有任何外置消相干元件，人眼也幾乎無法分辨有無散斑。該研宄內容給我們提供了思路。
[0003]因此，我們設計了所述一種適用于激光顯示的邊發射半導體超輻射光源，通過啁啾狹槽來實現寬譜超輻射發光。并且根據啁啾狹槽的啁啾度不同來調控最終獲得的超輻射發光光源的譜寬。針對紅綠藍三基色激光對譜寬的需求，設計啁啾狹槽，以達到對不同波長的光都實現無散斑的投影顯示。
[0004]此外，普通半導體激光器帶來的另一問題是，由于橫向和縱向的光束質量不同而存在較大的像散。我們利用N型光子晶體波導對光場的縱向擴展，實現降低垂直發散角的目的，以降低色散，直接應用于激光顯示。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在于，提供一種適用于激光顯示的消相干準三維光子晶體超輻射光源，其是通過啁啾狹槽來實現寬譜超輻射發光，并且根據啁啾狹槽的啁啾度不同來調控最終獲得的超輻射發光光源的譜寬。針對紅綠藍三基色激光對譜寬的需求，設計啁啾狹槽，以達到對不同波長的光都實現無散斑的投影顯示。
[0006]本發明提供一種適用于激光顯示的消相干準三維光子晶體超輻射光源，包括:
[0007]— N型襯底；
[0008]一 N型光子晶體波導層，其制作在N型襯底上；
[0009]一有源層，其制作在N型光子晶體波導層上；
[0010]一 P型波導層，其制作在有源層上，該P型波導層上面的中間有一凸起的脊形波導結構，該波導結構為P型橫向限制層，該P型橫向限制層橫向開有多個狹槽，形成啁啾狹槽結構；
[0011]一絕緣層，其制作在P型橫向限制層兩側及橫向的狹槽內；
[0012]一 N電極，其制作在絕緣層以及P型橫向限制層上；
[0013]一 P電極，其制作在N型襯底的背面。
[0014]本發明的有益效果是，可以用作激光顯示中的三基色光源，可以省去后置的消相干元件，因此可以大大降低投影系統的復雜性，降低成本并且可以進一步縮小尺寸。
【附圖說明】
[0015]為進一步說明本發明的技術內容，以下結合實施例及附圖詳細說明如后，其中:
[0016]圖1為的結構立體示意圖；
[0017]圖2為本發明的實驗結果:在不同的注入電流下的輸出光譜；
[0018]圖3為啁啾狹槽對應的反射譜(7對)；
[0019]圖4為非啁啾均勻狹槽的反射譜(7對)。
【具體實施方式】
[0020]請參閱圖1所示，本發明提供一種適用于激光顯示的消相干準三維光子晶體超輻射光源，包括:
[0021]一 N型襯底1，所述N型襯底I的材料為砷化鎵、磷化銦或氮化鎵，根據所述光子晶體波導層2以及有源層3的材料異質外延情況而定。
[0022]一 N型光子晶體波導層2，其制作在N型襯底I上，所述N型光子晶體波導層2為周期重復制備的不同組分X的AlxGahAs或者InxGahN,所述N型光子晶體波導層2的周期數大于2。周期重復制備的不同組分材料形成周期折射率變化，對模式進行縱向擴展，降低輸出光斑的縱向發散角，有益于減少后續的光斑整形過程而有可能直接應用于激光投影等領域。
[0023]一有源層3，其制作在N型光子晶體波導層2上，所述有源層3為量子阱或量子點結構的半導體增益材料，具體材料由激光投影所選定的紅綠藍三基色所需發光波長決定。所述有源層3為量子點或者單量子阱時，通常由一個芯層和兩個光限制層組成。為了提高光電轉換效率，通過采用重復制備的多個量子阱，提高有源區的光限制因子。
[0024]一P型波導層4，其制作在有源層3上，該P型波導層4上面的中間有一凸起的脊形波導結構，該波導結構為P型橫向限制層5，所述P型橫向限制層5的寬度為500nm-200 μπι，所述P型橫向限制層5的剖面是矩形、梯形或者三角形，該P型橫向限制層5形成橫向的折射率差，對光模式起到橫向局域的作用；該P型橫向限制層5橫向開有多個狹槽，形成啁啾狹槽結構。所述P型橫向限制層5上的啁啾狹槽結構，分為周期性啁啾深度狹槽和啁啾周期狹槽。所述周期性啁啾深度狹槽是指狹槽周期均一，而刻蝕深度從一端到另一端逐漸增大或逐漸減小的狹槽結構。所述啁啾周期狹槽是指狹槽周期從一端到另一端逐漸變大或逐漸變小的狹槽結構。參閱圖3所示，兩種啁啾狹槽結構都能夠提供一定寬度的高反射譜。與圖4中的均勻狹槽相比較譜寬有明顯變寬，這是獲得寬譜超輻射發光的關鍵因素。橫向限制層的另一端為自然解理面。光在啁啾狹槽與自然解理面之間形成共振，最終從自然解理面一端出射。
[0025]一絕緣層6，其制作在P型橫向限制層5兩側及橫向的狹槽內，所述絕緣層6的材料為二氧化硅或氧化鋁。所述絕緣層6在所述橫向限制層以及電極之間起到選擇性絕緣的作用，使得非載流子注入的區域形成電絕緣。
[0026]一 P電極7，其制作在絕緣層6以及P型橫向限制層5上，所述P電極7的材料為金屬。金屬電極的面積覆蓋整個器件，在封裝時足夠壓焊多根Au線。所述P電極7通常選用Ti/Pt/Au材料以達到電極與器件之間的歐姆接觸。
[0027]一 N電極8，其制作在N型襯底I的背面，所述N電極8的材料為金屬。所述N電極8通常采用Au/Ge/Ni/Au合金材料。為了獲得更優且更穩定的電流電壓特性，需要進一步做適當溫度下的高溫退火處理。
[0028]實施例一
[0029]本發明為一種適用于激光顯示的消相干準三維光子晶體超輻射光源。該實施例中我們通過模擬和實驗結果說明了該方法可以實現寬譜邊發射輸出。盡管在實驗中波長并不是適用于激光顯示的紅、綠、藍三基色光的任何一種，但基于此工作機理，我們可以實現任意波長的寬譜輸出。
[0030]啁啾狹槽結構的方案具體過程描述如下:
[0031]步驟1，制作外延片:以N型GaAs材料為襯底1，在其上依次生長N型光子晶體波導層2、AlGaInAs多量子阱有源層3、P型波導層4和P型橫向限制層5。
[0032]步驟2，在外延片上制作脊形波導:從外延片頂部刻蝕到P型波導層。
[0033]步驟3，在脊形波導上制作啁啾狹槽結構:在脊形波導的一端通過套刻顯影、ICP刻蝕工藝刻蝕出啁啾狹槽。
[0034]步驟4，制作電極:PECVD沉積250nm厚的Si02作為絕緣層6，再在P型限制層上掏Si02窗口，沉積Ti/Pt/Au作為P電極7。對襯底進行減薄，在背面沉積Au/Ge/Ni/Au作為N電極8。最終獲得如圖1所示的器件。
[0035]該寬譜超輻射光源的工作機理:周期性啁啾深度狹槽提供寬譜高反射率反饋，參考圖3，而另一端的自然解理面提供等間距縱模反饋。我們可以通過增大腔長使該結構FP(自然解理面一端)縱模間距小于傳統FP腔激光器的單縱模的半高寬，以實現均勻的寬譜發光。
[0036]該實施例中我們采用了周期性啁啾深度狹槽結構。具體結構參數是狹槽周期為10 μ m，每個狹槽寬度為I μ m，狹槽深度啁啾變化。在模擬與實驗制備中均使用了 7個周期的啁啾深度狹槽。獲得了在激射之后2倍閾值的泵浦功率下-1Onm的輸出譜寬，參考圖2所示。
[0037]以上實施例只是本發明所有方案中的優選方案之一，其他對基于啁啾狹槽的脊形波導邊發射激光器結構的簡單改變都屬于本發明所保護的范圍。
【主權項】
1.一種適用于激光顯示的消相干準三維光子晶體超輻射光源，包括: 一 N型襯底； 一 N型光子晶體波導層，其制作在N型襯底上； 一有源層，其制作在N型光子晶體波導層上； 一 P型波導層，其制作在有源層上，該P型波導層上面的中間有一凸起的脊形波導結構，該波導結構為P型橫向限制層，該P型橫向限制層橫向開有多個狹槽，形成啁啾狹槽結構； 一絕緣層，其制作在P型橫向限制層兩側及橫向的狹槽內； 一 N電極，其制作在絕緣層以及P型橫向限制層上； 一 P電極，其制作在N型襯底的背面。2.根據權利要求1所述的適用于激光顯示的消相干準三維光子晶體超輻射光源，其中N型襯底的材料為砷化鎵、磷化銦或氮化鎵。3.根據權利要求1所述的適用于激光顯示的消相干準三維光子晶體超輻射光源，其中所述有源層為量子阱或量子點結構的半導體增益材料。4.根據權利要求1所述的適用于激光顯示的消相干準三維光子晶體超輻射光源，其中所述P型橫向限制層的寬度為500nm-200 μπι ;所述P型橫向限制層的剖面是矩形、梯形或者三角形。5.根據權利要求4所述的適用于激光顯示的消相干準三維光子晶體超輻射光源，其中所述P型橫向限制層上的啁啾狹槽結構，分為周期性啁啾深度狹槽和啁啾周期狹槽。6.根據權利要求1所述的適用于激光顯示的消相干準三維光子晶體超輻射光源，其中所述P型波導層的材料為AlxGahAs、InxGa1^xAs或者InxGai_xN。7.根據權利要求1所述的適用于激光顯示的消相干準三維光子晶體超輻射光源，其中所述N型光子晶體波導層為周期重復制備的不同組分X的AlxGahAs或者InxGai_xN。8.根據權利要求7所述的適用于激光顯示的消相干準三維光子晶體超輻射光源，其中所述N型光子晶體波導層的周期數大于2。9.根據權利要求1所述的適用于激光顯示的消相干準三維光子晶體超輻射光源，其中所述P電極和N電極的材料為金屬。10.根據權利要求7所述的適用于激光顯示的消相干準三維光子晶體超輻射光源，其中所述絕緣層的材料為二氧化硅或氧化鋁。
【專利摘要】一種適用于激光顯示的消相干準三維光子晶體超輻射光源，包括：一N型襯底；一N型光子晶體波導層，其制作在N型襯底上；一有源層，其制作在N型光子晶體波導層上；一P型波導層，其制作在有源層上，該P型波導層上面的中間有一凸起的脊形波導結構，該波導結構為P型橫向限制層，該P型橫向限制層橫向開有多個狹槽，形成啁啾狹槽結構；一絕緣層，其制作在P型橫向限制層兩側及橫向的狹槽內；一N電極，其制作在絕緣層以及P型橫向限制層上；一P電極，其制作在N型襯底的背面。本發明針對紅綠藍三基色激光對譜寬的需求，設計啁啾狹槽，以達到對不同波長的光都實現無散斑的投影顯示。
【IPC分類】H01S5/343
【公開號】CN104993376
【申請號】CN201510394504
【發明人】鄭婉華, 張斯日古楞, 王宇飛, 齊愛誼
【申請人】中國科學院半導體研究所
【公開日】2015年10月21日
【申請日】2015年7月7日