高效率非對稱光場分布垂直腔面發射半導體雷射器的製作方法
2023-05-08 12:44:46 2
專利名稱：高效率非對稱光場分布垂直腔面發射半導體雷射器的製作方法
技術領域：
本發明屬於半導體雷射器技術領域，具體涉及高效率非對稱光場分布的垂直腔面發射半導體雷射器。
背景技術：
垂直腔面發射雷射器是一種垂直表面出光的半導體雷射器，它具有閾值低，發散角小，雷射功率密度高，易於單片集成，熱穩定性好等優點，在醫療、傳感、顯示技術、信息存儲、空間通訊和衛星導航上有著極其重要的應用。隨著應用領域的擴展，對面發射雷射器性能的要求也越來越高，如何提高垂直腔面發射半導體雷射器的效率是近年來研究的熱點。現有的垂直腔面發射半導體雷射器結構由下至上依次包括N面電極、襯底、緩衝層、N型DBR(分布布拉格反射鏡)、有源區、氧化限制層、P型DBR、蓋層和P面電極；P面電極放置在蓋層的頂面上，並且電連接到蓋層，N面電極位於襯底的背面，並且電連接到襯底； 由於面發射半導體雷射器在有源區兩側的N型DBR和P型DBR材料結構是一致的，這種對稱性的結構會使得器件工作時內部光場強度在P型DBR和N型DBR具有相近的分布形式。 而P型DBR具有較高的摻雜濃度，產生大的光學損耗和較多的熱量，使得雷射器的轉換效率受到限制。降低摻雜濃度可以在一定程度上減小P型DBR的光學損耗，然而這會引起器件串聯電阻的增加，內腔接觸式的面發射半導體雷射器可以有效提高器件的轉換效率，然而其應用局限於小口徑的面發射雷射器，並且製作工藝複雜，對設備精度要求高。因而迫切需要一種簡單實用的方法來有效提高垂直腔面發射半導體雷射器的轉換效率。
發明內容
本發明目的是解決現有的垂直腔面發射半導體雷射器光場在P型DBR —側的高損耗、雷射器的轉換效率受到限制的問題。為了實現上述目的，本發明提供高效率非對稱光場分布的垂直腔面發射半導體雷射器，該雷射器由下至上依次為N面電極、N型襯底、N型緩衝層、N型分段DBR、有源區、氧化限制層、P型分段DBR、P型蓋層和P面電極；所述P面電極放置在P型蓋層的頂面上且電連接到P型蓋層，所述N面電極位於N型襯底的背面且電連接到N型襯底，所述有源區位於 N型分段DBR與P型分段DBR之間，有源區內引入增益介質層，所述N型分段DBR和P型分段DBR採用分段結構，N型分段DBR的高、低折射率材料層交替周期性分布，在靠近有源區的前六至八對N型DBR的高、低折射率材料對的折射率差小於後面的N型DBR的高、低折射率材料對的折射率差；P型分段DBR的高、低折射率材料層交替周期性分布，在靠近有源區的前六至八對P型DBR的高、低折射率材料對的折射率差大於後面的P型DBR的高、低折射率材料對的折射率差。本發明有益效果本發明面發射半導體雷射器N型分段DBR和P型分段DBR採用分段式結構，它利用靠近有源區的前六至八對DBR對整個器件內部的光場分布情況進行調節，使得工作時器件的內部光場向N型分段DBR —側偏離，P型分段DBR —側的光場強度比普通的面發射半導體雷射器要小，因此可有效改善雷射器內部光學損耗以及P型分段DBR 的自產熱效應。通過設計有源區的光學厚度為λ/2的整數倍(λ為出光波長)，多量子阱增益材料處在有源區中心，使得有源區處在光場強度最大處，可以使得光場獲得最大的光增益，提高轉換效率。這種雷射器製作工藝簡單，可適用於各種結構的面發射雷射器件。相比於傳統面發射雷射器利用內腔接觸等複雜工藝方法製作的高效率面發射雷射器來說，它僅僅對有源區兩側的六至八對DBR結構做一下改進即可有效提高器件的工作性能；還可在有源區引入多個周期性增益結構，進一步提高器件的輸出功率；有源區兩側的前六至八對 DBR可以採用三元材料AlGaAs，或者多元材料InAlGaAs或者AlGaInP，材料設計靈活性大， 有利於針對不同工作指標進行分析優化，可減小內部產熱，降低閾值電流，提高轉換效率。 總之，這種非對稱光場分布的面發射半導體雷射器具有內部損耗小，電光轉換效率高，熱穩定性好等優點，在高效率大功率垂直腔面發射半導體雷射器領域有著廣泛的應用前景。
圖I為本發明的高效率非對稱光場分布垂直腔面發射半導體雷射器結構示意圖；圖2為本發明的低損耗高效率垂直腔面發射半導體雷射器結構折射率分布示意圖；圖3(a)、3(b)、3(c)為實施實例I的折射率分布，內部光場分布，功率-電流曲線示意圖；圖4為是實施實例2的折射率分布示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。如圖I所示，本發明提供高效率非對稱光場分布垂直腔面發射半導體雷射器，該雷射器由下至上依次為N面電極9、N型襯底I、N型緩衝層2、N型分段DBR3、有源區4、氧化限制層5、P型分段DBR 6、P型蓋層7、P面電極8。P面電極8在P型蓋層7的頂面上， 並且電連接到P型蓋層7，N面電極9位於N型襯底I的背面，並且電連接到N型襯底I ;有源區4位於N型分段DBR3與氧化限制層5之間；N型分段DBR3採用N型摻雜多層高、低折射率材料周期分布的布拉格反射鏡，且採用分段結構；P型分段DBR6採用P型摻雜多層高、 低折射率材料周期分布的布拉格反射鏡，且採用分段結構。如圖2所示，為本發明的高效率非對稱光場垂直腔面發射半導體雷射器的折射率分布圖。N型分段DBR3由N型摻雜的高、低折射率層周期性排列組成；P型分段DBR6由P 型摻雜的高、低折射率層周期性排列組成。每個周期包含一高折射率層、一低折射率層，高、 低折射率層的光學厚度分別等於出射波長的1/4 ;靠近有源區的前6-8對N型DBR3a與後面的N型DBR3b的材料組成不同，組成前6-8對N型DBR3a的周期性材料折射率差比組成後面的N型DBR3b的周期性材料折射率差小；靠近有源區的前6-8對P型DBR6a與後面的 P型DBR6b的材料組成不同，組成前6-8對P型DBR6a的周期性材料折射率差比組成後面的P型DBR6b的周期性材料折射率差大。有源區4位於N型分段DBR3與P型分段DBR6之間，它的光學厚度為二分之一出光波長的整數倍，增益介質層4a —般處於有源區4內部，它位於整個雷射器光場強度分布最大處。N型襯底I可為N型高摻雜的任何常用的III-V族化合物，比如GaAs和InP等，用於在其上外延生長雷射器各層材料。由於外延層材料需與襯底晶格匹配或近似匹配，因此襯底的選擇取決於設計的激射波長，本發明主要採用N型高摻雜GaAs襯底。N型緩衝層2生長在N型襯底I上，為N型高摻雜材料，通常選擇與N型襯底I相同的材料。本發明中採用GaAs襯底，緩衝層選擇N型高摻雜的GaAs，其目的是有效的掩埋襯底的缺陷，形成高質量的外延表面，以利於其它各層材料的生長。N型分段DBR 3生長在N型緩衝層2上，它由m對N型摻雜的高折射率材料層和低折射率材料層周期性排列組成，每層材料帶隙寬度均大於有源層帶隙寬度。在本發明中採用GaAs材料N型襯底I的情形下，N型分段DBR 3高折射率材料層和低折射率材料層選擇不同鋁組分的三元材料AlGaAs或多元材料InAlGaAs、AlGaInP等，高折射率材料鋁組分低於低折射率材料。且靠近有源區4的前6-8對N型DBR 3a所選取的高折射率材料層與低折射率材料層跟後面的N型DBR3b不一樣，折射率差較小。N型分段DBR 3的高、低折射率層的周期對數、每層的厚度和組分需精心設計，使其中心波長為所需的出光波長，靠近有源區部分的各層材料不摻雜或低摻雜以減小光吸收損耗。有源區4生長在N型分段DBR 3上，位於N型DBR 3與氧化限制層5之間，通常不摻雜或低摻雜。增益介質4a位於有源區4中，其帶隙對應於所希望的發光波長，可以為單層或多層量子阱(QWs)、量子點(QDs)、量子線等，其目的在於作為雷射器的增益區，在電注入時產生雷射並提供足夠的光增益。另外可以設計成多發光區周期性增益介質結構，在有源區內部駐波場分布的幾個波峰位置插入增益介質形成多發光區，以提高輸出功率。在本發明中採用GaAs材料N型襯底I的情形下，增益介質主要採用InGaAs/GaAsP應變量子阱材料。氧化限制層5生長在有源區4之上，氧化層材料採用高Al組分的Ala98Gaatl2As,厚度為幾十納米，氧化深度為30 μ m左右。這樣就可以有效的限制載流子的擴散，降低閾值電流。P型分段結構DBR 6生長在氧化限制層5上。它由η對P型摻雜的高、低折射率材料周期性排列構成，選擇不同招組分的三元材料AlGaAs或多元材料InAlGaAs、AlGaInP 等，各層材料的晶格常數與N型襯底I及下面的生長材料相近，並且材料的帶隙寬度要大於有源區增益介質的帶隙寬度，摻雜P型雜質。本發明中靠近有源區4的前6-8對P型DBR 6a與後面的P型DBR6b不同。前6_8對P型DBR6a處的DBR材料折射率差要比後面的P 型DBR6b處的大，以使得P型分段DBR 6內部的駐波場強度得到有效降低。而後面的P型 DBR6b處的DBR材料與後面的N型DBR3b處的DBR材料類型相一致。P型蓋層7生長在P型分段DBR 6上，通常選擇與N型襯底I相同的材料，重摻雜 P型雜質，以利於歐姆接觸。在本發明中採用GaAs襯底的情形下，P型蓋層選擇P型重摻 GaAs材料。金屬電極由多層金屬依次堆疊製成，通常P面電極8採用鈦-鉬-金(Ti-Pt-Au) 材料或者鈦-金(Ti-Au)材料，N面電極9採用金-鍺-鎳(Au-Ge-Ni)材料。實施例I如圖3(a)、3(b)、3(c)所示，為一種頂發射的非對稱光場分布垂直腔面發射半導體雷射器的折射率分布、駐波場分布及輸出功率與注入電流關係。該結構中N型分段DBR3 總的周期性材料對數為33對，P型分段DBR6總的周期性材料對數為22對。靠近有源區的前6對N型DBR和P型DBR分別採用低折射率差和高折射率差周期性材料。從圖3 (b)中器件內部光場強度分布可以看出，本發明中面發射雷射器內部駐波場在N型分段DBR3 —側的分布比P型分段DBR6中要強，即光場向N型分段DBR3 —側偏移，因此，相比傳統的對稱光場分布式的垂直腔面發射半導體雷射器，本發明減小了 P型分段DBR6對光場的吸收，從圖3(c)可以看出，相比於傳統的對稱式DBR結構，在相同的注入電流下，非對稱光場分布的面發射半導體雷射器具有更高的輸出功率，而閾值電流並沒有增加，因此，器件轉換效率得到了有效的提高，我們模擬的出光口徑為IOym的該結構器件，將對稱形式的雷射器結構改為非對稱結構後，其轉換效率提高了 10%。實施例2如圖4所示，與實施例I相比，該結構中有源區4內引入多個周期性增益介質結構 4a、4b和4c，這種結構可以使得光場在內部震蕩時獲得大的增益，從而得到高的輸出功率。 該結構的特點為有源區4厚度很大，駐波場在有源區4內部有多個震蕩峰，在各個相應的峰值位置處插入增益介質，提高了增益介質層對注入電流的利用效率，並且整個結構的光增益大大增強，從而進一步提高出光功率。
權利要求
1.高效率非對稱光場分布垂直腔面發射半導體雷射器，該雷射器由下至上依次為N面電極(9)、N型襯底⑴、N型緩衝層(2)、N型分段DBR(3)、有源區(4)、氧化限制層(5)、P 型分段DBR(6)、P型蓋層(7)和P面電極⑶；所述P面電極⑶放置在P型蓋層(7)的頂面上且電連接到P型蓋層(7)，所述N面電極(9)位於N型襯底(I)的背面且電連接到N型襯底(1)，所述有源區⑷位於N型分段DBR(3)與P型分段DBR(6)之間，有源區⑷內引入增益介質層(4a)，其特徵在於，所述N型分段DBR(3)和P型分段DBR(6)採用分段結構， N型分段DBR(3)的高、低折射率材料層交替周期性分布，在靠近有源區(4)的前六至八對N 型DBR(3a)的高、低折射率材料對的折射率差小於後面的N型DBR(3b)的高、低折射率材料對的折射率差；P型分段DBR(6)的高、低折射率材料層交替周期性分布，在靠近有源區(4) 的前六至八對P型DBR(6a)的高、低折射率材料對的折射率差大於後面的P型DBR(6b)的高、低折射率材料對的折射率差。
2.根據權利要求I所述的高效率非對稱光場分布垂直腔面發射半導體雷射器，其特徵在於，所述有源區(4)光學厚度為出射波長λ/2的整數倍。
3.根據權利要求I所述的高效率非對稱光場分布垂直腔面發射半導體雷射器，其特徵在於，所述有源區(4)引入多個周期性增益結構。
4.根據權利要求I所述的高效率非對稱光場分布垂直腔面發射半導體雷射器，其特徵在於，所述增益介質層(4a)為單層量子阱、多層量子阱、量子點或量子線。
5.根據權利要求I所述的高效率非對稱光場分布垂直腔面發射半導體雷射器，其特徵在於，所述N型襯底(I)採用N型高摻雜的GaAs或InP #型緩衝層(2)選擇N型高摻雜的GaAs或InP ；N型分段DBR(3)的高折射率層和低折射率層選擇不同鋁組分的三元材料 AlGaAs或多元材料，P型分段DBR(6)的高折射率層和低折射率層選擇不同鋁組分的三元材料AlGaAs或多元材料；氧化限制層(5)選擇高鋁組分AlGaAs材料；P型蓋層(7)選擇P型重摻雜GaAs或InP材料。
全文摘要
高效率非對稱光場分布垂直腔面發射半導體雷射器，屬於半導體雷射器技術領域，為解決現有的垂直腔面發射半導體雷射器光場在P型DBR一側的高損耗、雷射器的轉換效率受到限制的問題，本發明提供高效率非對稱光場分布的垂直腔面發射半導體雷射器，該雷射器由下至上依次為N面電極、N型襯底、N型緩衝層、N型分段DBR、有源區、氧化限制層、P型分段DBR、P型蓋層和P面電極；所述N型分段DBR在靠近有源區的前6-8對N型DBR的高、低折射率材料對的折射率差小於後面的高、低折射率材料對的折射率差；P型分段DBR在靠近有源區的前6-8對P型DBR的高、低折射率材料對的折射率差大於後面的高、低折射率材料對的折射率差。本發明電光轉換效率高具有廣泛的應用前景。
文檔編號H01S5/323GK102611000SQ201210079120
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月23日 優先權日2012年3月23日
發明者劉雲, 寧永強, 張建偉, 曾玉剛, 王立軍, 秦莉 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所