採用光陷阱超小發散角高功率半導體雷射器外延材料結構的製作方法

2023-05-08 18:14:31 9

專利名稱：採用光陷阱超小發散角高功率半導體雷射器外延材料結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種高功率半導體雷射器的外延材料結構，特別是涉及一種能夠提高 全固態雷射器泵浦效率且具有極低光束垂直發散角的波長885nm高功率半導體雷射器的 外延材料結構。
背景技術：
高功率半導體雷射器具有電光效率高、體積小、重量輕和壽命長等優點，因而 在工業、軍事、航空、醫療和空間通信等領域都有重要應用。特別是近年來，波長範圍 800nm-980nm的高功率半導體雷射器及其列陣已成為高能固體雷射器和光纖雷射器所必需 的泵浦光源。對於全固態雷射器而言，其高功率和高光束質量的最主要限制來源於其泵浦過程 中產生的巨大無用熱量。對這些熱量的處理形成了對全固態雷射器結構設計和熱管理技術 的最大挑戰。對於最成熟的Nd:YAG材料全固態雷射器而言，目前主要採用波長808nm的高 功率半導體雷射器列陣作為泵浦光源。但是，最近的研究結果表明，採用波長885nm的雷射 泵浦源能夠顯著地減少產生的無用熱量，使泵浦效率增加20%以上。(由固態雷射器的波 長為1064nm，在不考慮量子缺陷情況下，可大致理論估算為(1. 24/0. 808-1. 24/1. 064)/ (1. 24/0. 885-1. 24/1. 064) = 1.6，即採用808nm泵浦源產生的熱量是885nm泵浦源的1. 6 倍，因而，採用885nm泵浦源可以極大地降低Nd YAG雷射晶體的溫升。另外，對於端面泵浦結構全固態雷射器和光纖雷射器而言，要求半導體雷射泵浦 源的輸出光束儘量對稱。目前普通波導結構高功率半導體雷射器的遠場垂直發散角和平行 發散角相差太大，典型數值為40° (垂直發散角，e ±)xio° (平行發散角，e〃)，因而器 件光斑的對稱性極差，不利於雷射光束與被泵浦器件的高效耦合。目前，主要的國際半導體雷射器公司均開始研製高功率波長885nm的半導體雷射 器產品。但只有少數幾家，如nLIGHT公司、COHERENT公司和INTENSE公司等可以提供瓦級 885nm的雷射二極體單管，且遠場垂直發散角為38° -40°範圍。為了改善高功率半導體雷射器的光束質量，我們提出一種帶有光陷阱結構的新型 光波導雷射材料減小遠場垂直發散角的技術方案。這種方案的主要原理為在普通半導 體雷射器材料的N型限制層或波導層中引入部分低折射率光陷阱區，通過適當的外延層組 分、厚度等參數調節，將雷射器有源區的光場適當地耦合到光陷阱區附近。這樣，雷射器有 源區的光場可以在N型波導一側得到適當的擴展，從而有效降低垂直發散角，而且也增加 了垂直方向上的近場光斑尺寸，降低了端面的光功率密度。這樣可以使光束的垂直發散角 典型值達到18° (0 ±)，光束對稱性提高一倍，也相應提高了輸出功率。從而，更容易實現 與其它泵浦器件、光纖高效率耦合或光束整形等直接應用。

發明內容
本發明的目的在於提供一種採用光陷阱超小發散角高功率半導體雷射器外延材料結構，該材料製作的高功率雷射器用作Nd:YAG雷射晶體的泵浦源，可以提高泵浦效率， 並極大地降低雷射晶體的溫升。另外，通過在外延材料的N型限制層中引入光陷阱結構，使 雷射器輸出光束的垂直發散角降低到18°，從而更容易實現與其泵浦器件和光纖高效率耦
I=I O為了實現上述目的，本發明提供一種採用光陷阱超小發散角高功率半導體雷射器 外延材料結構，包括一襯底，該GaAs襯底用於在其上進行雷射器各層材料外延生長；一緩衝層，該緩衝層製作在GaAs襯底上；一 N型下限制層，該N型下限制層製作在緩衝層上；一下漸變光陷阱層，該下漸變光陷阱層製作在N型下限制層上；一上漸變光陷阱層，該上漸變光陷阱層製作在下漸變光陷阱層上；一 N型上限制層，該N型上限制層製作在下漸變光陷阱層上；一 N型漸變波導層，該N型漸變波導層製作在N型下限制層上；一量子阱有源區，該量子阱有源區製作在N型漸變波導層上；一 P型漸變波導層，該P型漸變波導層製作在量子阱有源區上；一 P型限制層，該P型限制層製作在P型漸變波導層上；一電極接觸層，該電極接觸層製作在P型限制層上。其中N型下限制層為N-Ala44Gaa56As材料，N型摻雜濃度為1-2 X 1018cm_3，厚度為 1000-1200nm。 其中下漸變光陷阱層為Ala44Ga0.56As — Al0.32Ga0.68As材料，N型摻雜濃度為 1 X IO17-I X IO1W3,厚度為 540nm。其中上漸變光陷阱層為Ala 32Ga0.68As — Al0.44Ga0.56As材料，N型摻雜濃度為 1 X IO17-I X IO1W3,厚度為 540nm。其中N型上限制層為N-Ala44Gaa56As材料，N型摻雜濃度為1 X IO17-I X 1018cnT3，厚 度為700nm。其中N型漸變波導層為Ala44Gaa56As — Ala23Gaa77As材料，為非故意摻雜，厚度為 80nmo其中量子阱有源區為8nm AlGaInAs/8nm Ala23Gaa77As材料，為非故意摻雜。其中P型漸變波導層為Ala23Gaa77As — Ala44Gaa56As材料，為非故意摻雜。其中P型限制層為P-Ala44Gaa56As材料，厚度為1300-1500nm，P型摻雜濃度為 IXIO17-IXIO1W3O本發明提供的一種採用光陷阱超小發散角高功率半導體雷射器外延材料結構，通 過在N-Ala44Gaa56As限制層中引入兩層鋁組分漸變的540nmAlQ.44Ga(1.56As — Ala32Gaa68As 材料和540nm Ala32Gaa68As — Ala44Gaa56As材料形成光陷阱區，使光場模式向N型材料一 側擴展，從而極大地降低雷射器件的遠場垂直發散角。同時，採用優化的壓應變AlGaInAs/ Ala23Gaa77As量子阱結構，實現激射波長為885nm的雷射。另夕卜，由於AlGaAs材料的現有外 延技術成熟(如低壓金屬有機化學氣相外延技術等)，容易製備出高質量的材料。
以下結合附圖及實施例的詳細描述，進一步說明本發明的結構、特點以及技術上 的改進，其中

圖1是本發明的結構示意圖。圖2是本發明採用光陷阱超小發散角高功率半導體雷射器外延材料結構的折射 率分布曲線A和近場光強分布曲線B。圖3是本發明採用光陷阱超小發散角高功率半導體雷射器外延材料結構的遠場 光強分布曲線。圖4是本發明提出的採用波長885nm雷射源替代808nm雷射源泵浦Nd: YAG雷射 晶體的能級圖。
具體實施例方式請參閱圖1所示，本發明一種採用光陷阱超小發散角高功率半導體雷射器外延材 料結構，其特徵在於，包括一襯底1，該GaAs襯底1用於在其上進行雷射器各層材料外延生長，襯底是(100) 面的N型GaAs材料，Si摻雜濃度為1-2X 1018cnT3，厚度為320-380 u m ；一緩衝層2，該緩衝層2製作在GaAs襯底1上，為N_GaAs材料，Si摻雜濃度為 1-2 X 1018cnT3，厚度為 300-600nm ；— N型下限制層3，該N型下限制層3製作在緩衝層2上，該N型下限制層3為 N-Al0.44Ga0.56As 材料，Si 摻雜濃度為 1-2 X 1018cm_3，厚度為 1000_1200nm ；一下漸變光陷阱層4，該下漸變光陷阱層4製作在N型下限制層3上，該下漸變光陷 阱層 4 為 Ala 44Ga0. 56As — Al0.32Ga0.68As 材料，Si 摻雜濃度為 1X 1017-1X 1018cnT3，厚度為 540nm ；一上漸變光陷阱層5，該上漸變光陷阱層5製作在下漸變光陷阱層4上，該上漸變 光陷阱層 5 為 AlQ.32Gaa68AS — Al0.44Ga0.56As 材料，Si 摻雜濃度為 1 X 1017_1 X 1018cm_3，厚度 為 540nm ；一 N型上限制層6，該N型上限制層6製作在下漸變光陷阱層5上，該N型上限制 層 6 為 N-Al0.44Ga0.56As 材料，Si 摻雜濃度為 1 X 1017-1 X 1018cnT3，厚度為 700nm ；一 N型漸變波導層7，該N型漸變波導層7製作在N型下限制層6上，該N型漸變 波導層7為AlQ.44GaQ.56AS — Al0.23Ga0.77As材料，為非故意摻雜，厚度為80nm ；一量子阱有源區8，該量子阱有源區8製作在N型漸變波導層7上，該量子阱有源 區 8 為 8nm AlGaInAs/8nm Al0.23Ga0.77As 材料，為非故意摻雜；一 P型漸變波導層9，該P型漸變波導層9製作在量子阱有源區8上，該P型漸變 波導層9為Al0.23Ga0.77As — Al0.44Ga0.56As材料，為非故意摻雜；— P型限制層10，該P型限制層10製作在P型漸變波導層9上，該P型限制層10 為 P_Al0.44Ga0.56As 材料，厚度為 1300-1500nm, Zn 摻雜濃度為 1 X 1017-1 X 1018cnT3 ；一電極接觸層11，該電極接觸層11製作在P型限制層10上，為P-GaAs材料，厚度 為 200-300nm，摻 Zn 濃度為 1 X 1018cnT3-l X 1021cnT3，完成製作。本發明提出的外延材料結構可以採用金屬有機化學汽相外延(M0CVD)技術或分 子束外延(MBE)技術等製備。這裡以M0CVD外延技術為例，介紹各個外延層的製備條件和作用。外延工藝過程中，載氣為高純氫氣，III族有機源為三甲基鎵、三甲基銦和三甲基鋁等， V族源為砷烷等，N型摻雜劑為矽烷等，P型摻雜劑為二甲基鋅等，反應室壓力為2000-8000 帕，溫度為550-7500C ο對於襯底1，為低缺陷密度(如小於500/cm2)免清洗GaAs襯底；對於緩衝層2，常用的N型摻雜劑為Si，也可以為其它的N型摻雜劑，其厚度可以 根據不同外延技術需要進行調節；對於N型下限制層3，為N-Ala44Gaa56As材料，其鋁組分需通過有機源流量比精確 控制，否則會導致器件遠場發散角增加；對於下漸變光陷阱層4，為Ala44Gaa56As — Ala32Gaa68As材料，鋁組分從0. 44線性 漸變到0. 32，可以通過氣體流量計的線性漸變實現，其組分和厚度需精確控制，否則會導致 器件遠場發散角增加；對於上漸變光陷阱層5，為Ala32Gaa68As — Ala44Gaa56As材料，鋁組分從0. 32線性 漸變到0. 44，可以通過氣體流量計的線性漸變實現，其組分和厚度需精確控制，否則會導致 器件遠場發散角增加；對於N型上限制層6，為N-Ala44Gaa 56As材料，其鋁組分和厚度需精確控制，否則會 影響器件遠場發散角；對於N型漸變波導層7，為Ala44Gaa56As — Ala23Gaa77As材料，可以通過氣體流量 計的線性漸變實現，其組分和厚度需精確控制，否則會影響器件的光電特性；對於量子阱有源區8，為8nm AlGaInAs/8nm Ala23Gaa77As材料，其應變量和厚度需 精確控制，否則會影響器件的波長和其它光電特性；對於P型漸變波導層9，為Ala23Gaa77As — Ala44Gaa56As材料，可以通過氣體流量 計的線性漸變實現，其組分和厚度需精確控制，否則會影響器件的光電特性；對於P型限制層10，為P-Ala44Gaa56As材料，常用的P型摻雜劑為Zn，也可以為其 它的P型摻雜劑，其鋁組分需精確控制，否則會導致器件遠場發散角增加，其厚度和摻雜濃 度分布可適當改變，以同時得到低熱阻和低電阻，提高器件的電光轉換效率；對於電極接觸層11，為P-GaAs材料，厚度和摻雜濃度可適當改變，以得到良好的 歐姆接觸，降低器件的開啟電壓和工作電壓。圖2為採用光陷阱的885nm超小發散角高功率半導體雷射器外延材料的折射率分 布曲線A和近場光強分布曲線B。近場光強分布曲線B為根據外延材料的一維平板波導模 型計算得到理論結果。由近場光強分布曲線B可以看到，一部分光場被束縛在光陷阱區，且 光場向N型限制層擴展。圖3為與圖2中近場光強分布曲線B對應的器件遠場光強分布曲線。通過光陷阱 結構對有源區光場的擴展作用，可以使垂直遠場發散角降低到18度。相對於傳統器件結 構，極大地降低了器件的垂直遠場發散角。圖4為Nd: YAG雷射晶體的能級圖。採用波長808nm雷射源作為泵浦源時為4能 級雷射系統，885nm雷射源作為泵浦源時為3能級雷射系統。應用885nm雷射源代替808nm 雷射源，減少了從上能級泵浦帶躍遷到亞穩態產生的熱量，從而降低雷射晶體的溫升。以上所述僅為本發明的較佳實施例，並非用以限定本發明的發明內容；同時以上 的描述，對於熟知本技術領域的專門人士應可明了及實施，因此其它未脫離本發明所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含在權利要求範圍中。
權利要求
一種採用光陷阱超小發散角高功率半導體雷射器外延材料結構，其特徵在於，包括一襯底，該GaAs襯底用於在其上進行雷射器各層材料外延生長；一緩衝層，該緩衝層製作在GaAs襯底上；一N型下限制層，該N型下限制層製作在緩衝層上；一下漸變光陷阱層，該下漸變光陷阱層製作在N型下限制層上；一上漸變光陷阱層，該上漸變光陷阱層製作在下漸變光陷阱層上；一N型上限制層，該N型上限制層製作在下漸變光陷阱層上；一N型漸變波導層，該N型漸變波導層製作在N型下限制層上；一量子阱有源區，該量子阱有源區製作在N型漸變波導層上；一P型漸變波導層，該P型漸變波導層製作在量子阱有源區上；一P型限制層，該P型限制層製作在P型漸變波導層上；一電極接觸層，該電極接觸層製作在P型限制層上。
2.根據權利要求1所述的採用光陷阱超小發散角高功率半導體雷射器外延材料 結構，其中N型下限制層為N-Ala44Gaa56As材料，N型摻雜濃度為1_2X 1018cm_3，厚度為 1000-1200nm。
3.根據權利要求1所述的採用光陷阱超小發散角高功率半導體雷射器外延材 料結構，其中下漸變光陷阱層為Ala 44Ga0. 56As — Al0.32Ga0.68As材料，N型摻雜濃度為 1 X IO17-I X IO1W3,厚度為 540nm。
4.根據權利要求1所述的採用光陷阱超小發散角高功率半導體雷射器外延材 料結構，其中上漸變光陷阱層為Ala 32Ga0. 68As — Al0.44Ga0.56As材料，N型摻雜濃度為 1 X IO17-I X IO1W3,厚度為 540nm。
5.根據權利要求1所述的採用光陷阱超小發散角高功率半導體雷射器外延材料結 構，其中N型上限制層為N-Ala44Gaa56As材料，N型摻雜濃度為1 X IO17-I X 1018cm_3，厚度為 700nmo
6.根據權利要求1所述的採用光陷阱超小發散角高功率半導體雷射器外延材料結構， 其中N型漸變波導層為Ala44Gaa56As — Ala23Gaa77As材料，為非故意摻雜，厚度為80nm。
7.根據權利要求1所述的採用光陷阱超小發散角高功率半導體雷射器外延材料結構， 其中量子阱有源區為8nm AlGaInAs/8nm Ala23Gaa77As材料，為非故意摻雜。
8.根據權利要求1所述的採用光陷阱超小發散角高功率半導體雷射器外延材料結構， 其中P型漸變波導層為Ala23Gaa77As — Ala44Gaa56As材料，為非故意摻雜。
9.根據權利要求1所述的採用光陷阱超小發散角高功率半導體雷射器外延材料 結構，其中P型限制層為P-Ala44Ga0. 56As材料，厚度為1300-1500nm, P型摻雜濃度為 IXIO17-IXIO1W3O
全文摘要
一種採用光陷阱超小發散角高功率半導體雷射器外延材料結構，包括一襯底，用於在其上進行雷射器各層材料外延生長；一緩衝層，製作在GaAs襯底上；一N型下限制層，製作在緩衝層上；一下漸變光陷阱層，製作在N型下限制層上；一上漸變光陷阱層，製作在下漸變光陷阱層上；一N型上限制層，製作在下漸變光陷阱層上；一N型漸變波導層，製作在N型下限制層上；一量子阱有源區，製作在N型漸變波導層上；一P型漸變波導層，製作在量子阱有源區上；一P型限制層，製作在P型漸變波導層上；一電極接觸層，製作在P型限制層上。
文檔編號H01S5/343GK101888056SQ20091008403
公開日2010年11月17日 申請日期2009年5月13日 優先權日2009年5月13日
發明者仲莉, 馮小明, 劉媛媛, 劉素平, 崇鋒, 熊聰, 王俊, 王翠鸞, 白一鳴, 韓淋, 馬驍宇 申請人:中國科學院半導體研究所