專利名稱：采用光陷阱超小發(fā)散角高功率半導(dǎo)體激光器外延材料結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高功率半導(dǎo)體激光器的外延材料結(jié)構(gòu)，特別是涉及一種能夠提高 全固態(tài)激光器泵浦效率且具有極低光束垂直發(fā)散角的波長885nm高功率半導(dǎo)體激光器的 外延材料結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
高功率半導(dǎo)體激光器具有電光效率高、體積小、重量輕和壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因而 在工業(yè)、軍事、航空、醫(yī)療和空間通信等領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。特別是近年來，波長范圍 800nm-980nm的高功率半導(dǎo)體激光器及其列陣已成為高能固體激光器和光纖激光器所必需 的泵浦光源。對于全固態(tài)激光器而言，其高功率和高光束質(zhì)量的最主要限制來源于其泵浦過程 中產(chǎn)生的巨大無用熱量。對這些熱量的處理形成了對全固態(tài)激光器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱管理技術(shù) 的最大挑戰(zhàn)。對于最成熟的Nd:YAG材料全固態(tài)激光器而言，目前主要采用波長808nm的高 功率半導(dǎo)體激光器列陣作為泵浦光源。但是，最近的研究結(jié)果表明，采用波長885nm的激光 泵浦源能夠顯著地減少產(chǎn)生的無用熱量，使泵浦效率增加20%以上。(由固態(tài)激光器的波 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，即采用808nm泵浦源產(chǎn)生的熱量是885nm泵浦源的1. 6 倍，因而，采用885nm泵浦源可以極大地降低Nd YAG激光晶體的溫升。另外，對于端面泵浦結(jié)構(gòu)全固態(tài)激光器和光纖激光器而言，要求半導(dǎo)體激光泵浦 源的輸出光束盡量對稱。目前普通波導(dǎo)結(jié)構(gòu)高功率半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場垂直發(fā)散角和平行 發(fā)散角相差太大，典型數(shù)值為40° (垂直發(fā)散角，e ±)xio° (平行發(fā)散角，e〃)，因而器 件光斑的對稱性極差，不利于激光光束與被泵浦器件的高效耦合。目前，主要的國際半導(dǎo)體激光器公司均開始研制高功率波長885nm的半導(dǎo)體激光 器產(chǎn)品。但只有少數(shù)幾家，如nLIGHT公司、COHERENT公司和INTENSE公司等可以提供瓦級 885nm的激光二極管單管，且遠(yuǎn)場垂直發(fā)散角為38° -40°范圍。為了改善高功率半導(dǎo)體激光器的光束質(zhì)量，我們提出一種帶有光陷阱結(jié)構(gòu)的新型 光波導(dǎo)激光材料減小遠(yuǎn)場垂直發(fā)散角的技術(shù)方案。這種方案的主要原理為在普通半導(dǎo) 體激光器材料的N型限制層或波導(dǎo)層中引入部分低折射率光陷阱區(qū)，通過適當(dāng)?shù)耐庋訉咏M 分、厚度等參數(shù)調(diào)節(jié)，將激光器有源區(qū)的光場適當(dāng)?shù)伛詈系焦庀葳鍏^(qū)附近。這樣，激光器有 源區(qū)的光場可以在N型波導(dǎo)一側(cè)得到適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展，從而有效降低垂直發(fā)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(fā)散角 典型值達(dá)到18° (0 ±)，光束對稱性提高一倍，也相應(yīng)提高了輸出功率。從而，更容易實(shí)現(xiàn) 與其它泵浦器件、光纖高效率耦合或光束整形等直接應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種采用光陷阱超小發(fā)散角高功率半導(dǎo)體激光器外延材料結(jié)構(gòu)，該材料制作的高功率激光器用作Nd:YAG激光晶體的泵浦源，可以提高泵浦效率， 并極大地降低激光晶體的溫升。另外，通過在外延材料的N型限制層中引入光陷阱結(jié)構(gòu)，使 激光器輸出光束的垂直發(fā)散角降低到18°，從而更容易實(shí)現(xiàn)與其泵浦器件和光纖高效率耦
I=I O為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種采用光陷阱超小發(fā)散角高功率半導(dǎo)體激光器 外延材料結(jié)構(gòu)，包括一襯底，該GaAs襯底用于在其上進(jìn)行激光器各層材料外延生長；一緩沖層，該緩沖層制作在GaAs襯底上；一 N型下限制層，該N型下限制層制作在緩沖層上；一下漸變光陷阱層，該下漸變光陷阱層制作在N型下限制層上；一上漸變光陷阱層，該上漸變光陷阱層制作在下漸變光陷阱層上；一 N型上限制層，該N型上限制層制作在下漸變光陷阱層上；一 N型漸變波導(dǎo)層，該N型漸變波導(dǎo)層制作在N型下限制層上；一量子阱有源區(qū)，該量子阱有源區(qū)制作在N型漸變波導(dǎo)層上；一 P型漸變波導(dǎo)層，該P(yáng)型漸變波導(dǎo)層制作在量子阱有源區(qū)上；一 P型限制層，該P(yáng)型限制層制作在P型漸變波導(dǎo)層上；一電極接觸層，該電極接觸層制作在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(dǎo)層為Ala44Gaa56As — Ala23Gaa77As材料，為非故意摻雜，厚度為 80nmo其中量子阱有源區(qū)為8nm AlGaInAs/8nm Ala23Gaa77As材料，為非故意摻雜。其中P型漸變波導(dǎo)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(fā)明提供的一種采用光陷阱超小發(fā)散角高功率半導(dǎo)體激光器外延材料結(jié)構(gòu)，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(qū)，使光場模式向N型材料一 側(cè)擴(kuò)展，從而極大地降低激光器件的遠(yuǎn)場垂直發(fā)散角。同時(shí)，采用優(yōu)化的壓應(yīng)變AlGaInAs/ Ala23Gaa77As量子阱結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)激射波長為885nm的激光。另夕卜，由于AlGaAs材料的現(xiàn)有外 延技術(shù)成熟(如低壓金屬有機(jī)化學(xué)氣相外延技術(shù)等)，容易制備出高質(zhì)量的材料。
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例的詳細(xì)描述，進(jìn)一步說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)以及技術(shù)上 的改進(jìn)，其中

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明采用光陷阱超小發(fā)散角高功率半導(dǎo)體激光器外延材料結(jié)構(gòu)的折射 率分布曲線A和近場光強(qiáng)分布曲線B。圖3是本發(fā)明采用光陷阱超小發(fā)散角高功率半導(dǎo)體激光器外延材料結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)場 光強(qiáng)分布曲線。圖4是本發(fā)明提出的采用波長885nm激光源替代808nm激光源泵浦Nd: YAG激光 晶體的能級圖。
具體實(shí)施例方式請參閱圖1所示，本發(fā)明一種采用光陷阱超小發(fā)散角高功率半導(dǎo)體激光器外延材 料結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括一襯底1，該GaAs襯底1用于在其上進(jìn)行激光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 ；一緩沖層2，該緩沖層2制作在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制作在緩沖層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制作在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制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制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(dǎo)層7，該N型漸變波導(dǎo)層7制作在N型下限制層6上，該N型漸變 波導(dǎo)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(qū)8，該量子阱有源區(qū)8制作在N型漸變波導(dǎo)層7上，該量子阱有源 區(qū) 8 為 8nm AlGaInAs/8nm Al0.23Ga0.77As 材料，為非故意摻雜；一 P型漸變波導(dǎo)層9，該P(yáng)型漸變波導(dǎo)層9制作在量子阱有源區(qū)8上，該P(yáng)型漸變 波導(dǎo)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(yáng)型限制層10制作在P型漸變波導(dǎo)層9上，該P(yáng)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制作在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，完成制作。本發(fā)明提出的外延材料結(jié)構(gòu)可以采用金屬有機(jī)化學(xué)汽相外延(M0CVD)技術(shù)或分 子束外延(MBE)技術(shù)等制備。這里以M0CVD外延技術(shù)為例，介紹各個(gè)外延層的制備條件和作用。外延工藝過程中，載氣為高純氫氣，III族有機(jī)源為三甲基鎵、三甲基銦和三甲基鋁等， V族源為砷烷等，N型摻雜劑為硅烷等，P型摻雜劑為二甲基鋅等，反應(yīng)室壓力為2000-8000 帕，溫度為550-7500C ο對于襯底1，為低缺陷密度(如小于500/cm2)免清洗GaAs襯底；對于緩沖層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(jù)不同外延技術(shù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)；對于N型下限制層3，為N-Ala44Gaa56As材料，其鋁組分需通過有機(jī)源流量比精確 控制，否則會導(dǎo)致器件遠(yuǎn)場發(fā)散角增加；對于下漸變光陷阱層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(jì)的線性漸變實(shí)現(xiàn)，其組分和厚度需精確控制，否則會導(dǎo)致 器件遠(yuǎn)場發(fā)散角增加；對于上漸變光陷阱層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(jì)的線性漸變實(shí)現(xiàn)，其組分和厚度需精確控制，否則會導(dǎo)致 器件遠(yuǎn)場發(fā)散角增加；對于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(yuǎn)場發(fā)散角；對于N型漸變波導(dǎo)層7，為Ala44Gaa56As — Ala23Gaa77As材料，可以通過氣體流量 計(jì)的線性漸變實(shí)現(xiàn)，其組分和厚度需精確控制，否則會影響器件的光電特性；對于量子阱有源區(qū)8，為8nm AlGaInAs/8nm Ala23Gaa77As材料，其應(yīng)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；對于P型漸變波導(dǎo)層9，為Ala23Gaa77As — Ala44Gaa56As材料，可以通過氣體流量 計(jì)的線性漸變實(shí)現(xiàn)，其組分和厚度需精確控制，否則會影響器件的光電特性；對于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(dǎo)致器件遠(yuǎn)場發(fā)散角增加，其厚度和摻雜濃 度分布可適當(dāng)改變，以同時(shí)得到低熱阻和低電阻，提高器件的電光轉(zhuǎn)換效率；對于電極接觸層11，為P-GaAs材料，厚度和摻雜濃度可適當(dāng)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為采用光陷阱的885nm超小發(fā)散角高功率半導(dǎo)體激光器外延材料的折射率分 布曲線A和近場光強(qiáng)分布曲線B。近場光強(qiáng)分布曲線B為根據(jù)外延材料的一維平板波導(dǎo)模 型計(jì)算得到理論結(jié)果。由近場光強(qiáng)分布曲線B可以看到，一部分光場被束縛在光陷阱區(qū)，且 光場向N型限制層擴(kuò)展。圖3為與圖2中近場光強(qiáng)分布曲線B對應(yīng)的器件遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布曲線。通過光陷阱 結(jié)構(gòu)對有源區(qū)光場的擴(kuò)展作用，可以使垂直遠(yuǎn)場發(fā)散角降低到18度。相對于傳統(tǒng)器件結(jié) 構(gòu)，極大地降低了器件的垂直遠(yuǎn)場發(fā)散角。圖4為Nd: YAG激光晶體的能級圖。采用波長808nm激光源作為泵浦源時(shí)為4能 級激光系統(tǒng)，885nm激光源作為泵浦源時(shí)為3能級激光系統(tǒng)。應(yīng)用885nm激光源代替808nm 激光源，減少了從上能級泵浦帶躍遷到亞穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生的熱量，從而降低激光晶體的溫升。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非用以限定本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容；同時(shí)以上 的描述，對于熟知本技術(shù)領(lǐng)域的專門人士應(yīng)可明了及實(shí)施，因此其它未脫離本發(fā)明所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾，均應(yīng)包含在權(quán)利要求范圍中。
權(quán)利要求
一種采用光陷阱超小發(fā)散角高功率半導(dǎo)體激光器外延材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括一襯底，該GaAs襯底用于在其上進(jìn)行激光器各層材料外延生長；一緩沖層，該緩沖層制作在GaAs襯底上；一N型下限制層，該N型下限制層制作在緩沖層上；一下漸變光陷阱層，該下漸變光陷阱層制作在N型下限制層上；一上漸變光陷阱層，該上漸變光陷阱層制作在下漸變光陷阱層上；一N型上限制層，該N型上限制層制作在下漸變光陷阱層上；一N型漸變波導(dǎo)層，該N型漸變波導(dǎo)層制作在N型下限制層上；一量子阱有源區(qū)，該量子阱有源區(qū)制作在N型漸變波導(dǎo)層上；一P型漸變波導(dǎo)層，該P(yáng)型漸變波導(dǎo)層制作在量子阱有源區(qū)上；一P型限制層，該P(yáng)型限制層制作在P型漸變波導(dǎo)層上；一電極接觸層，該電極接觸層制作在P型限制層上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用光陷阱超小發(fā)散角高功率半導(dǎo)體激光器外延材料 結(jié)構(gòu)，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(jù)權(quán)利要求1所述的采用光陷阱超小發(fā)散角高功率半導(dǎo)體激光器外延材 料結(jié)構(gòu)，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(jù)權(quán)利要求1所述的采用光陷阱超小發(fā)散角高功率半導(dǎo)體激光器外延材 料結(jié)構(gòu)，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(jù)權(quán)利要求1所述的采用光陷阱超小發(fā)散角高功率半導(dǎo)體激光器外延材料結(jié) 構(gòu)，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(jù)權(quán)利要求1所述的采用光陷阱超小發(fā)散角高功率半導(dǎo)體激光器外延材料結(jié)構(gòu)， 其中N型漸變波導(dǎo)層為Ala44Gaa56As — Ala23Gaa77As材料，為非故意摻雜，厚度為80nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用光陷阱超小發(fā)散角高功率半導(dǎo)體激光器外延材料結(jié)構(gòu)， 其中量子阱有源區(qū)為8nm AlGaInAs/8nm Ala23Gaa77As材料，為非故意摻雜。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用光陷阱超小發(fā)散角高功率半導(dǎo)體激光器外延材料結(jié)構(gòu)， 其中P型漸變波導(dǎo)層為Ala23Gaa77As — Ala44Gaa56As材料，為非故意摻雜。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用光陷阱超小發(fā)散角高功率半導(dǎo)體激光器外延材料 結(jié)構(gòu)，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
一種采用光陷阱超小發(fā)散角高功率半導(dǎo)體激光器外延材料結(jié)構(gòu)，包括一襯底，用于在其上進(jìn)行激光器各層材料外延生長；一緩沖層，制作在GaAs襯底上；一N型下限制層，制作在緩沖層上；一下漸變光陷阱層，制作在N型下限制層上；一上漸變光陷阱層，制作在下漸變光陷阱層上；一N型上限制層，制作在下漸變光陷阱層上；一N型漸變波導(dǎo)層，制作在N型下限制層上；一量子阱有源區(qū)，制作在N型漸變波導(dǎo)層上；一P型漸變波導(dǎo)層，制作在量子阱有源區(qū)上；一P型限制層，制作在P型漸變波導(dǎo)層上；一電極接觸層，制作在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(yōu)先權(quán)日2009年5月13日
發(fā)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(xué)院半導(dǎo)體研究所