CN101159366A

CN101159366A - 反波导大光学腔半导体激光器

Info

Publication number: CN101159366A
Application number: CNA2007101538238A
Authority: CN
Inventors: 薄报学; 高欣; 王玉霞; 李辉; 卢鹏; 乔忠良; 曲轶
Original assignee: Changchun University of Science and Technology
Current assignee: Changchun University of Science and Technology
Priority date: 2007-09-12
Filing date: 2007-09-12
Publication date: 2008-04-09

Abstract

反波导大光学腔半导体激光器属于半导体光电子器件技术领域。该领域已知技术难以有效降低激光器波导的光学限制因子，增加有效波导宽度，从而提高输出功率，同时使器件的阈值电流保持在较低水平。本发明之反波导大光学腔半导体激光器的波导层采用反向线性渐变折射率结构，有效降低激光器波导的光学限制因子，增加有效波导宽度，采用多量子阱有源层使得器件具有较低的阈值电流。该技术方案可应用于各类大功率半导体激光光源的制造。

Description

反波导大光学腔半导体激光器

技术领域

本发明涉及一种大光学腔半导体激光器，属于半导体光电子器件技术领域。

背景技术

大光学腔半导体激光器具有宽波导结构，降低了波导的功率密度，提高了半导体激光器的输出功率。现有大光学腔半导体激光器其波导结构主要有均匀折射率分布结构、正向线性渐变折射率结构及正向台阶状折射率分布结构。2001年5月15日出版的Optics Communications第192期第69～75页对具有均匀折射率分布结构波导的大光学腔半导体激光器做了介绍；1991年4月出版的IEEE Photonics Technology Letters第3卷第4期第308～310页对具有正向线性渐变折射率结构波导的大光学腔半导体激光器做了报道，见图1所示，所述的激光器的外延结构包括衬底1、上下两层对称的限制层2、上下两层对称的波导层3、多个量子阱有源层4及欧姆接触层5，波导层3的折射率n自量子阱有源层4至限制层2呈现正向线性渐变，或者说逐渐减小；2003年11月出版的IEEE Photonics Technology Letters第15卷第11期第1507～1509页对具有正向台阶状折射率分布结构波导的大光学腔半导体激光器做了报道。

发明内容

波导结构相同，有效波导宽度增加，激光器输出功率增加；散热改善，寿命延长，从而可靠性提高。因此，为了提高现有大光学腔半导体激光器的输出功率和可靠性，我们发明了一种反波导大光学腔半导体激光器。

本发明是这样实现的，见图2所示，反波导大光学腔半导体激光器的外延结构包括衬底1、限制层2、波导层3、量子阱有源层4及欧姆接触层5。波导层3分上、下两层，材料组分反向线性渐变，波导层3结构为反向线性渐变折射率结构，靠近量子阱有源层4处的折射率较小，随着向限制层2的靠近，折射率逐渐增大。

本发明的技术效果在于，具有反向线性渐变折射率结构的波导层3使得激光器波导模场向量子阱有源层4以外产生较大扩展，波导模场体积变大，激光器的光学限制因子变小，根据波导理论计算，本发明的一个具体方案其激光器的光学限制因子为2.2％，而现有具有均匀折射率分布结构波导(取线性渐变波导的平均组分)的激光器的光学限制因子为3.4％，而现有的具有正向线性渐变折射率结构波导的激光器的光学限制因子为4.2％，因此，本发明之激光器的波导宽度得到明显增加，有效发光尺寸增加，激光器工作时的腔面光功率密度减小，激光器的最大光功率输出从而得到有效提高，提高幅度达50％；量子阱有源层4的光功率密度减小，有源区在大注入条件下的载流子空间烧孔现象减轻，激光器的电光转换效率得到提高，从而激光器的光束质量得到改善。

具体实施方式

如图2所示，反波导大光学腔半导体激光器外延结构包括衬底1、限制层2、波导层3、量子阱有源层4及欧姆接触层5。衬底1为激光器外延生长的基底；限制层2分上、下两层，材料组分均匀，厚度为0.7～1.5微米，其作用是激光器波导的光学限制和波导层3内注入载流子的溢出限制；波导层3分上、下两层，材料组分反向线性渐变，波导层3结构为反向线性渐变折射率结构，靠近量子阱有源层4处的折射率较小，随着向限制层2的靠近，折射率逐渐增大，波导层3厚度为0.1～0.6微米，其作用是限制量子阱有源层4内注入载流子的溢出和改善激光器波导的性能；量子阱有源层4为激光器发光区，材料组分均匀，根据激光器的阈值，量子阱数量为1～4个，单个量子阱的厚度为7～20纳米，多量子阱有源层可优化激光器的阈值电流水平，使激光器具有较低的激射阈值。采用半导体薄膜晶体材料的外延生长方法如分子束外延(MBE)或者金属有机化合物气相沉积(MOCVD)依次生长激光器外延结构所包含的限制层2、波导层3、量子阱有源层4及欧姆接触层5。

下面结合实例说明本发明，衬底1为(100)取向、Si掺杂浓度1～2×10¹⁸cm^-3的GaAs晶体材料；限制层2(下)为厚度0.8微米、Si掺杂浓度1×10¹⁸cm^-3的N型Al_0.55Ga_0.45As晶体薄膜；波导层3(下)为厚度0.4微米、非有意掺杂的线性渐变组分Al_0.19～0.35Ga_0.81～0.65As晶体薄膜，Al、Ga组分含量线性渐变，使得该波导层具有反向线性渐变折射率结构；量子阱有源层4包括单层厚度为8纳米的两个Al_0.07Ga_0.93As量子阱及位于其中的厚度为12纳米的Al_0.35Ga_0.65As势垒层；波导层3(上)为厚度0.4微米、非有意掺杂的线性渐变组分Al_0.35-0.19Ga_0.65-0.81As晶体薄膜，Al、Ga组分含量线性渐变，使得该波导层具有反向线性渐变折射率结构；限制层2(上)为厚度0.8微米、Be掺杂浓度1×10¹⁸cm^-3的P型Al_0.55Ga_0.45As晶体薄膜；欧姆接触层5为厚度0.15微米、Be掺杂浓度2×10¹⁹cm^-3的P型GaAs晶体薄膜。具有上述结构的激光器的光学限制因子为2.2％，因此，本发明之激光器的波导宽度得到明显增加。采用MBE方法，在(100)取向、Si掺杂浓度1～2×10¹⁸cm^-3的GaAs衬底1上依次生长：

厚度0.8微米、Si掺杂浓度1×10¹⁸cm^-3的N型Al_0.55Ga_0.45As限制层2(下)；

厚度0.4微米、非有意掺杂的线性渐变组分Al_0.19～0.35Ga_0.81～0.65As波导层3(下)；

厚度8纳米Al_0.07Ga_0.93As量子阱；

厚度12纳米的Al_0.35Ga_0.65As势垒层；

厚度8纳米Al_0.07Ga_0.93As量子阱；

厚度0.4微米、非有意掺杂的线性渐变组分Al_0.35-0.19Ga_0.65-0.81As波导层3(上)；

厚度0.8微米、Be掺杂浓度1×10¹⁸cm^-3的P型Al_0.55Ga_0.45As限制层2(上)；

厚度0.15微米、Be掺杂浓度2×10¹⁹cm^-3的P型GaAs欧姆接触层5。

附图说明

图1是现有具有正向线性渐变折射率结构波导的大光学腔半导体激光器外延结构及波导层的折射率自量子阱有源层至限制层呈现正向线性渐变情况示意图。图2是本发明之反波导大光学腔半导体激光器外延结构及波导层折射率变化情况示意图。

Claims

1.一种反波导大光学腔半导体激光器，其外延结构包括衬底(1)、限制层(2)、波导层(3)、量子阱有源层(4)及欧姆接触层(5)，波导层(3)分上、下两层，其特征在于，波导层(3)材料组分反向线性渐变，波导层(3)结构为反向线性渐变折射率结构，靠近量子阱有源层(4)处的折射率较小，随着向限制层(2)的靠近，折射率逐渐增大。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，限制层(2)分上、下两层，材料组分均匀，厚度为0.7～1.5微米。

3.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，波导层(3)厚度为0.1～0.6微米。

4.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，量子阱有源层(4)材料组分均匀，量子阱数量为1～4个，单个量子阱的厚度为7～20纳米。