CN101764355A

CN101764355A - 940nm～1000nm波段半导体激光器量子阱外延结构

Info

Publication number: CN101764355A
Application number: CN201010033391A
Authority: CN
Inventors: 陈宏泰; 林琳; 车相辉; 王晶; 徐会武; 杨红伟; 安振峰
Original assignee: CETC 13 Research Institute
Current assignee: CETC 13 Research Institute
Priority date: 2010-01-19
Filing date: 2010-01-19
Publication date: 2010-06-30

Abstract

本发明公开了一种半导体激光器量子阱外延结构，尤其是一种940nm～1000nm波段的高效率半导体激光器的量子阱外延结构，结构中包括衬底、依次沉积在衬底上的缓冲层、下限制层、下波导层、量子阱层、上波导层、上限制层、电极接触层，其中：上波导层和下波导层为Al_xGaAs，x＝0.13～0.2；上限制层和下限制层为Al_yGaAs，y＝0.3～0.39。该结构通过优化量子阱外延结构中波导层和限制层的Al含量，解决了半导体激光器的工作电压高、光电转换效率低的问题，达到了降低工作电压，提高光电转换效率的目的。

Description

940nm～1000nm波段半导体激光器量子阱外延结构

技术领域

本发明涉及半导体激光器领域，尤其是一种940nm～1000nm波段的低开启电压高效率半导体激光器的量子阱外延结构。

背景技术

近年来，大功率半导体激光器的有源区几乎都采用应变量子阱结构，这是因为应变效应和量子尺寸效应使得半导体激光器价带的有效质量减小，态密度降低，以获得较低的阈值电流密度，从而提高了激光器的工作特性。半导体激光器发展至今，阈值电流密度从1000A/cm²降低到100A/cm²以下，波长从红外发展到远红外和可见光，输出功率不断提高，单管输出功率从几百毫瓦发展到几瓦，性能得到改善。

半导体激光器在固体激光器泵浦、激光医疗、激光加工、激光显示以及军事应用等领域得到了越来越广泛的应用。在固体激光器的应用中，小型化很重要，因此提高电光转换效率、减少废热，减轻固态激光器在热管理方面的负担变得越来越重要。一般认为限制激光器效率的关键因素是额外电压降、电子-空穴对丢失和光子丢失等因素。额外电压降来自载流子从激光器顶部和底部注入，要穿越所有异质壁垒所产生的电压降。

为了解决电光转换效率低的问题，减少“无益电压”，也就是减少额外电压降来提高半导体激光器的电光转换效率，研究了用各种不同材料制备的量子阱半导体激光器的性能，如：InGaAs/GaAs、InGaAs/AlInGaAs、InGaAs/InGaAsP、AlGaAs/AlInGaAs等等，但是都未取得令人满意的结果。目前，常用的940nm～1000nm波段的半导体激光器中，上波导层和下波导层为Al_0.35GaAs，上限制层和下限制层为Al_0.5GaAs，工作电压为1.85V，开启电压1.59V，转换效率仅为50％左右，电压高效率低。因此迫切需要优化半导体激光器结构设计来降低激光器的工作电压，提高激光器的效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种940nm～1000nm波段半导体激光器量子阱外延结构，该结构通过优化量子阱外延结构中波导层和限制层的Al含量，解决了半导体激光器的工作电压高、光电转换效率低的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种940nm～1000nm波段半导体激光器量子阱外延结构，其结构中包括衬底、依次沉积在衬底上的缓冲层、下限制层、下波导层、量子阱层、上波导层、上限制层、电极接触层，其中：上波导层和下波导层为Al_xGaAs，其中x＝0.13～0.2；上限制层和下限制层为Al_yGaAs，其中y＝0.3～0.39。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：通过优化波导层的Al组分，使得量子阱与波导势垒之间的能阶变小，费米能级的弯曲幅度变小，使得额外电压降低，从而使开启电压降低；通过优化限制层的Al组分，减少了载流子穿越所有异质壁垒产生的电压降，使得额外电压降低，开启电压和工作电压降低，达到提高电光转换效率的目的；同时，这种设计增加了波导层和限制层的带阶，能够有效阻碍导带电子或价带空穴向限制层的扩散和漂移，从而减小器件的漏电流，提高电流注入效率，从而提高电光转换效率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明提出的940nm～1000nm波段半导体激光器量子阱外延结构的示意图；

图2是限制层和波导层中不同Al组分激光器的电压V-电流密度J特性比较图；

图3是限制层和波导层中不同Al组分激光器的电光转换效率η-电流密度J特性比较图；

其中，1衬底，2缓冲层，3下限制层，4下波导层，5量子阱层，6上波导层，7上限制层，8电极接触层。

具体实施方式

参阅图1，本发明提供的940nm～1000nm波段半导体激光器量子阱外延结构包括：衬底1、依次沉积在衬底1上的缓冲层2、下限制层3、下波导层4、量子阱层5、上波导层6、上限制层7、电极接触层8，其中：上波导层6和下波导层4为Al_xGaAs，x＝0.13～0.2；上限制层7和下限制层3为Al_yGaAs，y＝0.3～0.39。

衬底1：衬底1用于在其上进行半导体激光器各层材料外延生长，本发明中衬底1是(100)面的N型砷化镓，这样能够有利于电子的注入，减小衬底1材料的串联电阻。

缓冲层2：缓冲层2制作在衬底1上，为N型砷化镓材料，其目的是形成高质量的外延表面，减小衬底与其它各层的应力，消除衬底的缺陷向其它各层的传播，以利于器件其它各层材料的生长。

下限制层3：下限制层3制作在缓冲层2上，为高掺杂的N型铝镓砷材料，其目的是限制光场横模向缓冲层2和衬底1的扩展，减小光的损耗，也是限制载流子的扩散，减小空穴漏电流，以降低器件的阈值电流，同时降低势垒，减小电压亏损，提高效率。

下波导层4：下波导层4制作在下限制层3上，为轻掺杂的N型铝镓砷材料，其目的是加强对光场的限制，减小光束的远场发散角，提高器件的光束质量，采用轻掺杂是为了减少该层对光的吸收损耗，同时使量子阱层5与下波导层4势垒之间的能阶变小，费米能级的弯曲幅度变小，额外电压降减小。

量子阱层5：量子阱层5制作在下波导层4上，为非掺杂的铟镓砷材料，其作用是作为激光器的有源区，提供足够的光增益，并决定器件的激射波长以及器件的使用寿命。

上波导层6：上波导层6制作在量子阱层5上，为轻掺杂的P型铝镓砷材料，上波导层6的作用是加强对光场的限制，减小光束的远场发散角，提高器件的光束质量，采用轻掺杂是为了减少上波导层6对光的吸收损耗，同时使量子阱层5与上波导层6势垒之间的能阶变小，费米能级的弯曲幅度变小，额外电压降减小。

上限制层7：上限制层7制作在上波导层6上，为高掺杂的P型铝镓砷材料，其优点是增加了上波导层6和上限制层7的带阶，能够有效阻碍电子向上限制层7的扩散和漂移，从而减小电子的漏电流，以降低器件的阈值电流，提高注入效率，而且限制光场横模向该上限制层7的扩展，减小光的损耗，也是降低势垒，减小电压亏损，提高效率。

电极接触层8：电极接触层8制作在上限制层7上，为重掺杂的P型砷化镓材料，其目的是实现良好的欧姆接触，采用重掺杂是为了减小串联电阻，提高器件的转换效率。

参见图2和图3可知，本发明明显降低了940nm～1000nm波段半导体激光器的开启电压及工作电压，半导体激光器电光转换效率从50％提高到了67％。由此可知，本发明提供的半导体激光器外延结构在不增加工艺步骤的基础上能够有效提高电光转换效率。

Claims

1.一种940nm～1000nm波段半导体激光器量子阱外延结构，其结构中包括衬底(1)、依次沉积在衬底上的缓冲层(2)、下限制层(3)、下波导层(4)、量子阱层(5)、上波导层(6)、上限制层(7)、电极接触层(8)，其特征在于：上波导层(6)和下波导层(4)为Al_xGaAs，其中x＝0.13～0.2；上限制层(7)和下限制层(3)为Al_yGaAs，其中y＝0.3～0.39。

2.根据权利要求1所述的940nm～1000nm波段半导体激光器量子阱外延结构，其特征在于所述衬底(1)和缓冲层(2)均为N型砷化镓材料。

3.根据权利要求1所述的940nm～1000nm波段半导体激光器量子阱外延结构，其特征在于所述为下限制层(3)为N型铝镓砷材料。

4.根据权利要求1所述的940nm～1000nm波段半导体激光器量子阱外延结构，其特征在于所述下波导层(4)和上波导层(6)为铝镓砷材料。

5.根据权利要求1所述的940nm～1000nm波段半导体激光器量子阱外延结构，其特征在于所述量子阱层(5)为铟镓砷材料。

6.根据权利要求1所述的940nm～1000nm波段半导体激光器量子阱外延结构，其特征在于所述上限制层(7)为P型铝镓砷材料。

7.根据权利要求1所述的940nm～1000nm波段半导体激光器量子阱外延结构，其特征在于所述电极接触层(8)为P型砷化镓材料。