CN102801108B - 多量子阱半导体激光器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多量子阱半导体激光器及其制备方法，以提高多量子阱半导体激光器的散热效率，实现大功率、高可靠的激光输出。该多量子阱半导体激光器，包括多个量子阱层以及设置于各量子阱层之间的势垒层，其特殊之处在于：每个量子阱层设置有一个或多个发光区，相邻量子阱层的发光区相互错开。本发明采用量子阱层发光区相互交错的方式，降低了有源区热串扰，减小了系统热阻；可实现激光大功率输出。

Description

多量子阱半导体激光器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种半导体激光器器件，尤其是一种多量子阱半导体激光器及其制备方法。

背景技术

半导体激光器由于具有体积小、重量轻、使用电驱动、电光转换效率高、寿命长等优点，在工业加工、军事国防、医疗、全固态激光泵浦等领域获得了广泛应用。半导体激光器的发展趋势是高功率、高亮度和长寿命。目前商用的大功率半导体激光器多为单量子阱半导体激光器，其单巴连续波输出功率可达100W，准连续波输出功率达250W，若进一步提高功率，必须将多个巴条组合为叠阵或者面阵的形式，但叠阵和面阵的体积过大，限制了半导体激光器的进一步应用。

相对于单量子阱半导体激光器(SQW)，多量子阱半导体激光器(MQW)有其独特的优势：在尺寸保持不变的情况下，多量子阱半导体激光器最高输出功率可达单量子阱半导体激光器的n倍（n为量子阱层数）；在相同的工作电流下，多量子阱半导体激光器的输出功率可达单量子阱半导体激光器的n倍。多量子阱半导体激光器理论上能够大大提高输出功率和亮度，有效降低系统尺寸及对大电流电源的需求，是半导体激光器的重要发展方向。

但目前多量子阱半导体激光器产品受限于散热能力，导致难以达到预期的输出功率，可靠性较低。例如万春明等人在中国激光，2002，Vol.A29，No.12中报道了一种940nm无铝双量子阱列阵半导体激光器，在注入电流17.8A时连续波输出功率仅为10W，斜率效率为1.09W/A。德国的OSRAM光电半导体公司推出的一种三层量子阱半导体激光器，功率为75W，工作模式为准连续波，波长为905nm。与目前商用的单量子阱半导体激光器相比，其输出功率仍然较低，工作寿命较短。因此，研究新型的具有高效散热能力的多量子阱半导体激光器对于高功率半导体激光器的发展具有重要意义。

发明内容

本发明提供了一种多量子阱半导体激光器及其制备方法，以提高多量子阱半导体激光器的散热效率，实现大功率、高可靠的激光输出。

为实现以上发明目的，本发明提出以下基本技术方案：

多量子阱半导体激光器，包括多个量子阱层以及设置于各量子阱层之间的势垒层，其特殊之处在于：每个量子阱层设置有一个或多个发光区，相邻量子阱层的发光区相互错开。

基于上述基本的技术方案，较佳的方案如下：

上述量子阱层为GaInAsP量子阱层，势垒层为InGaP势垒层；所述多量子阱半导体激光器包括依次设置的N⁺-GaAs衬底、N⁺-GaAs缓冲层、N-AlGaAs上限制层、InGaP上波导层、多个所述GaInAsP量子阱层及相应的InGaP势垒层、InGaP下波导层、P-AlGaAs下限制层、P-GaAs顶层、P⁺⁺-GaAs欧姆接触层。

制备上述多量子阱半导体激光器的方法，包括以下步骤：

（1）在衬底上依次生长缓冲层、上限制层、上波导层、第一个量子阱层；

（2）通过离子注入的方法，使第一个量子阱层的部分区域形成非发光区，在该量子阱层中，非发光区之间的区域设置为发光区；

（3）依次生长势垒层、下一个量子阱层；

（4）通过离子注入的方法使所述下一个量子阱层中的部分区域形成非发光区，非发光区之间的区域设置为发光区，并使该量子阱层的发光区与第一个量子阱层的发光区相互错开；

（5）若设计的量子阱层数超过两个，则按照步骤（3）、（4）继续进行下一个量子阱层的生长并使该量子阱层的发光区与前一个量子阱层的发光区相互错开；

（6）完成最后一个量子阱层后，依次生长下波导层、下限制层、顶层、欧姆接触层，制备得到多量子阱半导体激光器。

基于上述基本的制备方法，具体的优选方案为：

步骤（1）是通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)法或分子束外延法（MBE）在N⁺-GaAs衬底上依次生长N⁺-GaAs缓冲层、N-AlGaAs上限制层、InGaP上波导层、GaInAsP第一量子阱层；

步骤（2）通过离子注入的方法，使第一量子阱层的部分区域形成非发光区，非发光区之间的区域为发光区，并在该量子阱层形成发光区-非发光区的周期分布；

步骤（3）是依次生长InGaP势垒层、GaInAsP第二量子阱层；

步骤（4）是通过离子注入的方法使第二量子阱层中的区域形成非发光区，非发光区72之间的区域为第二量子阱层的发光区，第二量子阱层的发光区与第一量子阱层的发光区相互错开；

步骤（6）是在最后一个量子阱层上依次生长InGaP下波导层、P-AlGaAs下限制层、P-GaAs顶层、P⁺⁺-GaAs欧姆接触层。

本发明有以下优点：

1）散热能力强。本发明采用量子阱层发光区相互交错的方式，降低了有源区热串扰，减小了系统热阻；

2）可实现激光大功率输出。本发明的多量子阱半导体激光器完全满足低占空比准连续波的工作要求，能够实现大功率的激光输出；

3）单位体积输出功率高。对于相同大小的单量子阱和多量子阱半导体激光器，包括n个量子阱层的多量子阱半导体激光器的输出功率是单量子阱的n倍；

4）寿命长、可靠性高。本发明的多量子阱半导体激光器具有寿命长、可靠性高、稳定性高和体型小的特点。

5）本发明提供的多量子阱半导体激光器的制备方法，充分考虑了各种实际因素，保证了电光转换效率及可靠性，从而在实践上真正实现了大功率、高可靠的激光输出。

附图说明

图1为传统的双量子阱芯片结构示意图；

图2为本发明实施例一的双量子阱半导体激光器的结构示意图；

图3为本发明实施例一的量子阱层局部示意图；

图4为本发明实施例一所制备的808nm双量子阱半导体激光器封装后LIV测试结果；

图5为本发明实施例一所制备的808nm双量子阱半导体激光器封装后光谱测试结果；

图6为本发明实施例二的三量子阱半导体激光器的结构示意图；

图7为本发明实施例二的量子阱层局部示意图。

图8为本发明实施例二所制备的808nm三量子阱半导体激光器封装后LIV测试结果；

图9为本发明实施例二所制备的808nm三量子阱半导体激光器封装后光谱测试结果；

其中，1为芯片衬底，2为n缓冲层，3为上限制层，4为上波导层，5为第一量子阱层，6为势垒层，7为第二量子阱层，8为下波导层，9为下限制层，10为p顶层，11为欧姆接触层，12为势垒层，13为第三量子阱层。

具体实施方式

目前，多量子阱半导体激光器的多个量子阱层间隔很小，各量子阱层的发光区发热量很大，因此制约了其输出功率、效率及可靠性的进一步提高。目前常见的多量子阱半导体激光器，如图1所示，其各量子阱层的发光区在竖直方向上重叠，导致各量子阱层之间发生热串扰现象，明显增加了器件热阻，降低了输出功率及光电效率。

本发明提出了一种新型的多量子阱半导体激光器结构，通过使各量子阱层的发光区上下相互错开，降低了各量子阱层之间热串扰的影响，大大提高了多量子阱半导体激光器的输出功率、电光转换效率及可靠性。本发明的关键技术是使同一量子阱层中部分区域为发光区，而部分区域为非发光区。本发明采用了掩模离子注入技术，离子注入的量子阱层区域由于结构成分改变，不再产生受激辐射，而且离子注入的量子阱层区域的折射率小于非离子注入的量子阱层区域，从而在侧向对激光进行了限制。

下面结合附图以示例的形式详细介绍本发明。给出的两个实施例仅作为本发明的优选方案示例，而不应视为对本发明保护范围的限制。

实施例一

如图2及图3所示，双量子阱半导体激光器，包括N⁺-GaAs衬底1，N⁺-GaAs缓冲层2，N-AlGaAs上限制层3，InGaP上波导层4，GaInAsP第一量子阱层5，InGaP势垒层6，GaInAsP第二量子阱层7，InGaP下波导层8，P-AlGaAs下限制层9，P-GaAs顶层10，P⁺⁺-GaAs欧姆接触层11。其中51为第一量子阱层5中的发光区，52为第一量子阱层5中非发光区；71为第二量子阱层7中的发光区，72为第二量子阱层中7非发光区。第一量子阱层的发光区51与第二量子阱层的发光区71相互错开。

下面介绍根据该双量子阱半导体激光器的制造方法。

首先在通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)法或分子束外延法（MBE）在N⁺-GaAs衬底1上依次生长N⁺-GaAs缓冲层2，N-AlGaAs上限制层3，InGaP上波导层4，GaInAsP第一量子阱层5。通过离子注入的方法，使第一量子阱层5的部分区域形成非发光区52，非发光区52之间的区域为发光区51，从而在同一量子阱层形成发光区-非发光区的周期分布。然后，依次生长InGaP势垒层6，GaInAsP第二量子阱层7，并且通过离子注入的方法使第二量子阱层7中的区域72形成非发光区，非发光区72之间的区域71为第二量子阱层的发光区，第一量子阱层的发光区51与第二量子阱层的发光区71恰好相互错开。然后，继续在第二量子阱层7上面依次生长InGaP下波导层8，P-AlGaAs下限制层9，P-GaAs顶层10，P⁺⁺-GaAs欧姆接触层11。

按照上述方法制备得到的双量子阱半导体激光器件能够抑制不同量子阱层5和7发光区的热串扰，从而降低芯片的热阻，提高半导体的输出功率、效率及可靠性。

图4及图5给出了按照实施例一的制备方法得到的808nm双量子阱半导体激光器封装后LIV及光谱测试结果。可以看出斜率效率为2.7W/A，在225A的电流下，输出峰值功率可达500W（占空比0.1%）。中心波长为808.5nm，光谱宽度(FWHM)为2.8nm。

实施例二

如图6及图7所示，三量子阱半导体激光器，包括N⁺-GaAs衬底1，N⁺-GaAs缓冲层2，N-AlGaAs上限制层3，InGaP上波导层4，GaInAsP第一量子阱层5，InGaP势垒层6，GaInAsP第二量子阱层7，InGaP势垒层12，GaInAsP第三量子阱层13，InGaP下波导层8，P-AlGaAs下限制层9，P-GaAs顶层10，P⁺⁺-GaAs欧姆接触层11。其中51为第一量子阱层5中的发光区，52为第一量子阱层5中非发光区；71为第二量子阱层7中的发光区，72为第二量子阱层中7非发光区；131为第二量子阱层7中的发光区，132为第二量子阱层中7非发光区。第一量子阱层的发光区51与第二量子阱层的发光区71相互错开;第二量子阱层的发光区71与第三量子阱层的发光区131相互错开。

下面介绍该三量子阱半导体激光器的制造方法。

首先在N⁺-GaAs衬底1上依次生长N⁺-GaAs缓冲层2，N-AlGaAs上限制层3，InGaP上波导层4，GaInAsP第一量子阱层5。通过离子注入的方法，使第一量子阱层5的部分区域形成非发光区52，非发光区52之间的区域为发光区51，从而在同一量子阱层形成发光区-非发光区的周期分布。然后，依次生长InGaP势垒层6，GaInAsP第二量子阱层7，并且通过离子注入的方法使第二量子阱层7中的区域72形成非发光区，非发光区72之间的区域71为第二量子阱层的发光区，第一量子阱层的发光区51与第二量子阱层的发光区71恰好相互错开。然后，在第二量子阱上面生长InGaP势垒层12，GaInAsP第三量子阱层13，并且通过离子注入的方法使第三量子阱层13中的区域132形成非发光区，非发光区132之间的区域131为第三量子阱层的发光区，第三量子阱层的发光区131与第二量子阱层的发光区71相互错开。然后，继续在第三量子阱层13上面依次生长InGaP下波导层8，P-AlGaAs下限制层9，P-GaAs顶层10，P⁺⁺-GaAs欧姆接触层11。

经封装后LIV及光谱测试（图8及图9），在230A的电流下，输出峰值功率可达670W（占空比0.1%）,具有很好的光电性能，达到了本发明的预期效果。

经实验，对于三个以上量子阱层的实施方式，若保持各层的发光区均相互错开，可能会导致发光区之间的间距过大，填充因子过低，而造成总输出功率下降；因此，仅保持相邻两个量子阱层的发光区互相错开较为适宜。

Claims (4)

1.多量子阱半导体激光器，包括多个量子阱层以及设置于各量子阱层之间的势垒层，其特征在于：每个量子阱层设置有多个发光区，相邻量子阱层的发光区相互错开。

2.根据权利要求1所述的多量子阱半导体激光器，其特征在于：所述量子阱层为GaInAsP量子阱层，势垒层为InGaP势垒层；所述多量子阱半导体激光器包括依次设置的N⁺-GaAs衬底、N⁺-GaAs缓冲层、N-AlGaAs上限制层、InGaP上波导层、多个所述GaInAsP量子阱层及相应的InGaP势垒层、InGaP下波导层、P-AlGaAs下限制层、P-GaAs顶层、P⁺⁺-GaAs欧姆接触层。

3.如权利要求1所述的多量子阱半导体激光器的制备方法，包括以下步骤：

(1)在衬底上依次生长缓冲层、上限制层、上波导层、第一个量子阱层；

(2)通过离子注入的方法，使第一个量子阱层的部分区域形成非发光区，在该量子阱层中，非发光区之间的区域设置为发光区；

(3)依次生长势垒层、下一个量子阱层；

(4)通过离子注入的方法使所述下一个量子阱层中的部分区域形成非发光区，非发光区之间的区域设置为发光区，并使该量子阱层的发光区与第一个量子阱层的发光区相互错开；

(5)若设计的量子阱层数超过两个，则按照步骤(3)、(4)继续进行下一个量子阱层的生长并使该量子阱层的发光区与前一个量子阱层的发光区相互错开；

(6)完成最后一个量子阱层后，依次生长下波导层、下限制层、顶层、欧姆接触层，制备得到多量子阱半导体激光器。

4.根据权利要求3所述的多量子阱半导体激光器的制备方法，其特征在于：步骤(1)是通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)法或分子束外延法(MBE)在N⁺-GaAs衬底上依次生长N⁺-GaAs缓冲层、N-AlGaAs上限制层、InGaP上波导层、GaInAsP第一量子阱层；

步骤(2)通过离子注入的方法，使第一量子阱层的部分区域形成非发光区，非发光区之间的区域为发光区，并在该量子阱层形成发光区-非发光区的周期分布；

步骤(3)是依次生长InGaP势垒层、GaInAsP第二量子阱层；

步骤(4)是通过离子注入的方法使第二量子阱层中的区域形成非发光区，非发光区之间的区域为第二量子阱层的发光区，第二量子阱层的发光区与第一量子阱层的发光区相互错开；

步骤(6)是在最后一个量子阱层上依次生长InGaP下波导层、P-AlGaAs下限制层、P-GaAs顶层、P⁺⁺-GaAs欧姆接触层。