CN102891435A - 带有非吸收窗口的大功率半导体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有非吸收窗口的大功率半导体激光器，非吸收窗口位于激光器的脊型或者条形上方，且非吸收窗口分布在激光器腔面两端，呈半柱形结构分布，其平面部分即为激光器的出光腔面，其弧面部分位于激光器的腔长内部；非吸收窗口的深度应超过激光器有源区的上波导层；脊型波导结构中，非吸收窗口的直径大于等于1微米、且小于20微米；或者条形激光器结构中，非吸收窗口的直径大于等于3微米、且小于900微米。本发明的激光器，大大增加激光器的光学灾变损伤阈值，有效提高激光器的输出功率，有效减小杂质能级引起的光吸收，提升激光器的最大输出功率，工艺简单易行，具有规模化生产特征。
Description
技术领域
本发明属于半导体激光器设备技术领域，涉及一种带有非吸收窗口的大功率半导体激光器。
背景技术
半导体激光器以其波长选择范围广、体积小、功耗小、效率高、继承性好、成本低等优点成为最重要的半导体光电子器件之一。其中大功率半导体激光器在激光存储、激光显示、激光打印、材料加工、激光打标、生物医学、医疗器械、空间光通信等领域有着广泛应用，同时在军事领域它也可应用于激光打靶、激光制导、激光夜视、激光雷达、激光引信、激光武器、战争模拟等。大功率半导体激光器技术涵盖了几乎所有光电子领域，研制高性能大功率激光器需要从激光器外延片结构设计、材料生长、器件制作、腔面光学镀膜、器件封装、光束整形与耦合等多方面协调合作，但无疑半导体激光器外延片和芯片的制作是最核心技术。
随着实际应用的不断拓展，对大功率半导体激光器的性能参数要求也不断提高，同时高的输出功率、长的器件寿命也促进着大功率半导体激光器在工业技术和国防安全中更为广泛的使用。但是随着要求更大的工作电流和输出功率，普通结构的半导体激光器其电流-功率特性常会出现光学灾变损伤、扭折、热饱和、快速退化等不良现象，激光器的光输出功率、寿命和可靠性常常受到限制。光学灾变损伤是限制大功率半导体激光器输出功率的主要原因之一，当半导体激光器的输出功率超过某个临界值时，光学灾变损伤就会发生并导致激光器的腔面融化和快速重结晶，而且对激光器工作效率的影响是瞬间的、严重的、完全破坏性的。光学灾变损伤属于不可恢复性损伤，一旦出现了光学灾变损伤，整个器件都将完全失效。除了可通过改进材料生长技术、器件结构设计、器件制作工艺等手段来提高半导体激光器的发光特性和功率特性外，还可采用量子阱混杂技术改变激光器腔面附近区域的结构和特性来改善其最大光学灾变损伤输出功率。采用量子阱混杂技术或材料结构的无序化可改变腔面附近的材料带隙，在大功率激光器腔面附近制作成非吸收窗口来减少腔面处的光吸收，有效改善输出功率，或是消除光学灾变损伤效应而产生器件热饱和这种非致命性损伤。
现有技术利用杂质扩散诱导量子阱混杂技术制作的非吸收窗口虽然集中于激光器两端的腔面处，其结构主要是长方体形，该结构设计简单，制作方便，但由于量子阱混杂时引入的杂质吸收能级分布比较均匀，而基模激光光斑能量分布则呈高斯分布，具有一定的不均匀性，因此会对光斑中心区域外造成额外的光吸收，从而降低激光器的输出功率。
发明内容
本发明的目的是提供一种带有非吸收窗口的大功率半导体激光器，解决了现有技术中由于量子阱混杂时引入的杂质吸收能级分布比较均匀，会对光斑中心区域外造成额外的光吸收，从而降低激光器的输出功率的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种带有非吸收窗口的大功率半导体激光器，非吸收窗口位于激光器的脊型或者条形上方，且非吸收窗口分布在激光器腔面两端，呈半柱形结构分布，其平面部分即为激光器的出光腔面，其弧面部分位于激光器的腔长内部；非吸收窗口的深度应超过激光器有源区的上波导层。
本发明的有益效果是，
1）由于非吸收窗口区域的禁带宽度变宽，该区域相对激光器内部的输出光几乎不吸收，这将大大增加激光器的光学灾变损伤阈值，有效提高半导体激光器的输出功率。
2）相比长方体结构的非吸收窗口，本发明半柱形分布的非吸收窗口的杂质吸收能级具有一定的不均匀性，这和基模激光光斑能量分布相吻合，不均匀分布还可以有效减小杂质能级引起的光吸收。
3）由于半柱形分布非吸收窗口形成的反波导作用，使得腔面处的光斑有一定扩散作用，这也会降低腔面的光场密度，提升激光器的最大输出功率。
4）非吸收窗口可采用量子阱混杂技术或者生长新材料制成，制作工艺简单易行，制作非吸收窗口后也不影响激光器的腔面镀膜工艺，不会增加额外成本，具有规模化生产特征。
附图说明
图1为本发明实施例1的脊型波导670nm非吸收窗口的大功率半导体激光器的结构示意图；
图2为本发明实施例2的条形区域808nm非吸收窗口的大功率半导体激光器的结构示意图。
图中，1.衬底，2.缓冲层，3.下限制层，4.下波导层，5.量子阱和量子垒区，6.上波导层，7.上限制层，8.上接触层，9.脊型波导，10.非吸收窗口，11.条形区域，12.平面部分，13.弧面部分。
具体实施方式
参照图1、图2，本发明的带有非吸收窗口的大功率半导体激光器，非吸收窗口10位于激光器的脊型或者条形上方，且非吸收窗口10分布在激光器腔面两端，呈半柱形结构分布，其平面部分即为激光器的出光腔面，其弧面部分位于激光器的腔长内部；非吸收窗口的深度应超过激光器有源区的上波导层；脊型波导激光器结构中，非吸收窗口的直径大于等于1微米、且小于20微米；或者，在条形激光器结构中，非吸收窗口的直径大于等于3微米、且小于900微米。非吸收窗口区域对应的折射率小于激光器有源区发光区域，非吸收窗口在激光器的出光腔面处形成了禁带宽度变宽的两个半柱形区域，非吸收窗口区域对应的禁带宽度大于激光器有源区发光区域。
实施例1
参照图1，为本发明实施例1的670nm非吸收窗口的大功率半导体激光器的结构示意图，非吸收窗口10分布在激光器外延片结构的上表面，外延片截面结构是，从下到上依次设置有衬底1、外延生长的缓冲层2、下限制层3、下波导层4、量子阱和量子垒区5、上波导层6、上限制层7和上接触层8，上接触层8的纵向中心线上设置有脊型波导9和半柱形的非吸收窗口10，非吸收窗口10包括半柱形的平面部分12和半柱形的弧面部分13，平面部分12用于充当激光器的出光面，弧面部分13作为非吸收区域和正常区域的界面；非吸收窗口10的中心区域和脊型波导9中心区域重合，非吸收窗口10的直径为脊型波导9宽度的2倍，非吸收窗口10的深度依次穿过上接触层8、上限制层7、上波导层6、量子阱和量子垒区5和下波导层4。
半柱形结构的非吸收窗口10选用杂质扩散诱导、无杂质空位诱导、光吸收诱导、离子注入诱导或者低温生长诱导等量子阱混杂技术来实现，这些方法都可实现。
在本实施例1中，采用锌扩散诱导量子阱混杂技术的方式来制作非吸收窗口。在制作非吸收窗口之前，首先选取N型砷化镓作为衬底1，采用金属有机化学气相沉积法生长砷化镓缓冲层2、铝铟磷下限制层3、铝镓铟磷下波导层4、铝镓铟磷\镓铟磷量子阱和量子垒区5、铝镓铟磷上波导层6、铝铟磷上限制层7、砷化镓上接触层8，经过以上外延生长形成670nm大功率半导体激光器的外延片结构。然后，利用闭管锌扩散诱导量子阱混杂方式来形成非吸收窗口10，包括以下步骤：在激光器外延片上表面生长一层致密的氮氧硅介质薄膜；利用光刻技术形成非吸收窗口10的扩散区，用氢氟酸溶液腐蚀出扩散窗口；采用湿法腐蚀的方法去掉窗口区的砷化镓上接触层8，并控制好腐蚀深度；将外延片和砷化锌扩散源放入石英管中，抽成真空后烧结密封；将石英管放入扩散炉内，在高温下进行锌扩散诱导量子阱混杂来改变非吸收窗口区域的禁带宽度。非吸收窗口制作完成后腐蚀掉氮氧硅介质薄膜，清洗好外延片，然后再按照常规的脊型波导半导体激光器的制作工艺流程来制作670nm非吸收窗口的大功率半导体激光器。后一工艺步骤中需要注意的是脊型波导制作中必须严格和非吸收窗口区域套刻对准。
实施例1中，整个半导体激光器尺寸为300微米宽、4微米厚、400微米长，其中的N型砷化镓衬底1的厚度为10微米，外延生长的砷化镓缓冲层2的厚度为10纳米，铝铟磷下限制层3的厚度为300纳米，铝镓铟磷下波导层4的厚度为50纳米，量子阱和量子垒区5为3个厚度8纳米镓铟磷量子阱和2个厚度8纳米铝镓铟磷量子垒构成，铝镓铟磷上波导层6的厚度为50纳米，铝铟磷上限制层7的厚度为300纳米，砷化镓上接触层8的厚度为10纳米。脊型波导9位于激光器中部，其宽度为3微米，长度为400微米。非吸收窗口10位于激光器芯片腔面两端，其中半柱形的平面部分12的直径为6微米，中心深度为1550纳米。
本发明实施例1中的非吸收窗口，在激光器的出光腔面处形成了禁带宽度变宽的两个半柱形区域，该区域对激光器内部的输出光几乎不吸收，不均匀分布的非吸收窗口还可以有效减小杂质能级引起的光吸收，同时该区域形成的反波导作用，使得腔面处的光斑有一定扩散作用，这也会降低腔面的光场密度。采用该结构的非吸收窗口将大大增加激光器的光学灾变损伤阈值，有效提高激光器的输出功率。
实施例2
参照图2，为本发明实施例2的808nm非吸收窗口的大功率半导体激光器的结构示意图，与实施例1不同的是，本实施例2的激光器为条形结构，其条形区域的宽度为60微米。非吸收窗口10分布在激光器外延片结构的表面，所述的外延片结构从下到上依次设置有衬底1、外延生长的缓冲层2、下限制层3、下波导层4、量子阱和量子垒区5、上波导层6、上限制层7和上接触层8，上接触层8的纵向中心线上设置有条形区域11和非吸收窗口10，非吸收窗口10包括半柱形的平面部分12和半柱形的弧面部分13，半柱形的平面部分12充当激光器的出光面，半柱形的弧面部分13作为非吸收区域和正常区域的界面；非吸收窗口10的中心区域和条形区域11中心区域重合，非吸收窗口10的直径和条形区域11宽度相等，非吸收窗口10的深度依次穿过上接触层8、上限制层7、上波导层6、量子阱和量子垒区5和下波导层4。
实施例2中的N型砷化镓衬底1厚度为10微米，外延生长的砷化镓缓冲层2厚度为10纳米，铝镓砷下限制层3厚度为500纳米，铝镓砷下波导层4厚度为70纳米，量子阱和量子垒区5为1个厚度9纳米铝镓铟砷量子阱和2个厚度4纳米铝镓砷量子垒构成，铝镓砷上波导层6厚度为70纳米，铝镓砷上限制层7厚度为550纳米，砷化镓上接触层8厚度为10纳米。整个半导体激光器尺寸为600微米宽、4微米厚、900微米长。条形区域11位于激光器中部，其宽度为60微米，长度为900微米。非吸收窗口10位于激光器芯片腔面两端，其中半柱形的平面部分12的直径为60微米，中心深度为1810纳米。
在实施例2中，非吸收窗口的制作工艺基本同实施例1，仅需要注意根据半导体激光器芯片的材料结构不同，改变闭管锌扩散诱导量子阱混杂的工艺条件。
上述两个实施例的大功率半导体激光器均是在砷化镓衬底材料上生长制作而成，该大功率半导体激光器的材料还可以选用砷化镓系材料、磷化铟系材料、氮化镓系材料或锑化镓系材料，以及还可以选用有机半导体、纳米材料或低维材料。
本发明的非吸收窗口的大功率半导体激光器，由于非吸收窗口区域的禁带宽度变宽，该区域相对激光器内部的输出光几乎不吸收，这将大大增加激光器的光学灾变损伤阈值，有效提高激光器的输出功率。同时，相比长方体结构的非吸收窗口，这种半柱形分布的非吸收窗口的杂质吸收能级具有一定的不均匀性，这和基模激光光斑能量分布相吻合，不均匀分布还可以有效减小杂质能级引起的光吸收。此外，由于半柱形分布非吸收窗口形成的反波导作用，使得腔面处的光斑有一定扩散作用，这也会降低腔面的光场密度，提升激光器的最大输出功率。最后，非吸收窗口可采用量子阱混杂技术或者生长新材料制成，制作工艺简单易行，制作非吸收窗口后也不影响激光器的腔面镀膜工艺，不会增加额外成本，具有规模化生产特征。
Claims (4)
1.一种带有非吸收窗口的大功率半导体激光器，其特征在于：非吸收窗口（10）位于激光器的脊型或者条形上方，且非吸收窗口（10）分布在激光器腔面两端，呈半柱形结构，其平面部分即为激光器的出光腔面，其弧面部分位于激光器的腔长内部；非吸收窗口的深度应超过激光器有源区的上波导层。
2.根据权利要求1所述的带有非吸收窗口的大功率半导体激光器，其特征在于：所述的脊型波导激光器结构中，非吸收窗口的直径大于等于1微米、且小于20微米；
或者，在条形激光器结构中，非吸收窗口的直径大于等于3微米、且小于900微米。
3.根据权利要求1或2所述的带有非吸收窗口的大功率半导体激光器，其特征在于：所述的非吸收窗口（10）分布在激光器外延片结构的上表面，外延片截面结构是，从下到上依次设置有衬底（1）、外延生长的缓冲层（2）、下限制层（3）、下波导层（4）、量子阱和量子垒区（5）、上波导层（6）、上限制层（7）和上接触层（8），上接触层（8）的纵向中心线上设置有脊型波导（9）和半柱形的非吸收窗口（10），非吸收窗口（10）包括半柱形的平面部分（12）和半柱形的弧面部分（13）；非吸收窗口（10）的中心区域和脊型波导（9）中心区域重合，非吸收窗口（10）的深度依次穿过上接触层（8）、上限制层（7）、上波导层（6）、量子阱和量子垒区（5）和下波导层（4）。
4.根据权利要求1或2所述的带有非吸收窗口的大功率半导体激光器，其特征在于：所述的半导体激光器为条形结构，非吸收窗口（10）分布在激光器外延片结构的表面，所述的外延片结构从下到上依次设置有衬底（1）、外延生长的缓冲层（2）、下限制层（3）、下波导层（4）、量子阱和量子垒区（5）、上波导层（6）、上限制层（7）和上接触层（8），上接触层（8）的纵向中心线上设置有条形区域（11）和非吸收窗口（10），非吸收窗口（10）包括半柱形的平面部分（12）和半柱形的弧面部分（13）；非吸收窗口（10）的中心区域和条形区域（11）中心区域重合，非吸收窗口（10）的深度依次穿过上接触层（8）、上限制层（7）、上波导层（6）、量子阱和量子垒区（5）和下波导层（4）。
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