CN102946051A - 一种非对称波导1060nm半导体激光器结构 - Google Patents

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李特
李再金
芦鹏
张月
郝二娟
乔忠良
李林
邹永刚
赵英杰
曲轶
刘国军
马晓辉
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Abstract

本发明属于半导体光电子学技术领域，涉及一种非对称波导1060nm半导体激光器结构，包括：一衬底，为(100)面的N型GaAs材料，该衬底用于在其上外延生长激光器各层材料；一缓冲层，在衬底上，为N型GaAs材料；一N型下限制层，在缓冲层上，为N型InGaAsP材料；一下波导层，在下限制层上，为N型InGaAsP材料；一量子阱层，该量子阱材料为InGaAs单量子阱，制作在下波导层上；一上波导层，为P型AlGaAs材料，该上波导层在量子阱层上；一P型上限制层，在上波导层上，为P型AlGaAs材料；一过渡层，在P型上限制层上，为P型GaAs材料；一电极接触层，为P型GaAs材料，在过渡层上。

Description

一种非对称波导1060nm半导体激光器结构
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，特别是一种非对称波导1060nm半导体激光器结构。 
背景技术
1060nm波段的激光器在民用和军用领域都有十分重要的应用，例如，激光加工、激光医疗、激光退火和激光制导等。上述应用的实现要求激光器具有较高的输出功率、理想的转换效率和长期工作的可靠性。非对称非对称异质结构激光器可以降低半导体激光器的工作电压、大幅度提高器件输出效率和输出功率，使1060nm半导体激光器满足军事和民用需求。此外，该波段非对称异质结构激光器的研究也能够为其他GaAs基或InP基激光器的性能改善提供思路上的帮助。 
现有的1060nm半导体激光器采用的对称波导和包覆层结构在提供必要光限制的同时，也造成了导带和价带偏移量的相对固定，这就对器件的限制结构优化造成了阻碍。 
它与传统意义上的非对称波导激光器是不同的，传统的非对称波导结构主要是采用同质半导体材料，利用波导层在P侧和N侧的厚度不同，控制光场在波导层中的分布，减小载流子的光吸收，减小波导结构的限制因子，从而抑制光学灾变现象的发生，提高器件的输出功率。 
本发明提出的非对称波导层结构和包覆层结构激光器是一种新型限制波导激光器，它利用非对称异质结构实现对空穴和电子的分别限制。具体地说，就是在N面选择导带差小的材料体系，在P面选择导带差大的材料体系，从而降低器件的电压降、增大限制结构对注入载流子的限制，提高器件的注入效率和输出功率，这种结构直接改善器件的电学特性。 
这就要求对非对称异质结构和同质限制结构器件的综合特性进行对比研究，通过仿真技术模拟研究限制结构的材料体系、波导层和包覆层的各层厚度、包覆层的掺杂浓度、器件的几何结构等对载流子注入效率、光场分布、阈值电流、电光转换效率、输出功率的影响，从而对器件结构进行优化设计。 
总之，降低光功率密度，降低阈值电流和串联电阻，提高输出功率，抑制高阶模产生，是大功率半导体激光器研究的重点。 
发明内容
本发明的目的在于提供一种高功率非对称异质结1060nm半导体激光器结构，在非对称异质结构的基础上对器件的波导层宽度和对称性如何影响模式限制因子、吸收损耗、光束质量、输出功率等进行研究，以期得到最优化的非对称非对称异质结构，实现1060nm半导体激光器的高功率输出。 
为了实现上述目的，本发明提出了一种高功率非对称异质结1060nm半导体激光器结构，包括： 
一衬底，为(100)面的N型GaAs材料，该衬底用于在其上外延生长激光器各层材料； 
一缓冲层，为N一GaAs材料，该缓冲层制作在衬底上； 
一N型下限制层，为N一InGaAsP材料，该N型下限制层制作在缓冲层上； 
一N型下波导层，为N一InGaAsP材料，该下波导层制作在下限制层上； 
一量子阱层，该量子阱有源区材料为较成熟的In0.13Ga0.87As，该量子阱为单量子阱，制作在下波导层上； 
一P型上波导层，为P-AlGaAs材料，该上波导层制作在量子阱层上； 
一P型上限制层，为P一AlGaAs材料，该P型上限制层制作在上波导层上； 
一过渡层，为P一GaAs材料，该过渡层制作在P型上限制层上； 
一电极接触层，为P一GaAs材料，该电极接触层制作在过渡层上。 
其中量子阱为单阱结构，其特征在于单阱结构能降低阈值，从而满足高效率的要求。 
其中N型下限制层和N型下波导层，选择导带差小的InGaAsP材料体系，其特征在于 InGaAsP材料体系能够提供较小的导带差和较大的价带差，这样的结构有利于导带电子的注入和在价带中对空穴形成更高的势垒。 
其中P型上波导层和P型上限制层，选择导带差大的AlGaAs材料体系，其特征在于AlGaAs材料体系的波导层和包覆层能对电子形成良好的限制，同时减少价带空穴注入有源区的阻碍。 
附图说明
以下通过结合附图对具体实施例进行详细描述，进一步说明本发明的结构、特点，其中： 
图1是根据本发明提出的高功率非对称异质结1060nm半导体激光器结构的剖面图。 
图2是具体实施过程中，拟采用的带有非注入窗口的器件结构示意图。 
具体实施方式
下面结合图1详细说明依据本发明具体实施例高功率非对称异质结1060nm半导体激光器的结构细节。 
参阅图1，本发明是一种高功率非对称异质结1060nm半导体激光器结构，包括： 
一衬底1，为(100)面的N型GaAs材料，该衬底1用于在其上外延生长激光器各层材料； 
一缓冲层2，为N一GaAs材料，该缓冲层2制作在衬底1上，主要用以调节晶格适配度； 
一N型下限制层3，为N一InGaAsP材料，该N型下限制层3制作在缓冲层2上； 
一N型下波导层4，为N一InGaAsP材料，该下波导层4制作在下限制层3上； 
一量子阱层5，该量子阱有源区材料为较成熟的In0.13Ga0.87As，该量子阱为单量子阱，制作在下波导层上4； 
一P型上波导层6，为P-AlGaAs材料，该上波导层6制作在量子阱层5上； 
一P型上限制层7，为P一AlGaAs材料，该P型上限制层7制作在上波导层6上； 
一过渡层8，为P一GaAs材料，该过渡层8制作在P型上限制层7上； 
一电极接触层9，为P一GaAs材料，该电极接触9制作在过渡层8上。 
量子阱层5为单阱结构，其特征在于单阱结构能降低阈值，从而满足高效率的要求。 
本项目拟在有源区两侧采用非对称异质结构，具体地说，在N型区采用InGaAsP材料体系作为波导层和限制层，而在P型区则采用AlGaAs材料体系作为波导层和限制层，这样做的优点在于：第一，InGaAsP材料体系能够提供较小的导带差和较大的价带差，这样的结构有利于导带电子的注入和在价带中对空穴形成更高的势垒；第二，P型区AlGaAs材料体系的波导层和包覆层能够对电子形成良好的限制，同时减少价带空穴注入有源区的阻碍。第三，InGaAsP和AlGaAs材料体系都具有灵活的组分可调性，这就为外延结构的优化(比如电压损耗的调节)提供了便利条件。 
本项目拟采用MOCVD进行外延生长，采用乙基的三族源(如TEGa、TEAl等)，目的是在尽量减小各外延层与V/III比之间的关联的同时，还能降低外延层中的杂质含量，从而得到高纯的外延材料。 
本项目拟采用低压反应条件消除反应室内的热驱动对流和抑制气相寄生反应，从而改善外延层的厚度和组分均匀性，并降低界面的陡峭程度。 
在制作电极窗口过程中，在前后腔面的上方不制备电极注入窗口(如图2所示)，这样的器件结构可以使腔面处的注入载流子数目降低，从而减少该处载流子对于光子的吸收，降低由于吸收引起的损耗和热效应，为避免光学灾变现象的发生、最大限度地提高器件的输出功率，提供了工艺基础。 
在将芯片解理成单个管芯的过程中，采用真空解理技术，该工艺是在高真空度下的解理机中完成，能够最大限度地避免在解理过程中由空气中的尘埃和杂质引起的腔面沾污和腔面氧化，同时，解理后的管芯还可以直接在腔面处镀制钝化层，形成对腔面的永久保护，这也为避免光学灾变现象的发生、最大限度地提高器件的输出功率，提供了工艺基础。 
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。 

Claims (3)

1.一种非对称波导1060nm半导体激光器结构，包括：
一衬底，为(100)面的N型GaAs材料，该衬底用于在其上外延生长激光器各层材料；
一缓冲层，为N-GaAs材料，该缓冲层制作在衬底上；
一N型下限制层，为N-InGaAsP材料，该N型下限制层制作在缓冲层上；
一N型下波导层，为N-InGaAsP材料，该下波导层制作在下限制层上；
一量子阱层，该量子阱有源区材料为较成熟的In0.13Ga0.87As，该量子阱为单量子阱，制作在下波导层上；
一P型上波导层，为P-AlGaAs材料，该上波导层制作在量子阱层上；
一P型上限制层，为P-AlGaAs材料，该P型上限制层制作在上波导层上；
一过渡层，为P-GaAs材料，该过渡层制作在P型上限制层上；
一电极接触层，为P-GaAs材料，该电极接触层制作在过渡层上。
2.根据权利要求1所述的高功率非对称异质结1060nm半导体激光器结构，其中N型下限制层和N型下波导层，选择导带差小的InGaAsP材料体系，其特征在于InGaAsP材料体系能够提供较小的导带差和较大的价带差，这样的结构有利于导带电子的注入和在价带中对空穴形成更高的势垒。
3.根据权利要求1所述的高功率非对称异质结1060nm半导体激光器结构，其中P型上波导层和P型上限制层，选择导带差大的AlGaAs材料体系，其特征在于AlGaAs材料体系的波导层和包覆层能够对电子形成良好的限制，同时减少价带空穴注入有源区的阻碍。
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