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一种超晶格波导半导体激光器结构 Download PDF

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Abstract

本发明属于光电子技术领域，是一种超晶格波导半导体激光器结构，从下到上依次包括:N型砷化镓衬底，该衬底用于在其上外延生长激光器各层材料；N型砷化镓缓冲层，主要用以调节晶格适配度；N型下限制层，为铟镓砷磷四元化合物材料，用来限制光场向下的泄露；N型下波导层，为铟镓砷磷四元化合物材料，用来增加对光场模式的限制；量子阱层，该有源区材料为铟镓砷单量子阱；P型上超晶格波导层，为铝镓砷材料，用于调制波导的折射率；P型上波导层，为铝镓砷材料，用来增加对光场模式的限制；P型上限制层，为铝镓砷材料，用来限制光场向上的泄露；过渡层，为砷化镓材料；电极接触层，为砷化镓材料，用来与金属形成上电极。

Description

一种超晶格波导半导体激光器结构
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件技术领域，尤其涉及一种超晶格波导半导体激光器结构。
背景技术
半导体激光器广泛应用于材料加工、医用、信息存储和军事等方面，例如，激光加工、激光医疗、激光退火和激光制导等。半导体激光器诞生以来，国内外的研究机构和单位从外延材料、结构设计、制作技术等方面对其进行了详尽的研究。高转换效率、低损耗、高稳定性、高光束质量的大功率半导体激光器的研究和应用也逐渐成熟起来。随着研究的深入，激光器的各项性能都有所提升。但半导体激光器还是存在很多不尽如人意的地方，例如，在大功率输出特性、模式控制、光束质量上，半导体激光器就明显逊色于气体或固体激光器。这源自半导体激光器的波导结构，半导体外延材料简单的体材料波导层，影响着对电子和空穴的限制，同时影响着光场在波导中的分布情况，特别是P型波导，光场与高掺杂的P型波导重叠，会增大激光器的损耗，降低了输出功率。
为了满足工业和军事应用需求，提高半导体激光器功率、改善电学特性以及实现高质量的光束输出成为研究的热点，为此人们也想出了各种方法，尝试了多种结构。提高激光器效率的核心问题一方面是增强对电子的空穴的限制，提高复合效率，同时降低激光器的损耗，从而增大输出功率；另一方面是减小串联电阻，实现低阈值，减小废热，从而延长激光器的使用寿命。为此，早期研究人员提出了一系列的波导结构，设计了诸如双异质结波导，非对称波导，渐变掺杂波导，折射率渐变波导等，这些设计的核心都是增加对电子和空穴的限制，改善光场的分布，在一定程度上增加了输出功率。但从增加对电子和空穴的限制及改善光场分布同时考虑的角度来看，这些结构还不能满足人们的意愿，因此急需新的结构来实现低损耗，高功率输出的半导体激光器。
发明内容
本方法的主要目的在于提供一种超晶格波导半导体激光器的结构，解决半导体激光器存在的对电子和空穴电学限制不平衡，以及采用异质波导后光场分布优化的问题。
为了实现上述目的，本发明提出了一种超晶格波导半导体激光器结构，包括：
一N型GaAs衬底，该衬底用于在其上外延生长激光器各层材料；
一N型GaAs缓冲层，该缓冲层制作在衬底上，主要用以调节晶格适配度；
一N型下限制层，为N-In1-xGaxAsyP1-y材料，该N型下限制层制作在缓冲层上，用来限制光场向下的泄露；
一N型下波导层，为N-In1-xGaxAsyP1-y材料，该下波导层制作在下限制层上，用来增加对光场模式和载流子的限制；
一量子阱层，该量子阱有源区材料为较成熟的InxGa1-xAs该量子阱为单量子阱，制作在下波导层上；
一P型上超晶格波导层，为P-AlxGa1-xAs材料，该上超晶格波导层制作在量子阱层上，用于调制波导的有效折射率，实现光场的最优分布；
一P型上波导层，为P-AlxGa1-xAs材料，该P型上波导层制作在上超晶格波导层上，用来增加对光场模式和载流子的限制；
一P型上限制层，为P-AlxGa1-xAs材料，该P型上波导层制作在上波导层上，用来限制光场向上的泄露；
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，用来与金属形成电极。
其中所述量子阱为单阱结构，其特征在于单阱结构能降低阈值，从而满足高效率的要求。
其中所述P型上超晶格波导结构包括：两种不同组分的AlxGa1-xAs,其中一种AlxGa1-xAs的Al组分比另一种的高，两种组分的AlxGa1-xAs的厚度都是纳米级别，相互交替生长。
其中所述P型上超晶格波导结构的材料AlxGa1-xAs，较低Al组分的x为0.1-0.3，较高Al组分的x为0.3-0.6。
其中所述P型上超晶格波导结构,两种不同组分的AlxGa1-xAs材料的厚度在几纳米到几十纳米之间。
其中所述的P型上超晶格波导结构，两种不同组分的AlxGa1-xAs相互交替生长的组数数量为15组-20组。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的这种超晶格波导半导体激光器的结构，由于N型波导采用的是导带差小的材料体系，P型波导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。
2、本发明提供的这种超晶格波导半导体激光器的结构，P型波导结构中含有超晶格结构，该超晶格结构优化了P型波导的有效折射率，使光场的最大值移向N型波导一侧，减小了光场与高掺杂的P型限制层的重叠，进而减小了内损耗，增大了输出功率。
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一种超晶格波导半导体激光器的结构剖面图。
图2是具体实施过程中，P型超晶格外延波导结构示意图。
图4是具体实施过程中计算所得的超晶格波导结构的半导体激光器的折射率分布与光场分布示意图。
图3是普通非对称异质结半导体激光器折射率分布与光场分布示意图。
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一种超晶格波导半导体激光器的结构细节。
参阅图1，本发明是一种超晶格波导半导体激光器结构，包括：
一衬底10，为(100)面的N型GaAs材料，该衬底10用于在其上外延生长激光器各层材料；
一缓冲层11，为N-GaAs材料，该缓冲层11制作在衬底10上，主要用以调节晶格适配度；
一N型下限制层12，为N-In1-xGaxAsyP1-y材料，该N型下限制层12制作在缓冲层11上；
一N型下波导层13，为N-In1-xGaxAsyP1-y材料，该下波导层13制作在下限制层12上；
一量子阱层14，该量子阱有源区材料为较成熟的InxGa1-xAs,该量子阱为单量子阱，制作在下波导层上13；
一P型上超晶格波导层15，为P-AlxGa1-xAs材料，制作在量子阱层14上，所述超晶格波导层15包括：该层采用两种不同Al组分的AlxGa1-xAs材料，低Al组分的层151，Al的组分x为0.1-0.3，高Al组分的AlxGa1-xAs层152,Al的组分x为0.3-0.6；层151和层152的厚度在几纳米至几十纳米之间，相互交替生长，生长的组数数量为15组-20组；超晶格结构151和152相互交替，优化了P型波导的有效折射率，改变了光场在波导中的分布，使光场最大值移向N型一侧，减小了光场与重掺杂的P型区的重叠，进而减小吸收损耗，提高输出功率。
一P型上波导层16，为P-AlxGa1-xAs材料，该P型上波导层16制作在上超晶格波导层15上，用来增加对光场模式的限制；
一P型上限制层17，为P-AlxGa1-xAs材料，该P型上限制层17制作在上波导层16上，用来限制光场的向上泄露；
一过渡层18，为P-GaAs材料，该过渡层18制作在P型上限制层17上；
一电极接触层19，为P-GaAs材料，该电极接触19制作在过渡层20上用来与金属形成上电极。
这些层最终共同形成非对称超晶格波导半导体激光器结构。
在这种结构中，光场经过超晶格波导的调节后会发生很大的变化。经计算结果表明，超晶格结构优化了P型波导的有效折射率，使光场最大值移向了低掺杂的N型半导体一侧；图3给出了普通非对称异质结半导体激光器折射率分布与光场分布，图4给出了带有超晶格波导结构的半导体激光器的折射率分布与光场分布示意图。
实施例：
本实施例采用图1所示的结构，给出了在超晶格波导调制下的激光器光场分布情况。结构的衬底为N型的GaAs材料，结构从下到上每一层的材料和厚度如下：
衬底材料和厚度分别为为GaAs，0.2μm；下限制层材料和厚度分别为In0.32Ga0.68As0.4P0.6,1μm；下波导层材料和厚度分别为In0.03Ga0.97As0.95P0.05,0.7μm；量子阱层材料和厚度分别为In0.3Ga0.7As，9nm；上超晶格波导低Al组分的材料和厚度分别为Al0.15Ga0.85As,8nm；上超晶格波导高Al组分的材料和厚度分别为Al0.4Ga0.6As,10nm；上波导层的材料和厚度分别为Al0.4Ga0.6As,0.8μm；上限制层的材料和厚度分别为Al0.6Ga0.4As,0.8μm；接触层的材料和厚度分别为GaAs,0.2μm。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换，改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.本方法的主要目的在于提供一种超晶格波导半导体激光器的结构，包括：
一N型GaAs衬底，该衬底用于在其上外延生长激光器各层材料；
一N型GaAs缓冲层，该缓冲层制作在衬底上，主要用以调节晶格适配度；
一N型下限制层，为N-In1-xGaxAsyP1-y材料，该N型下限制层制作在缓冲层上，用来限制光场向下的泄露；
一N型下波导层，为N-In1-xGaxAsyP1-y材料，该下波导层制作在下限制层上，用来增加对光场模式的限制；
一量子阱层，该量子阱有源区材料为较成熟的InxGa1-xAs该量子阱为单量子阱，制作在下波导层上；
一P型上超晶格波导层，为P-AlxGa1-xAs材料，该上超晶格波导层制作在量子阱层上，用于调制波导的折射率，实现光场的最优分布；
一P型上波导层，为P-AlxGa1-xAs材料，该P型上波导层制作在上超晶格波导层上，用来增加对光场模式的限制；
一P型上限制层，为P-AlxGa1-xAs材料，该P型上波导层制作在上波导层上，用来限制光场向上的泄露；
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，用来与金属形成电极。
2.根据权利要求1所述的一种超晶格波导半导体激光器的结构，其中P型上超晶格波导结构包括：两种不同组分的AlxGa1-xAs,其中一种AlxGa1-xAs的Al组分比另一种的高，两种组分的AlxGa1-xAs的厚度都是纳米级别，相互交替生长。
3.根据权利要求2所述的一种超晶格波导半导体激光器的结构，其中P型上超晶格波导结构的材料AlxGa1-xAs，较低Al组分的x为0.1-0.3，较高Al组分的x为0.3-0.6。
4.根据权利要求3所述的一种超晶格波导半导体激光器的结构，其中P型上超晶格波导结构,两种不同组分的AlxGa1-xAs材料的厚度在几纳米到几十纳米之间。
5.根据权利要求1所述的一种超晶格波导半导体激光器的结构，其中所述的P型上超晶格波导结构，两种不同组分的AlxGa1-xAs相互交替生长的组数数量为15组-20组。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104269740B (zh) * 2014-09-23 2018-01-30 中国科学院半导体研究所 一种激光器及其制作方法
JP7046803B2 (ja) * 2016-06-30 2022-04-04 ヌヴォトンテクノロジージャパン株式会社 半導体レーザ装置、半導体レーザモジュール及び溶接用レーザ光源システム
CN110808531B (zh) * 2019-09-29 2021-04-02 武汉云岭光电有限公司 一种半导体激光器外延结构
CN110783812A (zh) * 2019-11-21 2020-02-11 江苏索尔思通信科技有限公司 一种具有低接触电阻的InP基半导体激光器结构及其制备方法
CN113991427B (zh) * 2020-07-27 2024-03-15 山东华光光电子股份有限公司 双非对称波导层的小功率红光半导体激光器及制备方法
CN112563376A (zh) * 2020-12-11 2021-03-26 西安立芯光电科技有限公司 一种二极管外延结构

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4750183A (en) * 1986-02-19 1988-06-07 Sharp Kabushiki Kaisha Semiconductor laser device
CN1917313A (zh) * 2005-08-18 2007-02-21 中国科学院半导体研究所 大功率980nm量子阱半导体激光器半无铝结构

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4750183A (en) * 1986-02-19 1988-06-07 Sharp Kabushiki Kaisha Semiconductor laser device
CN1917313A (zh) * 2005-08-18 2007-02-21 中国科学院半导体研究所 大功率980nm量子阱半导体激光器半无铝结构

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
High-Efficiency A1GaAsGaAs Single-Quantum-Well Semiconductor Laser with Strained Superlattice Buffer Layer;K. IMANAKA, F. SATO, M. SHIMURA;《IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS》;19890131;第1卷(第1期);全文 *
具有超晶格缓冲层的量子阱激光器的研制;张福厚，宋坷，邢建平，郝修田;《中国激光》;19970225;第24卷(第2期);全文 *

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