CN103457158A

CN103457158A - 一种TM偏振的GaAsP/GaInP有源区808nm量子阱激光器

Info

Publication number: CN103457158A
Application number: CN2012101763561A
Authority: CN
Inventors: 李沛旭; 徐现刚; 张新; 蒋锴; 汤庆敏
Original assignee: Shandong Inspur Huaguang Optoelectronics Co Ltd
Current assignee: Shandong Huaguang Optoelectronics Co Ltd
Priority date: 2012-05-31
Filing date: 2012-05-31
Publication date: 2013-12-18

Abstract

本发明提供了一种TM偏振的GaAsP/GaInP有源区808nm量子阱激光器，其结构由下至上依次包括衬底、缓冲层、N型下限制层、下波导层、量子阱层、上波导层、P型上限制层、欧姆接触层，上波导层和下波导层采用无铝材料镓铟磷，量子阱层为镓砷磷材料，波导层和量子阱层共同组成宽波导无铝有源区。本发明能够有效降低Al组分的氧化、生长界面粗糙、腔面处附生电场对激光器大功率输出和长寿命等可靠性的影响。同时波导层和限制层经过优化设计为宽波导非对称结构，能够有效降低内损耗、提高最大输出功率和可靠性。

Description

一种TM偏振的GaAsP/GaInP有源区808nm量子阱激光器

技术领域

本发明涉及一种TM偏振的GaAsP/GaInP有源区808nm量子阱激光器，属于半导体激光器技术领域。

背景技术

808nm大功率量子阱激光器广泛应用于抽运Nd：YAG固体激光器、工业加工和激光医疗等领域，有着非常广泛的应用前景和市场价值。由于巨大的市场需求，808nm量子阱半导体激光器得到了迅猛发展。随着应用的发展，对激光器的输出功率要求越来越大。对于808nm半导体激光器而言，由高功率密度引起的腔面光学灾变损伤、载流子复合热效应引起的有源区和腔面温度升高成为限制最大输出光功率密度的主要因素。

十几年来，随着激光器技术和半导体薄膜生长技术的发展，以低铝组分的AlGaAs为量子阱，不同铝组分的AlGaAs分别作为波导层和限制层的全铝结构由于受到量子阱中Al元素易氧化、腔面光学损伤阈值低等缺点的限制逐步淡出市场。

为了提高半导体激光器的输出功率和可靠性等，市场上开发出了无铝材料作为发光区的AlGaAs基半导体激光器，如文章Proc.of SPIE Vol.6104,61040B（2006）、Japan Journalof Applied Physics Vol.38(1999)pp.387-389等报道了AlGaAs为限制层，AlGaAs或者GaInP为波导层，InGaAsP为量子阱的结构。专利CN1901301和CN1866652也报道了采用了AlGaAs材料作为基础设计制作的量子阱激光器，该类结构虽然在一定程度上改善了激光器的最大输出功率等特性，但是由于该类结构仍然以AlGaAs材料为基础，暗线缺陷容易传播、Al的氧化等性质仍然限制了该类激光器的性能；同时无铝材料与AlGaAs材料的生长温度不同，为了得到好的晶体质量必须在生产完无铝量子阱后中止生长，等提升环境温度后再进行AlGaAs材料类的生长，由于无铝InGaAsP等材料在中断生长时露出造成P元素的回融分解，这就造成无铝量子阱层的界面比较粗糙，而如果不中断生长采用连续生长，则因为无铝材料与AlGaAs材料最佳生长温度差异较大造成材料生长质量不好，这些都不利于半导体激光器的高功率高可靠性工作。

为了解决上述问题，专利CN1442934提出了在无铝InGaAsP材料量子阱及AlGaAs波导层之间增加GaAsP或者InGaAsP材料的垒层，然后通过逐步提高温度而不中断生长的方法减少因为量子阱同AlGaAs材料最佳生长温度不同而造成的界面粗糙等问题。但是该专利所提的方法依然是采用了AlGaAs作为波导层和限制层，没有摆脱高Al组分结构的范畴，仍然受到如前文所述的不利因素的影响。

随着激光器应用范围的扩大，要求的输出功率越来越高，除了材料组分的优化组合外，在结构设计上也逐步得到优化。专利CN1226759报道了一种多量子阱激光器，该结构通过隧道结的方式耦合了多个量子阱在一个结构中实现了降低光功率密度的目的，但是该结构对生长技术、掺杂技术要求较高而且不容易生长，而由于多个量子阱之间的相互影响，也不利于高功率连续电流条件下工作；随着技术的发展，目前为了获得稳定的高功率输出，降低光功率密度的大光腔宽波导结构成为大功率激光器的常用结构。专利CN101820136A采用了大光腔宽波导结构以用来实现高功率光输出的目的，但是高铝组分的AlGaAs材料却用限制了该结构的最大输出功率水平。

发明内容

发明概述

针对以上的技术不足，本发明提供一种TM偏振的GaAsP/GaInP有源区808nm量子阱激光器，该激光器几乎不含铝组分，因此不但有效降低Al组分对激光器可靠性的影响，而且还能有效降低腔面的光功率密度和内部吸收；同时该激光器采用了无铝的GaAsP为量子阱层，GaInP为波导层，低铝组分的AlGaInP材料作为限制层，其中波导层和限制层经过优化设计为宽波导非对称结构，能够有效降低内损耗、提高最大输出功率和可靠性。

术语解释

1.TM偏振：激光是光的一种，都属于电磁波，具有电场和磁场震动并且其电场和磁场的震动方向固定。其电场方向称为光的偏振方向。在半导体激光器中，当输出激光的电场方向垂直于PN结平面时，称为TM偏振。

2.张应变：材料承受外力作用时，除内部产生应力外，外形上必相伴产生变形。在生长半导体激光器材料时，一般采用GaAs材料作为衬底基板，而采用的GaAsP材料的晶格要比GaAs的小，而生长时两种材料的晶格要匹配，GaAsP就会产生一个伸长量，这种现象即为张应变。

发明详述

本发明的技术方案如下：

一种TM偏振的GaAsP/GaInP有源区808nm量子阱激光器，包括由下至上设置的衬底、缓冲层、下限制层、下波导层、量子阱层、上波导层、上限制层和欧姆接触层；

所述衬底为（100）面偏（110）方向的N型高掺杂镓砷，偏角大小为0-15°，根据本发明优选的，所述衬底中所述的N型杂质为Si，Si的掺杂浓度大于2×10¹⁸/cm³；

所述缓冲层为厚度300-500nm的N型高掺杂镓砷材料，根据本发明优选的，所述缓冲层中所述的N型杂质为Si，Si的掺杂浓度为1×10¹⁸/cm³；

所述下限制层为厚度1.0-1.4μm的N型铝镓铟磷材料，其中N型杂质为Si；所述下限制层的铝的含量为5-10%。该下限制层中采用了含量较低的铝组分，降低了N型材料区与有源区的折射率差，有利于光场向N型材料区扩展，从而减少光吸收提高光电转换效率并降低远场发散角。

所述下波导层为厚度600-900nm的镓铟磷；

所述量子阱层为张应变的GaAsP材料，根据本发明优选的，所述量子阱层的厚度为10-15nm；工作时该量子阱层能够保证TM偏振形式，并相比压应变或者无应变量子阱有更高的光学增益，有利于提高效率。

所述上波导层为厚度350-650nm的镓铟磷；所述下波导层的厚度大于上波导层的厚度。

所述上限制层为P型铝镓铟磷，根据本发明优选的，所述上限制层的厚度为1.0-2.0μm，所述上限制层中铝含量为10%-20%。此处上限制层的设置易得到高掺杂、高质量的外延材料，有利于减小激光器的串联电阻。

所述欧姆接触层为P型高掺杂镓砷，根据本发明优选的，所述欧姆接触层的厚度为250-350nm。

该结构中不同的上下波导层和限制层构成非对称限制宽波导结构，有利于改善半导体激光器的光场分布、提高激光器的转换效率，降低腔面光功率密度、增加激光器的工作可靠性；同时不同的波导层厚度结合改进的限制层，改变了有源区和限制层的折射率差，降低了远场发散角，并能够降低温度梯度对光场模式的影响。

本发明的优点在于：

本发明采用了无铝的GaAsP为量子阱层，GaInP为波导层，能够有效降低铝组分的氧化、生长界面粗糙、腔面处附生电场对激光器大功率输出和长寿命等可靠性的影响。同时波导层和限制层经过优化设计为宽波导非对称结构，能够有效降低内损耗、提高最大输出功率和可靠性。另外该结构容易实现，并且具有非常好的重复性，能够适合批量生产满足市场需求。

1.本发明所述下波导层、量子阱层和上波导层组成无铝结构的有源区，能够提高腔面的光学灾变损伤阈值，从而提高激光器的最大输出功率。

2.本发明所述下波导层和上波导层的厚度不同，下波导层的厚度大于上波导层的厚度，不同的上下波导层构成非对称宽波导结构，有利于降低腔面的光功率密度、提高激光器的转换效率，增加激光器的工作可靠性。

3.本发明所述上限制层为P型铝镓铟磷材料，欧姆接触层为P型镓砷材料，上波导层和下波导层采用无铝材料镓铟磷，量子阱层为张应变镓砷磷材料。上波导层、量子阱层和下波导层共同组成宽波导无铝有源区。同时有源区同为P系列材料，制备时采用相近的温度进行生长，降低了界面粗糙度。

附图说明

图1为本发明所述激光器的结构示意图；

图2为实施例1所述激光器器件测试结果；

图3为实施例2所述激光器器件测试结果。

在图1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、欧姆接触层。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

其中，实施例1、2为根据本发明所述808nm量子阱激光器的两个具体实例；

实施例1、

如图1、2所示。一种TM偏振的GaAsP/GaInP有源区808nm量子阱激光器，包括由下至上设置的衬底1、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和欧姆接触层8；所述衬底1为（100）面偏（110）方向的N型高掺杂镓砷，偏角大小为15°，其中所述的N型杂质为Si，Si的掺杂浓度为2×10¹⁹/cm³；所述缓冲层2为厚度300nm的N型高掺杂镓砷材料，其中N型杂质为Si，Si的掺杂浓度1×10¹⁸/cm³；所述下限制层3为厚度1.0μm的N型铝镓铟磷材料，其中N型杂质为Si；所述下限制层3的铝的含量为5%；所述下波导层4为厚度600nm的镓铟磷；所述量子阱层5为张应变的GaAsP材料，厚度为12nm；

所述上波导层6为厚度450nm的镓铟磷；所述上限制层7为P型铝镓铟磷，厚度为1.0μm，所述P型铝镓铟磷中铝含量为15%；所述欧姆接触层8为P型高掺杂镓砷，厚度为300nm。

其中，图2为实施例1所述激光器器件的PIV测试结果。

实施例2、

如图1和3所示。如实施例1所述的一种TM偏振的GaAsP/GaInP有源区808nm量子阱激光器，其区别在于：

所述衬底1为（100）面偏（110）方向的N型高掺杂镓砷，偏角大小为10°，其中所述的N型杂质为Si，Si的掺杂浓度为5×10¹⁹/cm³；所述缓冲层2为厚度400nm的N型高掺杂镓砷材料；所述下限制层3为厚度1.2μm的N型铝镓铟磷材料，所述下限制层3的铝的含量为7%。所述下波导层4为厚度800nm的镓铟磷；所述量子阱层5为张应变的GaAsP材料，厚度为13nm；所述上波导层6为厚度600nm的镓铟磷；所述上限制层7为P型铝镓铟磷，厚度为1.2μm，所述P型铝镓铟磷中铝含量为20%。所述欧姆接触层8为P型高掺杂镓砷，厚度为250nm。

其中，图3为实施例2所述激光器器件的功率测试结果。

通过实施例2和实施例3的具体制作和测试，如图2和3所示，最终制作的激光器器件的输出斜率效率可以到达1.39W/A以上，并且10A时最大输出功率可以超过11瓦而没有出现明显的热饱和和损伤现象，而本背景技术中所提到常规结构器件的斜率效率一般很难超过1.3W/A。此结果与常规材料结构的器件相比，其输出斜率效率和最大输出功率都有了明显改善，说明如本发明所述的激光器具有明显的优势。

Claims

1.一种TM偏振的GaAsP/GaInP有源区808nm量子阱激光器，其特征在于，其包括由下至上设置的衬底、缓冲层、下限制层、下波导层、量子阱层、上波导层、上限制层和欧姆接触层；所述衬底为（100）面偏（110）方向的N型高掺杂镓砷，偏角大小为0-15°；所述缓冲层为厚度300-500nm的N型高掺杂镓砷材料；所述下限制层为厚度1.0-1.4μm的N型铝镓铟磷材料，其中N型杂质为Si；所述下限制层的铝的含量为5-10%；所述下波导层为厚度600-900nm的镓铟磷；所述量子阱层为张应变的GaAsP材料；所述上波导层为厚度350-650nm的镓铟磷；所述下波导层的厚度大于上波导层的厚度；所述上限制层为P型铝镓铟磷，所述上限制层的厚度为1.0-2.0μm，所述上限制层中铝含量为10%-20%；所述欧姆接触层为P型高掺杂镓砷。

2.根据权利要求1所述的一种TM偏振的GaAsP/GaInP有源区808nm量子阱激光器，其特征在于，所述衬底中所述的N型杂质为Si，Si的掺杂浓度大于2×10¹⁸/cm³。

3.根据权利要求1所述的一种TM偏振的GaAsP/GaInP有源区808nm量子阱激光器，其特征在于，所述缓冲层中所述的N型杂质为Si，Si的掺杂浓度为1×10¹⁸/cm³。

4.根据权利要求1所述的一种TM偏振的GaAsP/GaInP有源区808nm量子阱激光器，其特征在于，所述量子阱层的厚度为10-15nm。

5.根据权利要求1所述的一种TM偏振的GaAsP/GaInP有源区808nm量子阱激光器，其特征在于，所述欧姆接触层的厚度为250-350nm。