CN104167662A - 一种量子阱结构的宽谱激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可以呈现宽谱特性的量子阱激光器，属于半导体光电子领域。本发明的激光器包括依次层叠的N型电极、N型衬底、N型缓冲层、第一N型重掺杂层、第一无掺杂的有源区、第二N型重掺杂层、第二无掺杂的有源区、P型重掺杂层、P型接触层和P型电极。本发明的宽谱激光器在两个有源区中间引入异质结，其中异质结由重掺杂N层和本征掺杂P层组成。可以实现有源区是量子阱的宽谱激光器。

Description

一种量子阱结构的宽谱激光器

技术领域

本发明涉及一种量子阱结构的宽谱激光器，此器件可以实现量子阱有源区的宽谱激光器。

背景技术

宽谱光源在光纤通信、探测传感、光谱学和生物医学成像等方面具有重要应用，所以对宽谱光源的研究已经成为热门的研究方向之一。

最早的宽谱光源是通过复杂的过滤系统来实现，但是这种系统需要外置的大功率激光器作为泵浦光源，这种系统体积庞大，价格昂贵，应用起来很不方便。

近期宽谱光源通常采用的做法是通过单个激光器输出宽谱来实现，也就是宽谱激光器。宽谱激光器根据其激射原理可以分为自发辐射宽谱激光器和受机辐射宽谱激光器。自发辐射宽谱激光器通过激光器的自发辐射来实现宽谱输出，但是这种激光器一般输出功率比较低，使其在很多应用方面具有很大限制作用。伴随而来的是对受激辐射宽谱激光器的研究，目前的受机辐射宽谱激光器的材料结构主要有量子点结构和量子冲结构，现在75nm谱宽的量子点宽谱激光器和41nm谱宽的量子冲宽谱激光器都已经被研制出来。但是这种量子点和量子冲宽谱激光器对有源区的设计要求很高，并且实现难度比较大、重复性差。除此之外，量子点和量子冲宽谱激光器的材料需要通过分子束外延技术来生长，这也限制了其大规模大批量生长。

量子阱激光器相对量子点激光器和量子冲激光器的光电性能相对较差，如增益低、高的阈值电流密度、低的调制速率和低的温度稳定性等。所以通过量子阱激光器来作为宽谱光源的研究一直没有获得最新进展。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种量子阱结构宽谱激光器。此结构的宽谱激光器的有源区只包括量子阱结构，这也是区别于传统宽谱激光器的重要部分。除此之外，宽谱激光器还可以发射低阈值、高功率、宽光谱的激光。这也是此结构宽谱激光器的优良特性。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种量子阱结构宽谱激光器，该宽谱激光器由依次层叠的N型电极层、N型衬底、N型缓冲层、第一N型重掺杂层、第一无掺杂量子阱有源区层、第二N型重掺杂层、第二无掺杂量子阱有源区层、P型重掺杂层、P型接触层和P型电极层组成，所述第一N型重掺杂层由AlGaAs材料构成。

根据本发明的一种具体实施方式，所述N型衬底由GaAs材料构成，所述N型缓冲层由GaAs材料构成。

根据本发明的一种具体实施方式，所述第一N型重掺杂层中的AlAs的组分为0.4～0.6的固定值。

根据本发明的一种具体实施方式，所述第一N型重掺杂层中的AlAs的组分是变化范围为0.3～0.6的线性渐变值。

根据本发明的一种具体实施方式，所述第一N型重掺杂层厚度设置在800nm～2500nm之间。

根据本发明的一种具体实施方式，所述第一无掺杂量子阱有源区层和第二无掺杂量子阱有源区层由III-V组材料构成。

根据本发明的一种具体实施方式，所述第一无掺杂量子阱有源区层和第二无掺杂量子阱有源区层均包括1～6个量子阱，量子阱材料为InGaAs或GaAs，垒的材料是AlGaAs或GaAs。

根据本发明的一种具体实施方式，所述第二N型重掺杂层由GaAs或AlGaAs材料构成。

根据本发明的一种具体实施方式，所述第二N型重掺杂层中AlGaAs的AlAs组分为0.3～0.7的固定值。

根据本发明的一种具体实施方式，所述第二N型重掺杂层厚度设置在30nm～400nm之间。

根据本发明的一种具体实施方式，所述P型重掺杂层由AlGaAs材料构成。

根据本发明的一种具体实施方式，所述P型重掺杂层中的AlAs的组分为0.4～0.6的固定值。

根据本发明的一种具体实施方式，所述P型重掺杂层中的AlAs的组分是变化范围为0.3～0.6的线性渐变值。

根据本发明的一种具体实施方式，所述P型重掺杂层厚度设置在800nm～2500nm之间。

(三)有益效果

本发明采用量子阱结构的宽谱激光器，可以有效解决现有技术中的问题。本发明的量子阱结构的宽谱激光器材料结构可以通过金属有机气相沉积(MOCVD)进行生长，不仅克服了宽谱激光器材料生长困难的问题，并且可以得到稳定的生长条件。除此之外，此结构的宽谱激光器具有结构简单、性能稳定等优点，同时可以实现低阈值、大功率、宽光谱的激光。

附图说明

图1是根据本发明提出的量子阱结构宽谱激光器的剖面图；

图2是根据本发明提出的量子阱结构宽谱激光器的光学功率-电流特性图；

图3是根据本发明提出的量子阱结构宽谱激光器在不同注入电流时的光谱特性图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图1是根据本发明提出的一种量子阱结构宽谱激光器的剖面图。如图1所示，该激光器由依次层叠的N型电极层1、N型衬底2、N型缓冲层3、第一N型重掺杂层4、第一无掺杂有源区层5、第二N型重掺杂层6、第二无掺杂有源区层7、P型重掺杂层8、P型接触层9和P型电极层10。

所述N型电极层1可由能形成N型欧姆接触的材料构成，例如Au/Zn或AuGeNi。其厚度应设置在150nm～1000nm之间，优选为300nm。其可通过热蒸发或磁控溅射方法制备。

所述N型衬底2由GaAs材料构成。

所述N型缓冲层3可由GaAs材料构成。其厚度应设置在100nm～1000nm之间，优选为400nm。其可通过MOCVD或MBE进行材料生长制备。

所述第一N型重掺杂层4可由AlGaAs材料构成，其中AlAs的组分可以是0.4～0.6的固定值，也可以是为线性渐变的值，例如AlAs组分变化范围为0.3～0.6。其厚度应设置在800nm～2500nm之间，优选为1800nm。其可通过MOCVD或MBE材料生长方法制备。

所述第一无掺杂量子阱有源区层5可由III-V组材料构成，例如GaAs，AlGaAs，InGaAs等。其中包括1～6个量子阱，量子阱材料为InGaAs或GaAs，垒的材料是AlGaAs或GaAs。其可通过MOCVD或MBE材料生长方法制备。

所述第二N型重掺杂层6可由GaAs或AlGaAs材料构成。其厚度应设置在30nm～400nm之间，优选为60nm。其可通过MOCVD或MBE材料生长方法制备。

所述第二无掺杂量子阱有源区层7可由III-V组材料构成，例如GaAs，AlGaAs，InGaAs等。其中包括1～6个量子阱，量子阱材料为InGaAs或GaAs，垒的材料是AlGaAs或GaAs。其可通过MOCVD或MBE材料生长方法制备。

所述P型重掺杂层8可由AlGaAs材料构成。其中AlAs的组分为0.4～0.6的固定值，或者为线性渐变的结构，其中AlAs组分变化范围为0.3～0.6。其厚度应设置在800nm～2500nm之间，优选为1800nm。其可通过MOCVD或MBE材料生长方法制备。

所述P型接触层9由GaAs材料构成。其厚度应设置在50nm～500nm之间，优选为300nm。其可通过MOCVD或MBE材料生长方法制备。

所述P型电极层10可由能够形成P型欧姆接触的材料构成，例如AuZn，TiAu。其厚度应设置在100nm～1000nm之间，优选为300nm。其可通过热蒸发或磁控溅射方法制备。

下面通过一个实施例来说明本发明的激光器及其相应的制备方法。

在该实施例中，该N型电极1制作在衬底2的下面，电极材料为AuGeNi或AuZn。

N型衬底2采用GaAs衬底，其衬底是(100)面N型镓砷材料。

在N型衬底2上制作N型缓冲层3，该N型缓冲层也采用MOCVD进行外延材料生长，其厚度为400nm。

在N型GaAs缓冲层3上制作第一N型重掺杂层4，该第一重掺杂层4由AlGaAs构成，掺杂物是硅Si，掺杂浓度大于或等于1×10¹⁸cm^-3。其中AlAs的组分是0.47，其厚度为1800nm。

在第一N型重掺杂层4上制作第一无掺杂量子阱有源区5，该第一无掺杂有源区5的有源区材料是InGaAs、GaAs、AlGaAs量子阱材料，量子阱个数为2。以InGaAS为量子阱材料，GaAs为垒材料，AlGaAs为限制层材料。

在第一无掺杂的量子阱有源区5上制作该第二N型重掺杂层6，第二N型重掺杂层6由GaAs构成，掺杂物是硅Si，掺杂浓度大于或等于1×10¹⁸cm^-3。其中GaAs层厚度为60nm。

在第二N型重掺杂层6上制作所述第二无掺杂量子阱有源区7，该有源区7的材料是InGaAs、GaAs、AlGaAs等量子阱材料，量子阱个数为2。以InGaAS为量子阱材料，GaAs为垒材料，AlGaAs为限制层材料。

在第二无掺杂的量子阱有源区7上制作该P型重掺杂层8，该P型重掺杂层8由AlGaAs构成，基掺杂物是碳C或锌Zn，掺杂浓度大于或等于1×10¹⁸cm^-3其中AlAs的组分是0.47，其厚度为1800nm。

在第二P型重掺杂层8上制作该P型接触层9，该P型接触层9由GaAs构成，掺杂物是碳C或锌Zn，掺杂浓度大于或等于1×10¹⁸cm^-3。其厚度为300nm。

在P型接触层9上制作该P型电极10，P型电极10电极材料为AuZn或TiAu或TiPtAu。其厚度为300nm。

由此结构材料制备的4微米条宽，300微米腔长的未镀膜激光器管芯在工作时，对该结构的宽谱激光器加脉冲电流，其中脉冲电流的周期为2微秒，占空比为0.5％。随着电流的增加，激光输出光谱逐渐变宽，并且在490mA时可以实现半高宽为43nm的光谱宽度。同时可以实现30mA的低阈值、30mW的大功率的激光。

图2是根据本发明提出的量子阱结构宽谱激光器的光学功率-电流特性图。如图所示，此宽谱激光器的阈值可低至30mA，功率可以高至30mW。

图3是根据本发明提出的量子阱结构宽谱激光器在不同注入电流时的光谱特性图。如图所示，随着注入电流的增加，激光器的光谱逐渐展宽，当激光器注入电流为490mA时可以实现波长为1040nm-1083nm的连续光谱。

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，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 (15)

1.一种量子阱结构的宽谱激光器，其特征在于，该宽谱激光器由依次层叠的N型电极层(1)、N型衬底(2)、N型缓冲层(3)、第一N型重掺杂层(4)、第一无掺杂量子阱有源区层(5)、第二N型重掺杂层(6)、第二无掺杂量子阱有源区层(7)、P型重掺杂层(8)、P型接触层(9)和P型电极层(10)组成，所述第一N型重掺杂层(4)由AlGaAs材料构成。 

2.如权利要求1所述的量子阱结构宽谱激光器，其特征在于，所述N型衬底(2)由GaAs材料构成，所述N型缓冲层(3)由GaAs材料构成。 

3.如权利要求1所述的量子阱结构宽谱激光器，其特征在于，所述第一N型重掺杂层(4)中的AlAs的组分为0.4～0.6的固定值。 

4.如权利要求1所述的量子阱结构宽谱激光器，其特征在于，所述第一N型重掺杂层(4)中的AlAs的组分是变化范围为0.3～0.6的线性渐变值。 

5.如权利要求1所述的量子阱结构宽谱激光器，其特征在于，所述第一N型重掺杂层(4)厚度设置在800nm～2500nm之间。 

6.如权利要求1所述的量子阱结构宽谱激光器，其特征在于，所述第一无掺杂有源区层(5)和第二无掺杂有源区层(7)由III-V组材料构成。 

7.如权利要求6所述的量子阱结构宽谱激光器，其特征在于，所述第一无掺杂量子阱有源区层(5)和第二无掺杂量子阱有源区层(7)均包括1～6个量子阱，量子阱材料为InGaAs或GaAs，垒的材料是AlGaAs或GaAs。 

8.如权利要求1所述的量子阱结构宽谱激光器，其特征在于，所述第二N型重掺杂层(6)由GaAs或AlGaAs材料构成。 

9.如权利要求1所述的量子阱结构宽谱激光器，其特征在于，所述第二N型重掺杂层(6)中的AlAs的组分为0.4～0.6的固定值。 

10.如权利要求1所述的量子阱结构宽谱激光器，其特征在于，所述第二N型重掺杂层(6)中的AlAs的组分是变化范围为0.3～0.6的线性渐变值。 

11.如权利要求1所述的量子阱结构宽谱激光器，其特征在于，所述第二N型重掺杂层(6)厚度设置在30nm～400nm之间。 

12.如权利要求1所述的量子阱结构宽谱激光器，其特征在于，所述P型重掺杂层(8)由AlGaAs材料构成。 

13.如权利要求1所述的量子阱结构宽谱激光器，其特征在于，所述P型重掺杂层(8)中的AlAs的组分为0.4～0.6的固定值。 

14.如权利要求1所述的量子阱结构宽谱激光器，其特征在于，所述P型重掺杂层(8)中的AlAs的组分是变化范围为0.3～0.6的线性渐变值。 

15.如权利要求1所述的量子阱结构宽谱激光器，其特征在于，所述P型重掺杂层(8)厚度设置在800nm～2500nm之间。