CN104377548A - 一种白光半导体激光器 - Google Patents

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高祥宇
王智勇
邱运涛
贾冠男
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Abstract

本发明提供一种白光半导体激光器，其包括：蓝宝石衬底、缓冲层、三个外延生长层、波长合束器；所述蓝宝石衬底为基板，依次覆上所述缓冲层和所述三个外延生长层；所述三个外延生长层作为有源区，激射出的三种波长的光；所述波长合束器将所述三种波长的光合束形成白光。本发明可以同时发射出三种不同波长光的激光器，在此基础上可通过波长合束的技术将三种不同波长的光束进行合束，使以蓝宝石为基底的白光半导体激光器的应用范围更广泛。

Description

一种白光半导体激光器
技术领域
本发明属于领域，尤其涉及一种白光半导体激光器。
背景技术
随着半导体激光技术的日趋成熟以及应用领域的不断扩展，半导体激光器件的应用范围已经覆盖了光电子学的诸多领域，成为当今光电子实用器件的核心技术。由于半导体激光器件具有体积小，质量轻，寿命长等优点，广泛应用于军事、工业及民用等领域。以蓝宝石为衬底的半导体激光器件因其结构简单、工作稳定、价格低廉等优点在市场上有很高的占有率。由于其衬底是由非导电材料蓝宝石构成，故在生长器件时，要通过外延生长、刻蚀、扩散、制作电极等方法将其P型电极与N型电极置于同一表面，生长成具有高度差的台阶型表面结构。传统的制备方法为在蓝宝石基底材料上生长外延层，形成具有一个P型电极和一个N型电极的只能发射单一波长的激光。而传统的白光半导体激光器的制作方法是将三种不同波长的激光通过波长合束技术进行耦合，这样增加了白光激光器的成本以及体积，不利于其广泛应用。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种白光半导体激光器，其可以同时发射出三种不同波长光的激光器，在此基础上可通过波长合束的技术将三种不同波长的光束进行合束，使以蓝宝石为基底的白光半导体激光器的应用范围更广泛。
本发明的白光半导体激光器，其包括：蓝宝石衬底、缓冲层、三个外延生长层、波长合束器；
所述蓝宝石衬底为基板，依次覆上所述缓冲层和所述三个外延生长层；
所述三个外延生长层作为有源区，激射出的三种波长的光；
所述波长合束器将所述三种波长的光合束形成白光；
其中：
所述三个外延生长层分别为：红光外延生长层、绿光外延生长层和蓝光外延生长层；在每个外延生长层的N面电极接触层生长相应的N型电极，在每个外延生长层的P面电极接触层生长相应的P型电极；每个外延生长层从下往上依次包括N面电极接触层、保护层、N面包层、N面波导层、有源区、P面电子阻挡层、P面波导层、P面包层、P面电极接触层；所述三个外延生长层是采用金属有机化合物化学气相淀积的方式逐层沉积于所述蓝宝石衬底上方；所述P型电极和N型电极是在每个外延生长层上经光刻腐蚀、蒸发或溅射的方法覆盖一层或多层金属，然后再进行合金化形成的低阻金属；
所述波长合束器包括：快轴准直镜、慢轴准直镜、透镜和色散元件；
其中，所述快轴准直镜用于准直快轴方向的光束，所述慢轴准直镜用于准直慢轴方向的光束，所述透镜用于将所述快轴准直镜和所述慢轴准直镜准直的光束聚焦到所述色散元件上，所述色散元件将所述光束合束成白光。
进一步的，所述色散元件为棱镜或者光栅。
进一步的，所述缓冲层的材质为GaN，厚度为0.03μm。
进一步的，所述蓝宝石衬底为三方晶系，折光率为1.76-1.77。
进一步的，所述保护层的材质为In0.1Ga0.9N，厚度为0.1μm。
进一步的，所述P面电子阻挡层的材质为Al0.2Ga0.8N，厚度为0.02μm。
进一步的，所述N面包层和所述P面包层的材质为Al0.15Ga0.85N，厚度为0.4μm。
进一步的，所述N面波导层和所述P面波导层的材质为GaN，厚度为0.1μm。
进一步的，对每个外延生长层N型电极和P型电极进行蒸镀处理，然后采用PVD的方法将电极以外的部分覆盖SiN/SiO2绝缘层。
本发明的有益效果在于：
本发明改变传统的半导体激光器芯片的外延生长结构，采用重复生长外延层的方法，即在蓝宝石基底材料上生长一层外延层后，再累积生长两层同结构不同组分的外延层，通过光刻、腐蚀等方法，使一个芯片同时具有三个不同组分的有源区、三个P型电极及三个N型电极，该方法可以将现有的一种芯片只能发出单色光的激光器变为可以同时发射出三种不同波长光的激光器，并且三种波长光的电极相互独立，可单独调节电流大小控制光束的亮度及功率等。在此基础上可通过波长合束的技术将红、绿、蓝三种不同波长的光束进行合束。使以蓝宝石为基底的白光半导体激光器的应用范围更广泛。
附图说明
图1为本发明的白光半导体激光器中的有源区示意图；
图2为本发明的白光半导体激光器示意图。
其中附图标记为：
(1)蓝宝石衬底
(2)缓冲层
(3)红光外延生长层
(4)绿光外延生长层
(5)蓝光外延生长层
(6)蓝光P型电极
(7)蓝光N型电极
(8)绿光P型电极
(9)绿光N型电极
(10)红光P型电极
(11)红光N型电极
红光外延生长层：
(301)P面电极接触层
(302)P面包层
(303)P面波导层
(304)P面电子阻挡层
(305)有源区
(306)N面波导层
(307)N面包层
(308)保护层
(309)N面电极接触层
绿光外延生长层：
(401)P面电极接触层
(402)P面包层
(403)P面波导层
(404)P面电子阻挡层
(405)有源区
(406)N面波导层
(407)N面包层
(408)保护层
(409)N面电极接触层
蓝光外延生长层：
(501)P面电极接触层
(502)P面包层
(503)P面波导层
(504)P面电子阻挡层
(505)有源区
(506)N面波导层
(507)N面包层
(508)保护层
(509)N面电极接触层
(12、13、14)有源区
(15)快轴准直镜
(16)慢轴准直镜
(17)透镜
(18)色散元件
(19)白光
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明的白光半导体激光器由蓝宝石衬底(1)、缓冲层(2)、红光外延生长层(3)、绿光外延生长层(4)、蓝光外延生长层(5)、蓝光P型电极(6)、蓝光N型电极(7)、绿光P型电极(8)、绿光N型电极(9)、红光P型电极(10)、红光N型电极(11)、有源区(12、13、14)、波长合束器组成，其中波长合束器包括：快轴准直镜(15)、慢轴准直镜(16)、透镜(17)、色散元件(18)。所述波长合束器将所述三种波长的光合束形成白光(19)。
所述的红光外延生长层包括N面电极接触层(309)、保护层(308)、N面包层(307)、N面波导层(306)、有源区(305)、P面电子阻挡层(304)、P面波导层(303)、P面包层(302)、P面电极接触层(301)。
所述的绿光外延生长层包括N面电极接触层(409)、保护层(408)、N面包层(407)、N面波导层(406)、有源区(405)、P面电子阻挡层(404)、P面波导层(403)、P面包层(402)、P面电极接触层(401)。
所述的蓝光外延生长层包括N面电极接触层(509)、保护层(508)、N面包层(507)、N面波导层(506)、有源区(505)、P面电子阻挡层(504)、P面波导层(503)、P面包层(502)、P面电极接触层(501)。
所述蓝宝石衬底作为激光介质是生长其他结构的基板，主要成分是氧化铝(Al2O3)；所述外延生长层是采用金属有机化合物化学气相淀积的方法逐层沉积生长于蓝宝石衬底上方；所述P型电极与N型电极是通过光刻腐蚀外延生长层，再采用蒸发或溅射的方法覆盖一层或多层金属，在适当的温度下进行合金化形成的低阻金属。从左到右依次为蓝光P型电极，蓝光N型电极，绿光P型电极，绿光N型电极，红光P型电极和红光N型电极。
缓冲层(2)为0.03μm厚的GaN，需在550℃的条件下生长。
蓝宝石衬底(1)为三方晶系，折光率为1.76-1.77，是非均质体，无解理，是裂理发育。
保护层(308)、保护层(408)及保护层(508)为0.1μm厚的In0.1Ga0.9N，作为防止AlGaN薄膜破裂的缓冲层。
P面电子阻挡层(304)、P面电子阻挡层(404)及P面电子阻挡层(504)为0.02μm厚的Al0.2Ga0.8N，防止有源区InGaN在生长P型材料时解离。
N面包层(307)、P面包层(302)、N面包层(407)、P面包层(402)、N面包层(507)、P面包层(502)为0.4μm厚Al0.15Ga0.85N，N型材料中掺杂Si，P型材料中掺杂Mg，主要用作限制有源区量子阱层发出的光。
N面波导层(306)、P面波导层(303)、N面波导层(406)、P面波导层(403)、N面波导层(506)、P面波导层(503)为0.1μm的GaN，N型材料中掺杂Si，P型材料中掺杂Mg，主要用作限制电流。
所述快轴准直镜用于准直快轴方向的光束，所述慢轴准直镜用于准直慢轴方向的光束，所述透镜用于将所述快轴准直镜和所述慢轴准直镜准直的光束聚焦到所述色散元件上，所述色散元件将所述光束合束成白光(19)。
且波长合束器中所用的色散元件为棱镜或者光栅。
有源区的生成方法：选取适当的蓝宝石基底，在蓝宝石基底上采用金属有机化合物化学气相淀积的方法逐层沉积材料；
首先形成发射红光的外延层，即依次生长缓冲层(0.03μm厚的GaN)、衬底层(3μm厚掺杂Si的N型GaN)、保护层(0.1μm厚掺杂Si的N型In0.1Ga0.9N)、N面包层(0.4μm厚掺杂Si的N型Al0.15Ga0.85N)、N面波导层(0.1μm厚掺杂Si的N型GaN)、有源区(0.0025μm厚的In0.43GaN)、电子阻挡层(0.02μm厚掺杂Mg的P型Al0.2Ga0.8N)、P面波导层(0.1μm厚掺杂Mg的P型GaN)、P面包层(0.4μm厚掺杂Mg的P型Al0.15Ga0.85N)、电极接触层(0.5μm厚掺杂Mg的P型GaN)，此部分结构中的有源区为发射红光的In0.32GaN材料。
在红光外延生长层的电极接触层上重复生长发射绿光的外延层，即衬底层(3μm厚掺杂Si的N型GaN)、保护层(0.1μm厚掺杂Si的N型In0.1Ga0.9N)、N面包层(0.4μm厚掺杂Si的N型Al0.15Ga0.85N)、N面波导层(0.1μm厚掺杂Si的N型GaN)、有源区(0.0025μm厚的In0.3GaN)、电子阻挡层(0.02μm厚掺杂Mg的P型Al0.2Ga0.8N)、P面波导层(0.1μm厚掺杂Mg的P型GaN)、P面包层(0.4μm厚掺杂Mg的P型Al0.15Ga0.85N)、电极接触层(0.5μm厚掺杂Mg的P型GaN)，此部分结构中的有源区为发射绿光的In0.3GaN材料。
在绿光外延生长层的电极接触层上重复生长发射蓝光的外延层，即衬底层(3μm厚掺杂Si的N型GaN)、保护层(0.1μm厚掺杂Si的N型In0.1Ga0.9N)、N面包层(0.4μm厚掺杂Si的N型Al0.15Ga0.85N)、N面波导层(0.1μm厚掺杂Si的N型GaN)、有源区(0.0025μm厚的In0.18GaN)、电子阻挡层(0.02μm厚掺杂Mg的P型Al0.2Ga0.8N)、P面波导层(0.1μm厚掺杂Mg的P型GaN)、P面包层(0.4μm厚掺杂Mg的P型Al0.15Ga0.85N)、电极接触层(0.5μm厚掺杂Mg的P型GaN)，此部分结构中的有源区为发射蓝光的In0.18GaN材料。
在刻蚀过程中：
首先将光刻胶涂于蓝光P型电极的位置，采用化学腐蚀的方法去掉除其余位置蓝光衬底层以上的多余材料；
再将光刻胶涂于蓝光N型电极的位置，采用化学腐蚀的方法去掉除其余位置绿光电极接触层以上的多余材料；
同样的方法依次腐蚀出具有六个电极的台阶型表面结构，随后去掉光刻胶。
采用蒸发或溅射的方法在三组N面和P面上覆盖一层或多层金属或合金，然后在适当的温度下进行合金化，形成低阻的金属，使之成为有三组P型电极和N型电极,从左到右依次为蓝光P型电极，蓝光N型电极，绿光P型电极，绿光N型电极，红光P型电极和红光N型电极。
将除电极以外的区域用PVD的方法覆盖SiN/SiO2绝缘材料。如此便形成了有三组P型电极与N电极的台阶型表面结构(如图1)。
因为三组电极彼此独立，因此可单独对三路光束进行加电流控制。最终将三种不同波长的激射光通过透镜聚焦在色散元件上进行波长合束形成白光(如图2)。此结构使以蓝宝石为基底的激光器的应用范围更广泛。
惟以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，举凡熟悉此项技艺的专业人士。在了解本发明的技术手段之后，自然能依据实际的需要，在本发明的教导下加以变化。因此凡依本发明申请专利范围所作的同等变化与修饰，都应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (9)

1.一种白光半导体激光器，其特征在于，包括：蓝宝石衬底、缓冲层、三个外延生长层、波长合束器；
所述蓝宝石衬底为基板，依次覆上所述缓冲层和所述三个外延生长层；
所述三个外延生长层作为有源区，激射出的三种波长的光；
所述波长合束器将所述三种波长的光合束形成白光；
其中：
所述三个外延生长层分别为：红光外延生长层、绿光外延生长层和蓝光外延生长层；在每个外延生长层的N面电极接触层生长相应的N型电极，在每个外延生长层的P面电极接触层生长相应的P型电极；每个外延生长层从下往上依次包括N面电极接触层、保护层、N面包层、N面波导层、有源区、P面电子阻挡层、P面波导层、P面包层、P面电极接触层；所述三个外延生长层是采用金属有机化合物化学气相淀积的方式逐层沉积于所述蓝宝石衬底上方；所述P型电极和N型电极是在每个外延生长层上经光刻腐蚀、蒸发或溅射的方法覆盖一层或多层金属，然后再进行合金化形成的低阻金属；
所述波长合束器包括：快轴准直镜、慢轴准直镜、透镜和色散元件；
其中，所述快轴准直镜用于准直快轴方向的光束，所述慢轴准直镜用于准直慢轴方向的光束，所述透镜用于将所述快轴准直镜和所述慢轴准直镜准直的光束聚焦到所述色散元件上，所述色散元件将所述光束合束成白光。
2.如权利要求1所述的白光半导体激光器，其特征在于，
所述色散元件为棱镜或者光栅。
3.如权利要求1所述的白光半导体激光器，其特征在于，
所述缓冲层的材质为GaN，厚度为0.03μm。
4.如权利要求1所述的白光半导体激光器，其特征在于，
所述蓝宝石衬底为三方晶系，折光率为1.76-1.77。
5.如权利要求1所述的白光半导体激光器，其特征在于，
所述保护层的材质为In0.1Ga0.9N，厚度为0.1μm。
6.如权利要求1所述的白光半导体激光器，其特征在于，
所述P面电子阻挡层的材质为Al0.2Ga0.8N，厚度为0.02μm。
7.如权利要求1所述的白光半导体激光器，其特征在于，
所述N面包层和所述P面包层的材质为Al0.15Ga0.85N，厚度为0.4μm。
8.如权利要求1所述的白光半导体激光器，其特征在于，
所述N面波导层和所述P面波导层的材质为GaN，厚度为0.1μm。
9.如权利要求1所述的白光半导体激光器，其特征在于，
对每个外延生长层N型电极和P型电极进行蒸镀处理，然后采用PVD的方法将电极以外的部分覆盖SiN/SiO2绝缘层。
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