CN104466678A - 大功率低阈值基横模975nm半导体激光器管芯 - Google Patents

大功率低阈值基横模975nm半导体激光器管芯 Download PDF

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刘素平
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Abstract

本发明公开了一种大功率低阈值基横模975nm半导体激光器管芯，其中包括：一镓砷衬底，用于在其上生长激光器各外延层材料；一缓冲层，制作于衬底上；一下限制层，制作于缓冲层上；一下波导层，制作于下限制层上；一有源区，制作于下波导层上；一上波导层，制作于有源区上；一上限制层，制作于上波导层上；一欧姆接触层，制作于上限制层上；一双沟结构，刻蚀在欧姆接触层上，刻蚀深度至上波导层以内，形成脊形台面结构；一电流阻挡层，制作于欧姆接触层及双沟底部的上表面，在脊形台面顶部断开；一P面金属电极，制作于上表面；一N面金属电极，制作于衬底下表面。

Description

大功率低阈值基横模975nm半导体激光器管芯
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，特别是一种大功率低阈值基横模975nm半导体激光器管芯。
背景技术
975nm半导体激光器作为掺铒光纤放大器和掺铒光纤激光器的泵浦源有很重要的应用。要取得更好的泵浦效果，一方面要求其具有好的光束质量，即实现基横模，获得好的光斑形状及较小的发散角；另一方面，要求其具有较低的阈值电流及较高的斜率效率，来提高其发光效率。
为了降低器件阈值电流和增加效率，采用应变量子阱结构作为有源区，波导结构采用载流子和光子分别限制结构，并优化了各外延层的组分及厚度；为了实现高光束质量的输出，设计脊形波导结构来使高阶模截止，计算并优化了脊形波导的条宽和高度，来实现稳定的基横模输出。
发明内容
本发明的目的是降低半导体激光器的阈值电流，提高其发光效率，实现基横模稳定输出。
为实现上述目的，本发明提出一种基横模半导体激光器管芯，包括衬底、有源区、下限制层、上限制层、欧姆接触层、下电极和上电极。所述下限制层制作于所述衬底的上方，用于限制光场在朝向所述衬底的方向上扩展；所述有源区制作于所述下限制层的上方，用于提供光增益；所述上限制层制作于所述有源区的上方，用于限制光场在远离所述衬底的方向上扩展；欧姆接触层，制作于所述上限制层的上方，用于与所述上电极形成欧姆接触；在所述欧姆接触层和所述上限制层中沿各层的平面扩展方向形成两个沟道，该两个沟道之间的区域称为脊形台面，所述两个沟道和该脊形台面称为双沟结构；电流阻挡层，制作于所述欧姆接触层的上表面以及所述两个沟道的底部及侧面，但不形成于所述脊形台面的上表面，用于防止电流泄漏；所述下电极制作于所述衬底的下表面。
根据本发明的具体实施方式，所述双沟结构的沟道深度为1.28～1.32μm，脊形台面的宽度为3.5～4μm。
根据本发明的具体实施方式，还包括缓冲层，制作于所述衬底与所述下限制层之间。
根据本发明的具体实施方式，所述缓冲层为N型镓砷材料。
根据本发明的具体实施方式，还包括下波导层和/或上波导层，该下波导层和上波导层的形成位置分别位于所述有源区的下侧和上侧，并与所述有源区紧邻；当包括上波导层时，所述沟道也形成于该上波导层中。
根据本发明的具体实施方式，所述下波导层和上波导层为低掺杂的N型铝镓砷材料，其组分比例为Al0.25Ga0.75As。
根据本发明的具体实施方式，所述有源区具有铝镓铟砷的应变量子阱结构，中心发光波长为975nm。
根据本发明的具体实施方式，所述下限制层和上限制层为高掺杂的N型铝镓砷材料，其组分比例为Al0.4Ga0.6As。
根据本发明的具体实施方式，所述欧姆接触层为重掺杂的P型镓砷材料。
根据本发明的具体实施方式，所述衬底为N型镓砷材料。
本发明提供了一种大功率低阈值基横模结构，优化了各外延层材料组分和厚度、脊型波导的条宽和高度，降低了阈值电流，提高了发光效率，并实现了基横模稳定输出，本发明适合于975nm半导体激光器。
附图说明
图1是本发明提出的基横模半导体激光器管芯的基本结构示意图；
图2是本发明提出的基横模半导体激光器管芯的一个实施例的外延生长结构图；
图3是本发明提出的基横模半导体激光器管芯的一个实施例的端面图；
图4是本发明提出的基横模半导体激光器管芯的一个实施例的出光功率随电流变化的曲线；
图5是本发明提出的基横模半导体激光器管芯的一个实施例的发光光谱图；
图6是本发明提出的基横模半导体激光器管芯的一个实施例的远场发散角图。
具体实施方式
图1是本发明的基横模半导体激光器管芯的基本结构示意图。如图1所示，本发明的管芯至少包括至下而上叠置的下电极12、衬底1、下限制层3、有源区5、上限制层7、欧姆接触层8、和上电极11。有源区5用于提供光增益，下限制层3用于限制光场在朝向所述衬底的方向上扩展，上限制层7用于限制光场在远离所述衬底1的方向上扩展。欧姆接触层8用于与上电极11形成欧姆接触；
在欧姆接触层8和上限制层7中，沿各层的平面扩展方向形成两个沟道，该两个沟道之间的区域称为脊形台面，所述两个沟道和该脊形台面称为双沟结构9。
在欧姆接触层8的上表面以及两个沟道的底部及侧面形在电流阻挡层10，但电流阻挡层10不形成于脊形台面的上表面。
在衬底1与下限制层3之间还可设有缓冲层，其目的是为了减小应力并消除缺陷，以有利于其余外延层的生长。
在有源区5的下侧和上侧并与所述有源区5紧邻可分别设置下波导层4和上波导层6中的至少一个。波导层的作用主要是增加对载流子的限制作用，增加载流子在有源区的分布，提高光限制因子，减小阈值，增加发光效率。
本发明优选为有源区具有铝镓铟砷的应变量子阱结构，中心发光波长为975nm。
下面结合图2～6详细说明本发明的一个具体实施例，该实施例是一种大功率低阈值的基横模975nm半导体激光器的管芯。
图2是该实施例的外延结构图。请参阅图1所示，本实施例的半导体激光器管芯的外延结构包括：
一个镓砷衬底1，用于在其上生长激光器各外延层材料，衬底1为N型镓砷材料，有利于减少串联电阻。
一个缓冲层2，制作于镓砷衬底1上，缓冲层2为N型镓砷材料。
一个下限制层3，制作于缓冲层2上，下限制层3为高掺杂的N型铝镓砷材料，其组分比例为Al0.4Ga0.6As，厚度为0.95～1.05μm。
一个下波导层4，制作于下限制层3上，下波导层4为低掺杂的N型铝镓砷材料，其组分比例为Al0.25Ga0.75As，厚度为550～600nm。
一个有源区5，制作于下波导层4上，有源区为铝镓铟砷材料的应变单量子阱。
一个上波导层6，制作于有源区5上，上波导层6为低掺杂的P型铝镓砷材料，其组分比例为Al0.25Ga0.75As，厚度为550-600nm。
一个上限制层7，制作于上波导层6上，上限制层7为高掺杂的P型铝镓砷材料，其组分比例为Al0.4Ga0.6As，厚度为0.95-1.05μm。
一个欧姆接触层8，制作于上限制层7上，欧姆接触层8为重掺杂的P型镓砷材料，用于实现与电极的欧姆接触，减小串联电阻；
图3是本发明提出的基横模半导体激光器管芯的一个实施例的端面图。请参阅图3所示，该实施例的管芯除了图2的外延结构之外还包括：
一种双沟结构9，制作在欧姆接触层8上，利用光刻及干法刻蚀技术刻蚀出双沟(两个沟道)，形成脊形台面，其中双沟结构刻蚀深度为1.28-1.32μm，刻蚀至上波导层6以内，脊形台面宽度为3.5～4μm，以实现光的高阶横模式的截止，达到基横模的输出。刻蚀时应尽量保持脊形结构侧壁的陡直，以减小电流扩散，减小阈值电流。
一个电流阻挡层10，制作于欧姆接触层8及双沟结构9底部的上表面，在脊形台面顶部断开，电流阻挡层10为二氧化硅材料，目的是作为绝缘层，防止电流泄漏，并作为钝化层，防止外延材料被氧化。
一个上电极11，为金属电极，制作于脊形台面上表面，可以为钛铂金材料，目的是形成欧姆接触并便于引出电极引线。
一个下电极12，为金属电极，制作于衬底1的下表面，可以为金锗镍材料，目的是形成欧姆接触并便于引出电极引线。
图4是上述实施例的出光功率随电流变化的曲线。如图4所示，阈值电流低于40mA，最大出光功率达到500mW。可见，本发明通过设计及优化器件结构，可以实现大功率的基横模光输出，并减小阈值电流，增加发光效率。
图5是上述实施例的的发光光谱图。如图4所示，采用铝镓铟砷的应变量子阱结构，中心发光波长为975nm，光谱宽度为1.2nm。
图6是上述实施例的的远场发散角图。如图4所示，本发明的实施例的管芯所产生的激光的快轴及慢轴远场发散角曲线均为近高斯分布，器件为基横模式输出，并且得到了较小的远场发散角。
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 (10)

1.一种基横模半导体激光器管芯，其特征在于，包括衬底(1)、有源区(5)、下限制层(3)、上限制层(7)、欧姆接触层(8)、下电极(12)和上电极(11)：
所述下限制层(3)制作于所述衬底(1)的上方，用于限制光场在朝向所述衬底的方向上扩展；
所述有源区(5)制作于所述下限制层(3)的上方，用于提供光增益；
所述上限制层(7)制作于所述有源区(5)的上方，用于限制光场在远离所述衬底(1)的方向上扩展；
欧姆接触层(8)，制作于所述上限制层(7)的上方，用于与所述上电极(11)形成欧姆接触；
在所述欧姆接触层(8)和所述上限制层(7)中沿各层的平面扩展方向形成两个沟道，该两个沟道之间的区域称为脊形台面，所述两个沟道和该脊形台面称为双沟结构(9)；
电流阻挡层(10)，制作于所述欧姆接触层(8)的上表面以及所述两个沟道的底部及侧面，但不形成于所述脊形台面的上表面，用于防止电流泄漏；
所述下电极(11)制作于所述衬底(1)的下表面。
2.如权利要求1所述的基横模半导体激光器管芯，其特征在于，所述双沟结构的沟道深度为1.28～1.32μm，脊形台面的宽度为3.5～4μm。
3.如权利要求1所述的基横模半导体激光器管芯，其特征在于，还包括缓冲层(2)，制作于所述衬底(1)与所述下限制层(3)之间。
4.如权利要求2所述的基横模半导体激光器管芯，其特征在于，所述缓冲层(2)为N型镓砷材料。
5.如权利要求1所述的基横模半导体激光器管芯，其特征在于，还包括下波导层(4)和/或上波导层(6)，该下波导层和上波导层的形成位置分别位于所述有源区(5)的下侧和上侧，并与所述有源区(5)紧邻；
当包括上波导层(6)时，所述沟道也形成于该上波导层(6)中。
6.如权利要求5所述的基横模半导体激光器管芯，其特征在于，所述下波导层和上波导层为低掺杂的N型铝镓砷材料，其组分比例为Al0.25Ga0.75As。
7.如权利要求1所述的基横模半导体激光器管芯，其特征在于，所述有源区具有铝镓铟砷的应变量子阱结构，中心发光波长为975nm。
8.如权利要求1所述的基横模半导体激光器管芯，其特征在于，所述下限制层和上限制层为高掺杂的N型铝镓砷材料，其组分比例为Al0.4Ga0.6As。
9.如权利要求1所述的基横模半导体激光器管芯，其特征在于，所述欧姆接触层为重掺杂的P型镓砷材料。
10.如权利要求1所述的基横模半导体激光器管芯，其特征在于，所述衬底为N型镓砷材料。
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