CN105048283A - 高功率共面电极泄露波激光器 - Google Patents

Abstract

高功率共面电极泄露波激光器属于光电子技术领域，激光器为凸形结构，其中下宽部分从下到上为：非掺杂衬底和N型包层；在N型包层的中间部分刻蚀上窄部分，上窄部分从下到上依次为：N型波导、有源区、P型波导、P型包层和P型盖层。本发明是内腔电注入的泄露波半导体激光器，衬底不掺杂，光在其中传输具有非常低的损耗，有利于提高激光器的输出功率，即使激射光子能量高于衬底的带隙能量，载流子吸收损耗也很低，应用波长很广，制备工艺简单。介质反射镜将泄漏到衬底的光波反射回有源区，形成反馈，提高增益，抑制光波泄漏到高吸收的焊接电极，降低损耗。采用非掺杂衬底及内腔电流注入，具有损耗小、阈值低的优点，有利于实现高功率激光输出。

Description

高功率共面电极泄露波激光器

技术领域

本发明属于光电子技术领域，涉及一种高功率、超窄光束发散的共面电极泄露波激光器。

背景技术

高功率半导体激光器在光纤激光器或全固态激光器泵浦、材料加工、传感、医疗和国防等领域具有广阔的应用前景，但是半导体激光器存在发散角大、椭圆光斑的难题，限制了其直接应用。传统的半导体激光器垂直方向采用全反射波导，激光腔很小(通常在1μm左右)，腔面由于自衍射，导致其垂直发散角半高全宽通常大于30°。如此大的垂直光束发散需采用高数值孔径、短焦距的非球面镜进行准直，成本较高，而且光学对准精度要求非常高。另外，半导体激光器的侧向发散角通常为10°左右，输出光束为椭圆分布，不利于光束聚焦和耦合。

为降低半导体激光器的垂直发散角，需要增大其垂直方向的光模式尺寸，因此人们提出了很多方法，比如大光腔结构、非对称波导、多有源区级联、双势垒分别限制结构、插入模式反导引层、光子带晶体结构等，目前已可将半导体激光器的垂直发散角半高全宽降低至10°以下。但是这些方法最小可获得的发散角由光波导厚度决定，要想获得更低的光束发散，需要生长非常厚的外延层，成本相对较高。因此，一种泄露波激光器被提出，它的N型包层很薄，而且N型波导层的折射率低于衬底折射率，因此波导中辐射可隧穿通过N型包层进入衬底，从而获得非常大的光模式扩展。由于其光斑尺寸由衬底厚度决定，大约在100-200μm之间，因此在不增加外延厚度的情形下可以将垂直发散角降低到1°以下。但除了窄的光束发散，这种设计具有一些缺点，光在衬底中传输会产生大的泄露损耗和吸收损耗，从而导致器件阈值电流很大，输出功率较低，降低了这种器件结构的吸引性。最近一种倾斜波激光器被提出，它改进了泄露波激光器，通过在抛光的衬底背面相对于电极条形区域上蒸镀介质反射镜，将向衬底背面传输的倾斜光波反射回有源区，从而有效降低激光器的泄露损耗和N面电极的吸收损耗，提高了激光器的输出功率。但这种方法要求衬底背面介质反射镜与P面电极窗口精确对准，需采用双面对准光刻机，对设备和工艺要求较高。另外，这种方法仍面临衬底吸收损耗大的问题，功率受到限制，而且仅适用于衬底带隙能量高于激射光子能量的情形，不然将面临非常大的载流子吸收损耗，应用波长受限。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种高功率共面电极泄露波激光器。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

高功率共面电极泄露波激光器，该激光器为凸形结构，包括：下宽部分和上窄部分；在非掺杂衬底上依次生长N型包层、N型波导、有源区、P型波导、P型包层和P型盖层；其中下宽部分从下到上依次为：非掺杂衬底和N型包层；在所述N型包层的中间部分刻蚀上窄部分，其中上窄部分从下到上依次为：N型波导、有源区、P型波导、P型包层和P型盖层。

本发明的有益效果是：本发明是利用内腔电注入的泄露波半导体激光器。它采用非掺杂衬底代替传统的掺杂衬底，因此光在其中传输具有非常低的损耗，有利于提高激光器的输出功率，而且即使激射光子能量高于衬底的带隙能量，载流子吸收损耗也很低，应用波长很广。由于采用非掺杂衬底，为解决器件电流注入问题，本发明采用共面电极结构，N面电极与重掺杂N型包层相连，电子载流子直接经由N型包层和波导注入到有源区，有利于提高注入效率和降低电阻。这种激光器的衬底背面可直接大面积沉积介质反射镜，不需要双面对准，制备工艺简单。介质反射镜可有效的将泄漏到衬底的光波反射回有源区，形成反馈，提高增益，而且还可抑制光波泄漏到高吸收的焊接电极，降低损耗。在本发明中，激光发射可泄露到衬底，由于衬底非常厚，在不增加激光器外延厚度的情况下可获得超大光模式体积及极窄的垂直光束发散，而且本发明激光器采用非掺杂衬底及内腔电流注入，具有损耗小、阈值低的优点，有利于实现高功率激光输出，具有很大的应用潜力。

附图说明

图1本发明高功率共面电极泄露波激光器结构示意图。

图2本发明共面电极泄露波激光器的折射率分布示意图。

图3本发明高功率共面电极泄露波激光器的一种优化的供电结构。

图中：1、非掺杂衬底，2、N型包层，3、N型波导，4、有源区，5、P型波导，6、P型包层，7、P型盖层，8、电绝缘层，9、P面电极，10、N面电极，11、介质反射镜，12、焊接电极，13、P电极引线和14、N电极引线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的半导体激光器由下至上依次为焊接电极12、介质反射镜11、非掺杂衬底1、N型包层2、N型波导3、有源区4、P型波导5、P型包层6、P型盖层7、电绝缘层8、P面电极9和N面电极10。该激光器为凸形结构，非掺杂衬底1和N型包层2位于下宽部分；N型波导3、有源区4、P型波导5、P型包层6和P型盖层7位于上窄部分；下宽部分的上表面、上窄部分的侧表面和上表面都沉积电绝缘层8；在下宽部分的上表面的两端开电极窗口制作N面电极10；在上窄部分的上表面开电极窗口制作P面电极9。其中：衬底1非掺杂，具有极小的吸收损耗，在本发明中仅充当扩展波导，不通电流；N型波导3和N型包层2厚度很薄，无法完全限制光场，使得光波可泄漏到非掺杂衬底1中；P型波导5的厚度大于N型波导3，P型包层6的厚度大于N型包层2，P型包层6和P型波导5之间的折射率差大于等于N型包层2和N型波导3之间的折射率差，使得P面光场被完全限制在波导内；P型盖层7和N型包层2均重掺杂，以做欧姆接触；P面电极9位于P型盖层7的顶面上，并且电连接到P型盖层7；N面电极10位于重掺杂N型包层2上，并且电连接到重掺杂N型包层2上；P面电极9和N面电极10不直接相连，中间有电绝缘层8形成的隔离沟道，使得电子和空穴载流子能分别注入到有源区进行复合。

衬底1可为非掺杂的任何常用的Ⅲ-Ⅴ族化合物，比如GaAs、InP、GaSb、GaN等，用于在其上外延生长激光器各层材料。

N型包层2生长在衬底1上，重掺杂施主杂质，其带隙宽度大于N型波导3带隙宽度。在本发明中，N型包层2厚度很薄，以使光波可遂穿通过其进入到衬底；另外，N型包层2为重掺杂材料，与N面电极10相连，用于N型欧姆接触。

N型波导3生长在N型包层2之上，掺杂施主杂质，其带隙宽度大于有源区4的带隙宽度。N型波导3的厚度较薄，它与N型包层2之间的光场限制弱，使得光波可扩展到衬底1。N型波导3靠近有源区的部分可不掺杂或低掺杂以减小光吸收损耗。

有源区4生长在N型波导3之上，通常不掺杂，其带隙对应于所希望的发光波长，可以为单层或多层的量子阱、量子点等，其目的在于作为激光器的增益区，在电注入时产生激光并提供足够的光增益。

P型波导5生长在有源区4之上，掺杂受主杂质，靠近有源区4的部分可不掺杂或低掺杂，其带隙宽度大于有源区4的带隙宽度。在本发明中，它的折射率大于等于N型波导3的折射率，其厚度也大于N型波导3，其目的是使P面的光场被完全限制。

P型包层6生长在P型波导5之上，其带隙宽度大于P型波导5的带隙宽度，掺杂受主杂质。在本发明中，它与P型波导5的折射率差大于或等于N型包层2和N型波导3之间的折射率差，其厚度大于N型包层2，目的是抑制光场向重掺杂P型盖层7和P面电极9扩展，降低光损耗。

P型盖层7生长在P型包层6之上，通常选择与衬底相同的材料，重掺杂受主杂质，以利于欧姆接触。

电绝缘层8通常为二氧化硅或氮化硅等绝缘材料，用于阻止电流传输。

P面电极9沉积在P型盖层7的顶面，并且电连接到P型盖层7，对于GaAs基半导体激光器通常采用钛-铂-金(Ti-Pt-Au)材料。

N面电极10沉积在重掺杂N型包层2上，仅与N型包层2电连接，它与P面电极9之间分开，中间有电绝缘层8形成的隔离沟道，通常采用lift-off工艺制备，对于GaAs基半导体激光器通常采用金-锗-镍(Au-Ge-Ni)材料。

介质反射镜11位于衬底的背面，衬底减薄抛光后直接大面积沉积得到，用于将向衬底背面传输的光波反射回有去，降低损耗。

焊接电极12蒸镀在介质反射镜11之上，采用单金属材料即可，比如金(Au)，用于将激光器芯片焊接在热沉上，压测时可去掉该层。

实施例1：

如图2所示，为一980nm波长泄露波激光器的折射率分布示意图。图中：衬底1采用非掺杂的GaAs衬底，N型包层2为200nm厚重掺杂的Al_0.3Ga_0.7As，N型波导3为500nm厚的Al_0.2Ga_0.8As，有源区4为InGaAs/GaAs双量子阱结构，P型波导5为1.2μm厚的Al_0.2Ga_0.8As，P型包层6为600nm厚的Al_0.45Ga_0.55As，盖层7为200nm厚的GaAs。其中：P型波导5和N型波导3的材料相同，折射率为3.3935，但P型波导5的厚度远大于N型波导3的厚度；P型包层6的折射率为3.2677，而N型包层2的折射率为3.3396，P型包层6的厚度大于N型包层2，而且其与N型波导5之间的折射率差也大于N型包层2与N型波导3之间的折射率差。因此，本发明激光器中非对称外延结构将使光场向N面扩展，P面光场被紧限制在P型波导中，而N面光场将通过薄的N型包层穿透到衬底，在厚的衬底中传输，从而获得超窄的垂直光束发散。

实施例2：

图3为本发明的高功率共面电极泄露波激光器的一种优化的供电结构。本实施例主要针对窄脊条形的共面电极泄露波激光器，当P面电极9窗口很窄，打金丝引线或者压测时将比较困难，因此可以在宽的台面两侧分别做P面电极9和N面电极10，其中P面电极9仅在电极窗口位置与P型盖层7相连，其它部分下面长有电绝缘层8，与下面半导体材料绝缘。此时P面电极9供电时可在台面一侧宽的区域注入，电流经过P面电极引线13和N面电极引线14传输到电极窗口，再经由盖层注入到有源区。

Claims (6)

1.高功率共面电极泄露波激光器，其特征在于，该激光器为凸形结构，包括：下宽部分和上窄部分；在非掺杂衬底上依次生长N型包层、N型波导、有源区、P型波导、P型包层和P型盖层；其中下宽部分从下到上依次为：非掺杂衬底和N型包层；在所述N型包层的中间部分刻蚀上窄部分，其中上窄部分从下到上依次为：N型波导、有源区、P型波导、P型包层和P型盖层。

2.根据权利要求1所述的高功率共面电极泄露波激光器，其特征在于，所述下宽部分的上表面、上窄部分的侧表面和上表面都沉积电绝缘层；在下宽部分的上表面的两端开电极窗口制作N面电极；在上窄部分的上表面开电极窗口制作P面电极。

3.根据权利要求1所述的高功率共面电极泄露波激光器，其特征在于，所述N型包层重掺杂施主杂质，其带隙宽度大于N型波导带隙宽度；所述N型波导掺杂施主杂质，其带隙宽度大于有源区的带隙宽度；所述P型波导掺杂受主杂质，其带隙宽度大于有源区的带隙宽度；所述P型包层掺杂受主杂质，其带隙宽度大于P型波导的带隙宽度；所述P型盖层重掺杂受主杂质。

4.根据权利要求1所述的高功率共面电极泄露波激光器，其特征在于，所述P型波导的厚度大于N型波导，P型包层的厚度大于N型包层，P型波导和P型包层之间的折射率差大于或等于N型波导和N型包层之间的折射率差。

5.根据权利要求1所述的高功率共面电极泄露波激光器，其特征在于，激光器还包括：介质反射镜；所述介质反射镜位于衬底的背面。

6.根据权利要求1或7所述的高功率共面电极泄露波激光器，其特征在于，激光器还包括：焊接电极；所述焊接电极制作于介质反射镜上，焊接电极为单金属材料。