CN105429004A - 多有源区外延结构、采用其的半导体激光器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种隧道级联多有源区外延结构，包括一衬底；多个分别限制的异质结构有源区，所述多个有源区依次在所述衬底上形成，且所述多个有源区之间均通过一反偏的PN结来连接。以及一种采用其的半导体激光器，该激光器在最上面的有源区上依次生长缓冲层和电极接触层，最后使用标准的宽面条形激光器制作工艺来完成后续激光器的制作。其中该外延结构中的有源区数目可以根据需要在2～4个之间调整。本发明的隧道级联多有源区外延结构及采用其的激光器降低了光功率密度，提高了输出功率和斜率效率，并大大减小了垂直发散角。

Description

多有源区外延结构、采用其的半导体激光器及其制造方法

技术领域

本发明涉及大功率半导体激光器技术领域，尤其涉及一种多有源区外延结构、采用其的半导体激光器及其制作方法。

背景技术

近年来，半导体激光器以其转换效率高、体积小、重量轻、寿命长、可靠性高、可直接调制、易于与其它半导体器件集成等特点，在军事、工业加工、精密测量、激光医疗、光通信、光存储以及激光打印等领域获得了广泛而深远的应用。而大功率半导体激光器由于其输出功率高的特点，在金属切割、激光熔覆、深熔焊等工业领域以及航空航天、国防军事应用等领域迅速发展。

而限制近红外大功率半导体激光器输出功率进一步提高的主要因素是腔面光学灾变性损伤。因此优化外延结构和制作工艺，降低腔面处的平均功率密度，是提升近红外半导体激光器输出功率的主要手段。

在提升半导体激光器的输出功率方面，主要通过两种方式：一是直接提高半导体激光器芯片上单管/单个发光单元的输出功率。目前通过这种方式，近红外半导体激光器单管可以实现连续输出超过10W，最高可达25W的大功率输出；另一种是通过增加半导体激光器器件的单管/发光单元/bar条数量，再通过单管合束、线阵合束、叠阵合束等外部合束的方式，获得所需的大功率激光输出。目前通过这三种外部合束的方式，所获得的输出功率分别可以达到数百瓦、数百瓦到3000W、上万瓦乃至数十万瓦。

在提升半导体激光器的光束质量方面，基模的远场发散角、能否实现稳定的基模激射、远场光斑分布等成为最主要的考量指标。一般地，传统的半导体激光器水平发散角为6～12°，而半导体激光器芯片在外延方向上仅仅为数百纳米到1μm的尺度，这不仅使得腔面出光功率密度过大，从而限制激光功率的进一步提升；还由于垂直于结方向的发光尺寸小于激射波长，不可避免的衍射效应使得半导体激光器的垂直发散角高达30～50°。最终输出的激光光束为椭圆的光斑，不利于后续对光束进行聚集、准直、整形以及与光纤的耦合。另外，大功率输出则意味着需要大的波导层厚度，也会引入高阶横模的激射，从而增大了半导体激光器的远场发散角，恶化光束质量。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提供一种隧道级联多有源区外延结构，以便提高斜率效率、降低光功率密度、增大输出功率，并大大减小垂直发散角。本发明的再一目的在于提供一种采用该外延结构的半导体激光器及其制造方法。

为实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种隧道级联多有源区外延结构，包括：

一衬底；

多个有源区，所述多个有源区依次在所述衬底上形成，且所述多个有源区之间均通过一反偏的PN结来连接。

其中，反偏的PN结中P型材料的厚度为10～20nm，N型材料的厚度为10～20nm。

作为优选，所述反偏的PN结由层叠的P型镓砷层和N型镓砷层构成。

作为优选，所述多个有源区中的每一个均包括下限制层、下波导层、有源层、上波导层、上限制层，其中所述有源层与所述上、下波导层及上、下限制层共同形成分别限制异质结构。

作为优选，所述多个有源区中的每一个均由量子阱和量子垒组成，其中所述量子阱优选为铝镓铟砷和铝镓砷材料系形成的压应变量子阱。

作为优选，所述多个有源区的数目为2-5个，优选为2-3个。

作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种采用如上所述的隧道级联多有源区外延结构的半导体激光器。

作为本发明的再一个方面，本发明还提供了一种隧道级联多有源区外延结构的制造方法，包括以下步骤：

步骤1：在衬底上形成一有源区，所述有源区包括依次生长的下限制层、下波导层、有源层、上波导层和上限制层，且所述有源区为一分别限制异质结构的完整发光区；

步骤2：在所述有源区上形成一个反偏的PN结构；

步骤3：在所述反偏的PN结构上再次形成一有源区，所述有源区包括依次生长的下限制层、下波导层、有源层、上波导层和上限制层，且所述有源区为一分别限制异质结构的完整发光区；

步骤4：根据设计需要重复上述步骤2和步骤3。

作为优选，所述反偏的PN结构由掺杂的P型镓砷层和N型镓砷层组成。

作为本发明的还一个方面，本发明还提供了一种半导体激光器的制造方法，包括以下步骤：

通过如上所述的制造方法制造隧道级联多有源区外延结构；

在最上面的有源区上依次生长缓冲层和电极接触层，最后使用宽面条形激光器制作工艺来完成后续激光器的制作。

结合上述技术方案和实际的器件制作，可以看出本发明具有如下有益效果：(1)本发明的外延结构由于片内的两个有源区之间的波导层和限制层很薄，在外延方向上的两个发光区之间距离很近，耦合形成的超大光腔在外延方向上的尺度可以达到1.5～4.5μm。近场光场分布的扩展有效减小了腔面处的功率密度，有利于提高腔面损伤阈值功率，并最终使得大功率的半导体激光器可以工作在一个更高的功率输出水平；(2)近场光场分布的扩展可以有效地减小衍射效应，使得远场垂直发散角可以大大降低，获得的近圆形光斑可以更容易耦合进光纤；此外，高光束质量也有利于后续对光束进行聚集、准直和整形；(3)相较于传统的半导体激光器，相应于有源区的个数，斜率效率可以提高至将近2～3倍；(4)由于多有源区结构属于片内集成，只需要一次外延即可，而传统的叠阵两个有源区之间通过电极连接，不仅会引入额外的制作工艺，且接触电阻也会产生额外的热量，从而增加了器件的散热负担；(5)可以在单个芯片上实现多个有源区之间不同波长的同时激射，有望应用于一些特殊的场合。

附图说明

图1为本发明的隧道级联双有源区半导体激光器的外延生长结构图；

图2为本发明的隧道级联双有源区半导体激光器的模拟P-I-V曲线图；

图3为本发明的隧道级联三有源区半导体激光器的近场分布图；

图4为本发明的隧道级联三有源区半导体激光器的远场分布图。

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。

本发明公开了一种隧道级联多有源区外延结构，包括：

一衬底；

多个有源区，所述多个有源区依次在所述衬底上形成，且所述多个有源区之间均通过一反偏的PN结来连接。

其中，反偏的PN结中，P型材料的厚度为10～20nm，N型材料的厚度为10～20nm。

作为优选，该反偏的PN结由层叠的P型镓砷层和N型镓砷层构成。

作为优选，该多个有源区中的每一个均包括下限制层、下波导层、有源层、上波导层、上限制层，其中有源层与上、下波导层及上、下限制层共同形成分别限制异质结构。

作为优选，该多个有源区中的每一个均由量子阱和量子垒组成，其中量子阱优选为铝镓铟砷和铝镓砷材料系形成的压应变量子阱。

作为优选，多个有源区的数目为2-5个，优选为2-3个。

本发明还公开了一种采用如上所述的隧道级联多有源区外延结构的半导体激光器。

本发明还公开了一种隧道级联多有源区外延结构的制造方法，包括以下步骤：

步骤1：在衬底上形成一有源区，所述有源区包括依次生长的下限制层、下波导层、有源层、上波导层和上限制层，且所述有源区为一分别限制异质结构的完整发光区；

步骤2：在所述有源区上形成一个反偏的PN结构；

步骤3：在所述反偏的PN结构上再次形成一有源区，所述有源区包括依次生长的下限制层、下波导层、有源层、上波导层和上限制层，且所述有源区为一分别限制异质结构的完整发光区；

步骤4：根据设计需要重复上述步骤2和步骤3。

作为优选，该反偏的PN结构由掺杂的P型镓砷层和N型镓砷层组成。

本发明还公开了一种半导体激光器的制造方法，包括以下步骤：

通过如上所述的制造方法制造隧道级联多有源区外延结构；

在最上面的有源区上依次生长缓冲层和电极接触层，最后使用宽面条形激光器制作工艺来完成后续激光器的制作。

作为本发明的一个优选实施例，本发明公开了一种隧道级联多有源区外延结构，包括：

——衬底，该衬底用于在其特定晶面上生长激光器各外延层材料；

——缓冲层，该缓冲层制作在衬底上；

——N型下限制层，该下限制层制作在缓冲层上；

——N型下波导层，该下波导层制作在N型下限制层上；

——量子阱层，该量子阱层制作在N型下波导层上；

——P型上波导层，该波导层制作在量子阱层上；

——P型上限制层，该限制层制作在P型上波导上；

——P型隧道结层，该隧道结层制作在P型上限制层上；

——N型隧道结层，该隧道结层制作在P型隧道结层上；

——N型下限制层，该下限制层制作在N型隧道结层上；

——N型下波导层，该下波导层制作在N型下限制层上；

——量子阱层，该量子阱层制作在N型下波导层上；

——P型上波导层，该波导层制作在量子阱层上；

——P型上限制层，该限制层制作在P型上波导上；

——过渡层，该过渡层制作在P型上限制层上；

——电极接触层，该电极接触层制作在过渡层上；

——P面电极，该P面电极制作在宽面台面电极接触层上；

——N面电极，该N面电极制作在衬底下。

其中，衬底为(100)面的N型砷化镓材料。

其中，缓冲层为N型砷化镓材料。

其中，N型下限制层为N型铝镓砷材料。

其中，下波导层为N型铝镓砷材料。

其中，量子阱层为铝镓铟砷材料的单量子阱结构。

其中，P型上波导层为P型铝镓砷材料，厚度在100～500nm之间。

其中，P型上限制层为P型铝镓砷材料，厚度在100～500nm之间。

其中，P型隧道结层为重掺杂的P型镓砷材料，厚度为10～20nm。

其中，N型隧道结层为重掺杂的N型镓砷材料，厚度为10～20nm。

其中，N型下限制层为N型铝镓砷材料，厚度在100～500nm之间。

其中，N型下波导层为N型铝镓砷材料，厚度在100～500nm之间。

其中，量子阱层为铝镓铟砷材料的单量子阱结构。

其中，P型上波导层为P型铝镓砷材料。

其中，P型上限制层为P型铝镓砷材料。

其中，过渡层为高掺杂的P型镓砷材料。

其中，电极接触层为重掺杂的P型镓砷材料。

本发明的大功率半导体激光器外延结构，适合于一般的量子阱边发射半导体激光器。作为本发明的再一个优选实施例，下面以铝镓铟砷/铝镓砷系量子阱半导体激光器为例说明其结构设计。

如图1所示，为本发明的隧道级联双有源区半导体激光器的外延结构示意图。其结构设计及外延生长包括以下步骤：

步骤1，在镓砷衬底上生长镓砷缓冲层；

步骤2，在上述镓砷缓冲层上依次生长下限制层、下波导层、有源层、上波导层、上限制层，形成第一个分别限制异质结构的完整发光区；

步骤3，在上述上限制层上直接依次生长重掺杂的P型镓砷层和N型镓砷层，形成一个反偏的PN结构；

步骤4，在上述N型镓砷层上依次生长下限制层、下波导层、有源层、上波导层、上限制层，形成第二个分别限制异质结构的完整发光区；

步骤5，在上述上限制层上依次生长铝镓砷过渡层、镓砷电极接触层；

步骤6，在外延芯片上第一次光刻出宽面接触的条形结构，淀积二氧化硅电绝缘膜，再在电绝缘膜上套刻出宽面电极接触区域；

步骤7，制备P面电极，N面衬底磨抛减薄抛光后制备N面电极。

针对以上结构设计和外延生长的步骤，结合外延结构示意图，对本发明进一步详细说明：

上述步骤1中，N型镓砷衬底为(100)面偏(111)方向2°的N型偏角镓砷衬底，步骤1包括：选用(100)面偏(111)方向2°的N型偏角镓砷衬底，采用金属有机化合物气相沉积法在选用的N型镓砷衬底1上外延生长N型镓砷缓冲层2。选用有偏角的衬底可以抑制生长过程中亚稳态有序结构的形成，镓砷缓冲层是为了提高后续外延层的生长质量。

上述步骤2包括在N型镓砷缓冲层2上依次外延生长N型铝镓砷下限制层3、N型铝镓砷下波导层4、铝镓铟砷有源区5、P型铝镓砷上波导层6、P型铝镓砷上限制层7。

其中，N型铝镓砷下限制层3、N型铝镓砷下波导层4、P型铝镓砷上波导层6、P型铝镓砷上限制层7均采用铝镓砷材料，且N型铝镓砷下限制层3、P型铝镓砷上限制层7中的铝组分高于N型铝镓砷下波导层4、P型铝镓砷上波导层6中的铝组分，用于形成分别限制异质结构；其中N型下限制层3的厚度在800～1500nm之间，N型下波导层4的厚度在100～800nm之间，P型上波导层6的厚度在100～500nm之间，P型上限制层7的厚度在100～500nm之间。该有源区5由铝镓铟砷量子阱和铝镓砷量子垒组成，为铝镓铟砷和铝镓砷材料系形成的压应变量子阱，有源区5与光波导层4、6和上下限制层3、7共同形成分别限制异质结构。

上述步骤3中，包括在P型铝镓砷上限制层7上依次外延生长P型镓砷层8和N型镓砷层9。其中P型镓砷层8和N型镓砷层9均为掺杂界面突变的重掺杂层，用于形成反偏压下有效的隧道结，使得载流子隧穿通过反偏PN结的几率大大提高，且承载较小的偏压。作为优选，P型隧道结层为重掺杂的P型镓砷材料，厚度为10～20nm；N型隧道结层为重掺杂的N型镓砷材料，厚度为10～20nm。应注意的是，提高隧道结掺杂浓度有利于获得大的隧穿几率，但过高的掺杂浓度会引入不必要的自由载流子吸收，导致光吸收损耗。

上述步骤4包括在N型镓砷层9上依次外延生长N型铝镓砷下限制层10、N型铝镓砷下波导层11、铝镓铟砷有源区12、P型铝镓砷上波导层13、P型铝镓砷上限制层14。

其中，N型铝镓砷下限制层10、N型铝镓砷下波导层11、P型铝镓砷上波导层13、P型铝镓砷上限制层14均采用铝镓砷材料，且N型铝镓砷下限制层10、P型铝镓砷上限制层14中的铝组分高于N型铝镓砷下波导层11、P型铝镓砷上波导层13中的铝组分，用于形成分别限制异质结构；其中P型上波导层13的厚度在100～800nm之间，P型上限制层14的厚度在800～1500nm之间，N型下波导层11的厚度在100～500nm之间，N型下限制层10的厚度在100～500nm之间。有源区12由铝镓铟砷量子阱和铝镓砷量子垒组成，为铝镓铟砷和铝镓砷材料系构成的压应变量子阱，作为优选，其中量子阱层为铝镓铟砷材料的单量子阱结构。有源区12与光波导层11、13和上下限制层10、14共同形成分别限制异质结构。

上述步骤5包括在上限制层上14上依次生长镓砷过渡层15、镓砷电极接触层16。其中镓砷过渡层15为高掺杂的P型镓砷材料，其目的是减小P型铝镓砷上限制层14与镓砷电极接触层16的应力，实现从P型铝镓砷上限制层14与镓砷电极接触层16的过渡；镓砷电极接触层16制作在镓砷过渡层15上，为重掺杂的P型镓砷材料，其目的是实现良好的欧姆接触，减小串联电阻，提高器件的转换效率。

上述步骤6包括在外延芯片上第一次光刻出宽面接触的条形结构，淀积二氧化硅电绝缘膜，再在电绝缘膜上套刻出宽面接触区域。在镓砷电极接触层16上，通过光刻腐蚀出宽约100μm的宽台面电极接触区域，其中腐蚀深度到有源区12以下，以更好地限制电流扩展，降低阈值电流，提高器件的转换效率。第二次进行电极套刻，腐蚀掉宽台面区的二氧化硅薄膜，裸露出镓砷电极接触层16，以便制作P面电极对电流注入区进行定义。

上述步骤7包括制备P面电极，N面衬底磨抛减薄抛光后制备N面电极。P面电极制作在宽台面电极接触层上，为钛铂金材料，其目的是方便引出电极引线；再对N型镓砷衬底1进行磨抛减薄至约100μm后进行抛光，再将N面电极制作在N型镓砷衬底1下面。N面电极材料为金锗镍，其目的是方便引出电极引线。

本发明设计了一种隧道级联多有源区外延结构，在外延方向上依次生长多个有源区，多个有源区之间通过反向的PN结联接。这种新型的隧道级联多有源区激光器能大大提高斜率效率，其中双有源区激光器的斜率效率高于2.3W/A，如图2所示。这种结构由于片内的两个有源区之间的波导层和限制层很薄，在外延方向上的两个发光区之间距离很近，耦合形成的超大光腔在外延方向上的尺度可以达到1.5～4.5μm。隧道级联三有源区半导体激光器结构的近场分布图如图3所示。这一方面可以大大降低腔面处的光功率密度，有利于提高腔面损伤阈值功率，提高了最大输出功率，使得大功率的半导体激光器可以工作在一个更高的功率输出水平；另一方面，近场光场分布的扩展可以有效地减小衍射效应，从而大大降低了垂直发散角，获得的近圆形光斑可以更容易耦合进光纤，也有利于后续对光束进行聚集、准直和整形。经过模拟计算，隧道级联三有源区半导体激光器可以获得4.98°×15.3°的发散角，如图4所示。

以上所述，仅是根据本发明技术方案提出的较佳实施例，并非对本发明作任何形式的限制。凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的简单修改、等同替换、修饰改进等(如改变有源区个数、各层掺杂浓度、厚度、外延材料等)，均仍属于本发明的权利要求保护范围内。

Claims (10)

1.一种隧道级联多有源区外延结构，其特征在于，包括：

一衬底；

多个有源区，所述多个有源区依次在所述衬底上形成，且所述多个有源区之间均通过一反偏的PN结来连接。

2.如权利要求1所述的隧道级联多有源区外延结构，其特征在于，所述反偏的PN结中，P型材料的厚度为10～20nm，N型材料的厚度为10～20nm。

3.如权利要求1所述的隧道级联多有源区外延结构，其特征在于，所述反偏的PN结由层叠的P型镓砷层和N型镓砷层构成。

4.如权利要求1所述的隧道级联多有源区外延结构，其特征在于，所述多个有源区中的每一个均包括下限制层、下波导层、有源层、上波导层、上限制层，其中所述有源层与所述上、下波导层及上、下限制层共同形成分别限制异质结构。

5.如权利要求1所述的隧道级联多有源区外延结构，其特征在于，所述多个有源区中的每一个均由量子阱和量子垒组成，其中所述量子阱优选为铝镓铟砷和铝镓砷材料系形成的压应变量子阱。

6.如权利要求1所述的隧道级联多有源区外延结构，其特征在于，所述多个有源区的数目为2-5个，优选为2-3个。

7.一种采用如权利要求1至6任意一项所述的隧道级联多有源区外延结构的半导体激光器。

8.一种隧道级联多有源区外延结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在衬底上形成一有源区，所述有源区包括依次生长的下限制层、下波导层、有源层、上波导层和上限制层，且所述有源区为一分别限制异质结构的完整发光区；

步骤2：在所述有源区上形成一个反偏的PN结构；

步骤3：在所述反偏的PN结构上再次形成一有源区，所述有源区包括依次生长的下限制层、下波导层、有源层、上波导层和上限制层，且所述有源区为一分别限制异质结构的完整发光区；

步骤4：根据设计需要重复上述步骤2和步骤3。

9.如权利要求8所述的隧道级联多有源区外延结构的制造方法，其特征在于，所述反偏的PN结构由掺杂的P型镓砷层和N型镓砷层组成。

10.一种半导体激光器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过如权利要求8或9所述的制造方法制造隧道级联多有源区外延结构；

在最上面的有源区上依次生长缓冲层和电极接触层，最后使用宽面条形激光器制作工艺来完成后续激光器的制作。