CN106300012B - 一种含有高选择性腐蚀阻挡层的808nm半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含有高选择性腐蚀阻挡层的808nm半导体激光器，属于半导体激光器技术领域，从下至上包括衬底、下限制层、下波导层、有源层、上波导层、第一上限制层、腐蚀阻挡层、第二上限制层和欧姆接触层；腐蚀阻挡层为GaInP材料；有源层为GaAsP材料或者InGaAsP材料；下限制层为AlGaInP材料，第一上限制层为AlGaInP材料，上波导层和下波导层采用GaInP；第二上限制层为AlGaAs材料，欧姆接触层为GaAs材料。本发明能够较容易的实现材料生长，由第二上限制层和欧姆接触层组成的结构能够实现高选择性的化学腐蚀结果，能够有效控制脊型波导的台阶腐蚀深度、台阶对称性，提升半导体激光器的性能。

Description

一种含有高选择性腐蚀阻挡层的808nm半导体激光器

技术领域

本发明涉及一种含有高选择性腐蚀阻挡层的808nm半导体激光器，属于半导体激光器的技术领域。

背景技术

808nm半导体激光器广泛应用于抽运Nd：YAG固体激光器、工业加工和激光医疗等领域，有着非常广泛的应用前景和市场价值。由于巨大的市场需求，808nm半导体激光器得到了迅猛发展。

目前在工业生产中，脊形宽面波导结构以其工艺简单并且能够提供一定的侧向光场限制和电流扩展限制的特点，成为目前最常用的大功率输出激光器的结构。通过脊型波导来进行弱折射率导引，其有效折射率差异约为10-3量级。脊型波导的宽度及深度的波动会影响光模式的输出，因此要求脊型波导在形成过程中，脊形的宽度、台阶的高度和两侧的对称性要好。目前在红光等可见光激光器中广泛使用的方法是在器件上限制层中插入一层腐蚀阻挡层，利用材料腐蚀速率的差别来控制脊型波导的深度。文献Appl.Phys.Lett.,1989,Vol.54,pp1391报道了一种横模稳定的AlGaInP红光脊型半导体激光器，使用1-2nm的薄层GaAs作为腐蚀阻挡层。由于As及P化合物的化学腐蚀速率相差较大，可以得到形貌较好的脊型结构，形成稳定的横模输出。但是由于GaAs带隙较小，对AlGaInP有源区发出的光有强烈的吸收，GaAs层必须很薄，这对设备及工艺的均匀性有很高的要求。中国专利CN1848567A公开了一种可以无障碍的在半导体激光器上包层上形成条状凸部，并能够抑制乃至防止向上包层一侧扩展光分布的装置。此器件使用与外延层晶格匹配的AlGaAs作为腐蚀阻挡层，且AlGaAs层折射率约等于各包层折射率，不会对光模式造成紊乱。由于外延生长一般使用化学气相沉积的方式，AlGaInP材料中插入一层AlGaAs会存在As/P气相转换，使得生长界面质量不佳，存在大量界面态。这些界面态会俘获载流子，降低注入效率，影响激光器的性能。美国专利US005379312A公开了脊波导及选择性掩埋脊波导的可见光半导体激光器，腐蚀阻挡层为GaInP材料。其腐蚀性选择比更高，且不吸收有源区发出的光，也适合表面材料的再生长。对于传统小功率AlGaInP激光器来说，此方法实用且简洁。

中国专利文件(申请号200680037164.5)，公开了一种高输出红色半导体激光器，该专利是把热传导率良好的AlGaAs作为其限制层，因其热导率高于AlGaInP材料，可以提高激光器元件的散热特性。该专利也是优化AlGaInP红光激光器特性引入了AlGaAs作为部分包层，其目的是利用AlGaAs的导热性优于AlGaInP材料。但是因为红光激光器对材料的限制能力要求较高，AlGaInP中Al含量都在50％以上，因此对AlGaAs的组分有严格要求，同时该结构存在参数下降的风险，并且也没提到脊型区的制作控制问题。中国专利文件(申请号00808789.X)，公开了带有无铝限制层的埋脊半导体激光器，它包括：包含第一电导型AlGaAs的下包层；在下包层上形成的、包含第二电导型AlGaAs的第一上包层；在第一上包层上形成的、且具有用于引导电流的孔的、第一电导型实质无铝半导体限制层；和在穿过限制层的孔上形成的、包含第二电导型AlGaAs的第二上包层。该专利也提到了分层结构，但是AlGaAs包层在此结构中属于激光器的常规包层结构，不是该发明的优选对象。以上文献提到的方法都是在AlGaInP材料的红光激光器中实现或者只是常规结构没有优化，在以808nm或者9xxnm激光器中未见有利于控制脊型区的应用。在以AlGaInP为限制层的808nm或者9xxnm激光器的脊型波导制作中也会面临腐蚀不均匀、两侧不对称、台阶高度不宜控制的问题。主要是由于限制层AlGaInP的难以腐蚀而采用Br₂水腐蚀的原因。这对脊型波导的制作均匀性和一致性带来一定的难度。

发明内容

针对现有技术不足，为了更好的能够实现脊型发光区，便于控制最终的形貌和一致性，本发明公开了一种含有高选择性腐蚀阻挡层的优化的808nm半导体激光器。

本发明的技术方案如下：

一种含有高选择性腐蚀阻挡层的808nm半导体激光器，从下至上包括衬底、下限制层、下波导层、有源层、上波导层、第一上限制层、腐蚀阻挡层、第二上限制层和欧姆接触层；其特征在于，所述腐蚀阻挡层为GaInP材料；所述有源层为GaAsP材料或者InGaAsP材料；下限制层为N型AlGaInP材料，第一上限制层为P型AlGaInP材料，上波导层和下波导层采用无铝材料，无铝材料为GaInP；第二上限制层为P型AlGaAs材料，欧姆接触层为P型GaAs材料。第二上限制层及欧姆接触层可以通过化学腐蚀工艺构成脊型波导结构，化学腐蚀截止于腐蚀阻挡层。

根据本发明优选的，衬底为(100)面偏(110)方向的N型高掺杂镓砷材料，偏角大小为0°-15°。

根据本发明优选的，下限制层和第一上限制层的AlGaInP材料为同铝组分的材料，下限制层AlGaInP材料中铝的重量含量与第一上限制层AlGaInP材料中铝的重量含量相同，铝的重量含量为10％-20％，下限制层的厚度为1000-1500nm，第一上限制层的厚度为200-400nm；

或，下限制层和第一上限制层的AlGaInP材料为不同铝组分材料，下限制层AlGaInP材料中铝的重量含量与第一上限制层AlGaInP材料中铝的重量含量不同，第一上限制层的AlGaInP材料中铝的重量含量为10％-20％，第一上限制层的厚度为100nm-300nm，下限制层的AlGaInP材料中铝的重量含量为5％-10％，下限制层的厚度900nm-1500nm。此时下限制层和第一上限制层组成非对称结构，降低光吸收。

根据本发明优选的，下波导层和上波导层的厚度相同，下波导层和上波导层的厚度均为300nm-600nm；

或，下波导层和上波导层的厚度不同。组成非对称结构。

进一步优选的，上波导层厚度小于下波导层厚度，下波导层厚度为450nm-900nm，上波导层厚度为350nm-650nm。同时不同的波导层厚度结合不同组分的上、下限制层，组成非对称结构，能够有利于降低内吸收系数。

根据本发明优选的，有源层为张应变的无铝GaAsP材料，有源层的厚度为10-15nm；

或，有源层为InGaAsP压应变材料，有源层的厚度为6-12nm。

根据本发明优选的，腐蚀阻挡层为GaInP材料，腐蚀阻挡层的厚度范围为5-15nm。

根据本发明优选的，第二上限制层为Al_xGa_1-xAs材料，x的取值范围为0.5-0.7，为P型AlGaAs材料；第二上限制层的厚度范围为800nm-1500nm。

根据本发明优选的，欧姆接触层为高掺杂的P型镓砷材料，欧姆接触层的厚度为200-300nm。

本发明的优势在于：

本发明中所述第二上限制层为AlGaAs材料，材料生长相对容易均匀性和一致性较好，同时与腐蚀阻挡层相结合，化学选择性腐蚀容易，制作脊型波导结构时，腐蚀面平整，台阶两侧先对一致。同时制作工艺简单，能够适合批量生产满足需求。

附图说明

图1是本发明提出的一种含有高选择性腐蚀阻挡层的808nm半导体激光器；

图中：1、衬底，2、下限制层，3、下波导层，4、有源层，5、上波导层，6、第一上限制层，7、腐蚀阻挡层，8、第二上限制层，9、欧姆接触层。

具体实施例

下面根据实施例和说明书附图对本发明的技术内容做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

一种含有高选择性腐蚀阻挡层的808nm半导体激光器，如图1所示，由下到上包括：衬底、下限制层、下波导层、有源层、上波导层、第一上限制层、腐蚀阻挡层、第二上限制层和欧姆接触层。

衬底1用于在其上进行激光器各层材料的外延生长，衬底为(100)面偏(110)方向的N型高掺杂镓砷材料，偏角大小为15°。

下限制层2生长在衬底1上，下限制层2为N型AlGaInP材料，厚度为1μm。下限制层的铝含量很低，下限制层的AlGaInP材料中铝的重量含量为7.5％，降低了N型材料区与有源区的折射率差，有利于光场向N型材料区扩展，从而减少光吸收提高光电转换效率并降低远场发散角。

下波导层3生长在下限制层2上，为GaInP材料，厚度500nm。

有源层4生长在下波导层3上，为InGaAsP材料，厚度为8nm。

上波导层5生长在有源层4上，为GaInP材料，厚度为500nm。

第一上限制层6生长在上波导层5上，为P型AlGaInP材料；第一上限制层的AlGaInP材料中铝的重量含量为15％，第一上限制层的厚度200nm。

腐蚀阻挡层7生长在第一限制层6上，为P型GaInP材料，厚度10nm。

第二上限制层8生长在腐蚀阻挡层7上，为P型AlGaAs材料，厚度1000nm

欧姆接触层9生长在第二上限制层8上，为高掺杂的P型GaAs材料，厚度300nm。

通过化学选择性腐蚀GaAs和AlGaAs材料，化学腐蚀截止于腐蚀阻挡层，得到形貌较好的脊型波导结构激光器。

实施例2：

一种含有高选择性腐蚀阻挡层的808nm半导体激光器，由下到上包括的结构如实施例1所述，所不同的是：

下波导层3生长在下限制层2上，为GaInP材料，厚度700nm。

有源层4生长在下波导层3上，为张应变的GaAsP材料，厚度为14nm。相比压应变或者无应变量子阱有更高的光学增益，有利于提高效率。

上波导层5生长在有源层4上，为GaInP材料，厚度为450nm。

第一上限制层6生长在上波导层5上，为P型AlGaInP材料；第一上限制层的AlGaInP材料中铝的重量含量为15％，厚度300nm。

第二上限制层8生长在腐蚀阻挡层7上，为P型AlGaAs材料。厚度1100nm。

通过化学选择性腐蚀GaAs和AlGaAs材料，化学腐蚀截止于腐蚀阻挡层，得到形貌较好的脊型波导结构激光器。

实施例3：

一种含有高选择性腐蚀阻挡层的808nm半导体激光器，由下到上包括的结构如实施例1所述，所不同的是：

下限制层和第一上限制层的AlGaInP材料为同铝组分的材料，下限制层AlGaInP材料中铝的重量含量与第一上限制层AlGaInP材料中铝的重量含量相同，铝的重量含量为10％，下限制层的厚度为1000nm，第一上限制层的厚度为200nm。

实施例4：

一种含有高选择性腐蚀阻挡层的808nm半导体激光器，由下到上包括的结构如实施例1所述，所不同的是：

下限制层和第一上限制层的AlGaInP材料为同铝组分的材料，下限制层AlGaInP材料中铝的重量含量与第一上限制层AlGaInP材料中铝的重量含量相同，铝的重量含量为20％，下限制层的厚度为1500nm，第一上限制层的厚度为400nm。

实施例5：

一种含有高选择性腐蚀阻挡层的808nm半导体激光器，由下到上包括的结构如实施例1所述，所不同的是：

下限制层和第一上限制层的AlGaInP材料为不同铝组分材料，下限制层AlGaInP材料中铝的重量含量与第一上限制层AlGaInP材料中铝的重量含量不同，第一上限制层的AlGaInP材料中铝的重量含量为10％，第一上限制层的厚度为100nm，下限制层的AlGaInP材料中铝的重量含量为5％，下限制层的厚度900nm。

实施例6：

一种含有高选择性腐蚀阻挡层的808nm半导体激光器，由下到上包括的结构如实施例1所述，所不同的是：

下限制层和第一上限制层的AlGaInP材料为不同铝组分材料，下限制层AlGaInP材料中铝的重量含量与第一上限制层AlGaInP材料中铝的重量含量不同，第一上限制层的AlGaInP材料中铝的重量含量为20％，下限制层的AlGaInP材料中铝的重量含量为10％，下限制层的厚度1500nm。

实施例7：

一种含有高选择性腐蚀阻挡层的808nm半导体激光器，由下到上包括的结构如实施例1所述，所不同的是：

下波导层和上波导层的厚度相同，厚度为300nm。

实施例8：

一种含有高选择性腐蚀阻挡层的808nm半导体激光器，由下到上包括的结构如实施例1所述，所不同的是：

下波导层和上波导层的厚度相同，厚度为600nm。

实施例9：

一种含有高选择性腐蚀阻挡层的808nm半导体激光器，由下到上包括的结构如实施例1所述，所不同的是：

上波导层厚度小于下波导层厚度，下波导层厚度为450nm，上波导层厚度为350nm。

实施例10：

一种含有高选择性腐蚀阻挡层的808nm半导体激光器，由下到上包括的结构如实施例1所述，所不同的是：

上波导层厚度小于下波导层厚度，下波导层厚度为900nm，上波导层厚度为650nm。

实施例11：

一种含有高选择性腐蚀阻挡层的808nm半导体激光器，由下到上包括的结构如实施例1所述，所不同的是：

有源层为InGaAsP压应变材料，有源层的厚度为6nm。

实施例12：

一种含有高选择性腐蚀阻挡层的808nm半导体激光器，由下到上包括的结构如实施例11所述，所不同的是：有源层的厚度为12nm。

实施例13：

一种含有高选择性腐蚀阻挡层的808nm半导体激光器，由下到上包括的结构如实施例2所述，所不同的是：

有源层为张应变的无铝GaAsP材料，有源层的厚度为10nm。

实施例14：

一种含有高选择性腐蚀阻挡层的808nm半导体激光器，由下到上包括的结构如实施例13所述，所不同的是：有源层的厚度为15nm。

实施例15：

一种含有高选择性腐蚀阻挡层的808nm半导体激光器，由下到上包括的结构如实施例1所述，所不同的是：

腐蚀阻挡层为GaInP材料，腐蚀阻挡层的厚度范围为5nm。

实施例16：

一种含有高选择性腐蚀阻挡层的808nm半导体激光器，由下到上包括的结构如实施例1所述，所不同的是：

腐蚀阻挡层为GaInP材料，腐蚀阻挡层的厚度范围为15nm。

实施例17：

一种含有高选择性腐蚀阻挡层的808nm半导体激光器，由下到上包括的结构如实施例1所述，所不同的是：

第二上限制层为Al_xGa_1-xAs材料，x的取值为0.5，为P型AlGaAs材料；第二上限制层的厚度范围为800nm。

实施例18：

一种含有高选择性腐蚀阻挡层的808nm半导体激光器，由下到上包括的结构如实施例1所述，所不同的是：

第二上限制层为Al_xGa_1-xAs材料，x的取值为0.7，为P型AlGaAs材料；第二上限制层的厚度范围为1500nm。

实施例19：

一种含有高选择性腐蚀阻挡层的808nm半导体激光器，由下到上包括的结构如实施例1所述，所不同的是：

欧姆接触层为高掺杂的P型镓砷材料，欧姆接触层的厚度为200nm。

Claims (6)

1.一种含有高选择性腐蚀阻挡层的808nm半导体激光器，从下至上包括衬底、下限制层、下波导层、有源层、上波导层、第一上限制层、腐蚀阻挡层、第二上限制层和欧姆接触层；其特征在于，所述腐蚀阻挡层为GaInP材料；所述有源层为GaAsP材料或者InGaAsP材料；下限制层为N型AlGaInP材料，第一上限制层为P型AlGaInP材料，上波导层和下波导层采用无铝材料，无铝材料为GaInP；第二上限制层为P型AlGaAs材料，欧姆接触层为P型GaAs材料；第二上限制层为Al_xGa_1-xAs材料，x的取值范围为0.5-0.7，为P型AlGaAs材料；第二上限制层的厚度范围为800nm-1500nm；

下限制层和第一上限制层的AlGaInP材料为同铝组分的材料，下限制层AlGaInP材料中铝的重量含量与第一上限制层AlGaInP材料中铝的重量含量相同，铝的重量含量为10%-20%，下限制层的厚度为1000 nm -1500nm，第一上限制层的厚度为200 nm -400nm；

或，下限制层和第一上限制层的AlGaInP材料为不同铝组分材料，下限制层AlGaInP材料中铝的重量含量与第一上限制层AlGaInP材料中铝的重量含量不同，第一上限制层的AlGaInP材料中铝的重量含量为10%-20%，第一上限制层的厚度为100nm-300nm，下限制层的AlGaInP材料中铝的重量含量为5%-10%，下限制层的厚度900nm-1500nm；

腐蚀阻挡层为GaInP材料，腐蚀阻挡层的厚度范围为5 nm -15nm。

2.根据权利要求1所述的含有高选择性腐蚀阻挡层的808nm半导体激光器，其特征在于，衬底为（100）面偏（110）方向的N型高掺杂镓砷材料，偏角大小为0°-15°。

3.根据权利要求1所述的含有高选择性腐蚀阻挡层的808nm半导体激光器，其特征在于，下波导层和上波导层的厚度相同，下波导层和上波导层的厚度均为300nm-600nm；

或，下波导层和上波导层的厚度不同。

4.根据权利要求3所述的含有高选择性腐蚀阻挡层的808nm半导体激光器，其特征在于，上波导层厚度小于下波导层厚度，下波导层厚度为450nm-900nm，上波导层厚度为350nm-650nm。

5.根据权利要求1所述的含有高选择性腐蚀阻挡层的808nm半导体激光器，其特征在于，有源层为张应变的无铝GaAsP材料，有源层的厚度为10 nm -15nm；

或，有源层为InGaAsP压应变材料，有源层的厚度为6 nm -12nm。

6.根据权利要求1所述的含有高选择性腐蚀阻挡层的808nm半导体激光器，其特征在于，欧姆接触层为高掺杂的P型镓砷材料，欧姆接触层的厚度为200 nm -300nm。