CN106340807A - 一种用于绿光标线仪的808nm半导体激光器结构 - Google Patents

一种用于绿光标线仪的808nm半导体激光器结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于绿光标线仪的808nm半导体激光器结构，包括自下至上依次设置的衬底、下包层、有源区、第一上包层、第二上包层、接触层、第一金属电极层，第二上包层与接触层构成脊型结构，在第一上包层未覆盖第二上包层的部分、脊型结构的侧面及接触层未覆盖第一金属电极层的部分分别包覆有介质膜，介质膜上方设置第一金属电极层，衬底下方设置第二金属电极层。本发明保证半导体激光器在满足绿光标线仪功率输出的同时，具有最小的阈值电流。相同功率下的工作电流也会降低。这对于使用电池提供电流的标线仪是非常有益的，既能提高半导体激光器的寿命还能降低电池功耗，增加使用时间。

Description

一种用于绿光标线仪的808nm半导体激光器结构
技术领域
本发明涉及一种808nm半导体激光器结构，特别适用于绿光标线仪的泵浦源，属于半导体激光器技术领域。
背景技术
激光标线仪是一种利用高亮度激光经过聚焦并扩束而行成的激光线进行测距、定标及准直的仪器。使用时通过激光线投射在物体上而产生一条标线，使用者可根据该标线对物体进行切割、对齐或其他用处。标线仪广泛应用在钢板、石材、木料等的切割、建筑装修的水平及垂直对齐、机器视觉及舞台演示等领域。它减少了工人的劳动强度，增强了剪切对齐精度，因而大大提高了工作效率。激光线条的颜色有多种区分，主要以绿色、红色应用为主。其中红色多用在室内，绿色由于对人眼具有很高的敏感度而多用在室外工作。
目前绿光标线仪的激光光源主要有两种，一是直接使用绿光半导体激光器，二是使用808nm半导体激光器泵浦晶体并倍频形成的532nm绿光。由于绿光半导体激光器是近几年新研发的产品，价格比较贵。激光器工作电压较大，驱动电路的电压需5V以上。并且绿光半导体激光器的峰值波长一般小于520nm，离人眼敏感度最高的550nm附近较远。目前直接使用绿光半导体激光器的激光标线仪只占有一小部分市场，大部分使用后者的绿光模组。
808nm半导体激光器不仅可以用于激光标线仪，作为一种固体激光器的泵浦源，还被广泛地应用于材料加工及娱乐显示等领域。然而，随着半导体激光器工作电流和功率的不断提高,会导致峰值波长的漂移,这对于具有较小吸收带宽的泵浦应用来说是一个很大的障碍。因而为确保在整个工作范围内实现稳定、高效的泵浦,有效控制泵浦半导体激光器的光谱,改善半导体激光器的光谱纯度及波长稳定等光谱特性是十分迫切和重要的。
目前，提高波长稳定性比较常规的方法包括分布反馈激光器、布拉格反射激光器、垂直腔面发射激光器以及外腔反馈激光器等方法,但由于分布反馈及布拉格反射结构对光刻精度要求高、制造工艺复杂且需二次以上外延,而垂直腔面发射激光器的波长对于外延生长厚度高度敏感,同时利用外置光栅的光反馈来实现波长锁定的方法对于准直光束高度敏感,稳定性差。
中国专利文献CN102148479A公开了一种宽面808nm分立模式半导体激光器的制备方法。在砷化镓衬底上依次制备N型铝镓砷下限制层、下波导层、量子阱层、上波导层、第一P型上限制层、刻蚀截至层、第二P型上限制层和P型帽层；采用光刻技术,在P型帽层的表面制备出刻蚀的掩膜图形；在P型帽层上向下刻蚀,形成凸起的宽面结构,同时在凸起的宽面结构上面的一侧沿纵向刻蚀形成多个非周期分布的刻槽结构,刻槽结构的刻蚀深度到达刻蚀截止层的表面,完成器件的制备。此方法工艺简单、成本较低，可以获得窄带宽、波长稳定性优异的半导体激光器。但是P型帽层刻蚀形成的多个刻槽结构破坏激光器的完整性，降低了有效增益区的面积，影响了激光器的光电参数。而且，刻槽结构深入外延层，靠近有源区，产生的缺陷会吸收部分激光，造成激光器性能及可靠性的降低。
中国专利文献CN105811242A公开了周期性金属接触增益耦合分布反馈半导体激光器，在半导体激光芯片上制作周期性金属接触；可以通过刻蚀、氧化、载流子注入等手段在周期性金属接触之间制作侧向电流限制区，也可以在芯片端面制作高反膜或减反膜。本发明可以获得波长稳定的半导体激光泵浦光源。但是通过刻蚀、氧化、载流子注入等手段，破坏激光器的完整性，降低了有效增益区的面积，影响了激光器的光电参数。
发明内容
针对现有808nm半导体激光器做为泵浦源波长稳定性差的问题，本发明提供了一种用于绿光标线仪的808nm半导体激光器结构。
本发明的技术方案为：
一种用于绿光标线仪的808nm半导体激光器结构，包括自下至上依次设置的衬底、下包层、有源区、第一上包层、第二上包层、接触层、第一金属电极层，所述第二上包层与所述接触层构成脊型结构，在所述第一上包层未覆盖所述第二上包层的部分、所述脊型结构的侧面及所述接触层未覆盖所述第一金属电极层的部分分别包覆有介质膜，所述介质膜上方设置所述第一金属电极层，所述衬底下方设置第二金属电极层。
根据本发明优选的，所述有源区的厚度为200～300nm。
进一步优选的，所述有源区的厚度为230-270nm。
最优选的，所述有源区的厚度为250nm。
此处设计的优势在于，可得到最大的光学限制因子，因而得到最小的阈值电流密度。此处设计的优势在于，使用此厚度的有源区，可使光场分布在有源区内。有源区厚度如果大于此范围，光场会随有源区扩展，量子阱与光场的交叠区变小，导致光学限制因子变小；有源区厚度如果小于此范围，则对光场限制能力不足，使得光场溢出有源区从而扩展，同样会使量子阱与光场的交叠区变小，导致光学限制因子变小。
根据本发明优选的，所述有源区的材料与所述下包层的材料折射率之差大于0.2，所述有源区的材料与第一上包层的材料折射率之差大于0.2。
进一步优选的，所述有源区的材料与所述下包层的材料折射率之差为0.25-0.35，所述有源区的材料与第一上包层的材料折射率之差为0.25-0.35。
最优选的，所述有源区的材料与所述下包层的材料折射率之差为0.3，所述有源区的材料与第一上包层的材料折射率之差为0.3。
此处设计的优势在于，使用此折射率差的有源区、下包层及第一上包层材料，可使光场分布在有源区内，进一步提高光学限制因子。折射率差如果小于此范围，光场会向下包层及第一上包层扩展，量子阱与光场的交叠区变小，导致光学限制因子变小；折射率差大于此范围的材料不易实现匹配生长，对材料生长要求较高，很难实现。
根据本发明优选的，所述有源区的材料与第一上包层的材料的导带带阶大于0.2eV。
此处设计的优势在于，防止漏电流的产生。
根据本发明优选的，所述第一上包层的厚度为100～200nm。
进一步优选的，所述第一上包层的厚度为130-170nm。
最优选的，所述第一上包层的厚度为150nm。
此处设计的优势在于，防止电流扩展。
根据本发明优选的，所述脊型结构的条宽为20～40um。
此处设计的优势在于，电流注入区被限制在脊型结构区域内。
根据本发明优选的，所述半导体激光器结构的腔长为400～600um。
所述半导体激光器工作时的激射波长为806～809nm。
本发明的有益效果为：
1、本发明选择合适的有源区厚度、第一上包层的厚度、脊型结构的条宽、半导体激光器结构的腔长、有源区的材料与下包层的材料折射率之差、有源区的材料与第一上包层的材料折射率之差，可以保证半导体激光器在满足绿光标线仪功率输出的同时，具有最小的阈值电流。相同功率下的工作电流也会降低。这对于使用电池提供电流的标线仪是非常有益的，既能提高半导体激光器的寿命还能降低电池功耗，增加使用时间。
2、本发明有源区与第一上包层材料具有较大的导带带阶，可以防止漏电流的产生，因此，半导体激光器对温度变化不敏感，提高功率时产生的热量也不会急剧增加，提高了激光器波长输出的稳定性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
1、衬底，2、下包层，3、有源区，4、第一上包层，5、第二上包层，6、接触层，7、介质膜，8、第一金属电极层，9、第二金属电极层。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
实施例1
一种用于绿光标线仪的808nm半导体激光器结构，如图1所示，包括自下至上依次设置的衬底1、下包层2、有源区3、第一上包层4、第二上包层5、接触层6、第一金属电极层8，第二上包层5与接触层6构成脊型结构，在第一上包层4未覆盖第二上包层5的部分、脊型结构的侧面及接触层6未覆盖第一金属电极层8的部分分别包覆有介质膜7，介质膜7上方设置第一金属电极层8，衬底1下方设置第二金属电极层9。
衬底1为0度偏角的GaAs衬底；下包层2的材料为Al0.6Ga0.4As材料；有源区3的材料为Al0.3Ga0.7As，第一上包层4的材料为Al0.6Ga0.4As，第二上包层5的材料为Al0.6Ga0.4As，接触层6为重掺杂GaAs。介质膜7为200nm厚的SiO2。第一金属电极层8为TiPtAu，第二金属电极层9为GeNiAu。
有源区3的厚度为280nm。可得到最大的光学限制因子，因而得到最小的阈值电流密度。
Al0.3Ga0.7As的折射率为3.40，Al0.6Ga0.4As的折射率为3.15，有源区3的材料与下包层2的材料折射率之差为0.25，有源区3的材料与第一上包层4的材料折射率之差为0.25。
Al0.3Ga0.7As与Al0.6Ga0.4As的带阶为0.25eV。
第一上包层4的厚度为150nm。脊型结构的宽度为35um，半导体激光器结构的纵向长度为600um，激射波长809nm。可以获得较低的阈值电流为40mA。
实施例2
如实施例1所述的一种用于绿光标线仪的808nm半导体激光器结构，其区别在于，
衬底1为15度偏角的GaAs衬底；下包层2的材料为(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5P；有源区3的材料为Ga0.5In0.5P，第一上包层4的材料为(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5P，第二上包层5的材料为(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5P，接触层6为重掺杂GaAs。介质膜7为200nm厚的SiO2。第一金属电极层8为TiPtAu，第二金属电极层9为GeNiAu。
有源区3的厚度为250nm。可得到最大的光学限制因子，因而得到最小的阈值电流密度。
Ga0.5In0.5P的折射率为3.35，(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5P的折射率为3.08，有源区3的材料与下包层2的材料折射率之差为0.27，有源区3的材料与第一上包层4的材料折射率之差为0.25。
Ga0.5In0.5P与(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5P的带阶为0.27eV。
第一上包层4的厚度为120nm。做成激光器后，由于有源区材料不含Al，腔面抗烧毁能力强，脊型结构的宽度为25um，半导体激光器结构的纵向长度为500um，激射波长806nm。可以获得较低的阈值电流为28mA。

Claims (10)

1.一种用于绿光标线仪的808nm半导体激光器结构，其特征在于，包括自下至上依次设置的衬底、下包层、有源区、第一上包层、第二上包层、接触层、第一金属电极层，所述第二上包层与所述接触层构成脊型结构，在所述第一上包层未覆盖所述第二上包层的部分、所述脊型结构的侧面及所述接触层未覆盖所述第一金属电极层的部分分别包覆有介质膜，所述介质膜上方设置所述第一金属电极层，所述衬底下方设置第二金属电极层。
2.根据权利要求1所述的一种用于绿光标线仪的808nm半导体激光器结构，其特征在于，所述有源区的厚度为200～300nm。
3.根据权利要求1所述的一种用于绿光标线仪的808nm半导体激光器结构，其特征在于，所述有源区的厚度为230-270nm。
4.根据权利要求1所述的一种用于绿光标线仪的808nm半导体激光器结构，其特征在于，所述有源区的厚度为250nm。
5.根据权利要求1所述的一种用于绿光标线仪的808nm半导体激光器结构，其特征在于，所述有源区的材料与所述下包层的材料折射率之差大于0.2，所述有源区的材料与第一上包层的材料折射率之差大于0.2；
进一步优选的，所述有源区的材料与所述下包层的材料折射率之差为0.25-0.35，所述有源区的材料与第一上包层的材料折射率之差为0.25-0.35；
最优选的，所述有源区的材料与所述下包层的材料折射率之差为0.3，所述有源区的材料与第一上包层的材料折射率之差为0.3。
6.根据权利要求1所述的一种用于绿光标线仪的808nm半导体激光器结构，其特征在于，所述有源区的材料与第一上包层的材料的导带带阶大于0.2eV。
7.根据权利要求1所述的一种用于绿光标线仪的808nm半导体激光器结构，其特征在于，所述第一上包层的厚度为100～200nm；
进一步优选的，所述第一上包层的厚度为130-170nm；
最优选的，所述第一上包层的厚度为150nm。
8.根据权利要求1所述的一种用于绿光标线仪的808nm半导体激光器结构，其特征在于，所述脊型结构的条宽为20～40um。
9.根据权利要求1所述的一种用于绿光标线仪的808nm半导体激光器结构，其特征在于，所述半导体激光器结构的腔长为400～600um。
10.根据权利要求1所述的一种用于绿光标线仪的808nm半导体激光器结构，其特征在于，所述半导体激光器工作时的激射波长为806～809nm。
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