CN106410605B - 一种发光效率增强的半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发光效率增强的半导体激光器。该激光器是在传统半导体激光器制备工艺基础上，采用高真空设备在超高真空环境中对激光器外延片进行解理并进行腔面金属纳米颗粒及腔面膜制备。本发明公开的这种激光器在激光器谐振腔面制备均匀分布的金属纳米颗粒，利用金属纳米颗粒的自由电子与入射电磁波耦合，引起自由电子集体震荡，产生增强的局域电场，提供强大的近场增强效应，增强激光器有源区载流子的辐射复合，实现半导体激光器器件发光效率的提高。

Description

一种发光效率增强的半导体激光器
技术领域
本发明涉及半导体激光器领域，特别涉及一种利用金属局域表面等离子体激元实现发光效率增强的半导体激光器。
背景技术
半导体激光器体积小、重量轻、可靠性高、使用寿命长、功耗低等特点，在工业加工、激光医疗、激光光通信、激光测距、工业探测、光存储和激光打印等军事和民用领域有着广泛应用。目前，高质量半导体激光器芯片材料多采用分子束外延(MBE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法外延制备。尽管半导体激光器材料外延技术已经取得很大进展，但半导体激光器器件仍存在发光效率低的问题，严重限制了其性能的提高，制约了其在相关领域的应用。其中在半导体激光器器件制备工艺过程中，由于半导体材料表面的界面态、杂质玷污或应变的影响，在谐振腔面附近光吸收产生的电子-空穴对发生非辐射复合，造成较大的能量损耗，降低了器件的发光效率，进而影响器件的输出性能。
针对半导体激光器发光效率低的问题，可从器件制备工艺进行改善，主要技术手段有：1、对器件谐振腔腔面进行化学硫钝化，采用(NH4)2Sx等进行腔面钝化，减少材料表面态密度，降低非辐射复合中心；2、真空解理镀膜技术，在高真空环境下完成外延片的解理和镀膜过程，防止了氧和碳等杂质对谐振腔面的玷污；3、在谐振腔面处形成非吸收窗技术，应用多次外延技术在端面附近再生长一层宽带隙材料，形成输出光的透明窗口，减少光吸收。这些方法可在一定程度提高半导体激光器器件的寿命和可靠性，在提高半导体激光器器件发光效率方面效果有限。
发明内容
本发明提出一种发光效率增强的半导体激光器，可有效提高半导体激光器的发光效率。本发明提出的一种发光效率增强的半导体激光器，通过在半导体激光器谐振腔腔面制备金属纳米粒子(Au、Pt、Ag等贵金属)，利用金属局域表面等离子体激元提高半导体激光器器件的发光效率。当发射波长与金属纳米颗粒的共振频率一致时，金属纳米颗粒的自由电子与入射电磁波耦合，引起自由电子集体震荡，产生增强的局域电场，提供强大的近场增强效应，增强激光器有源区载流子的辐射复合，实现半导体激光器发光效率的提高。
本发明提出的一种发光效率增强的半导体激光器，所述发光效率增强的半导体激光器包括激光器芯片、金属纳米颗粒、前腔面增透光学膜、后腔面高反光学膜，所述激光器芯片结构包括衬底、下限制层、下波导层、激光器有源区、上波导层、上限制层，所述金属纳米颗粒均匀分布于半导体激光器谐振腔前腔面和后腔面，所述金属纳米颗粒材料为Au、Pt、Ag等贵金属。
本发明通过在半导体激光器谐振腔腔面制备均匀分布的金属纳米颗粒，利用金属局域表面等离子体激元产生增强的局域电场，增强激光器有源区载流子的辐射复合，实现半导体激光器器件的发光效率的提高。
附图说明
图1为本发明实施例中发光效率增强的半导体激光器的结构示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明提出的一种发光效率增强的半导体激光器，所述发光效率增强的半导体激光器包括激光器芯片、金属纳米颗粒、谐振腔前腔面增透光学膜、谐振腔后腔面高反光学膜，所述激光器芯片结构包括衬底、下限制层、下波导层、激光器有源区、上波导层、上限制层，所述金属纳米颗粒为Ag、Pt、Au等贵金属材料，金属纳米颗粒均匀分布于半导体激光器谐振腔腔面。下面以激光器芯片为GaAs基半导体激光器，Au纳米颗粒为例进行详细描述。
如图1所示，该发光效率增强的半导体激光器包括衬底1、下限制层2、下波导层3、激光器有源区4、上波导层5、上限制层6、金属纳米颗粒7、谐振腔前腔面增透光学膜8、谐振腔后腔面高反光学膜9。其中，本实施例中激光器芯片为GaAs基半导体激光器结构，谐振腔前后腔面光学膜分别为增透膜和高反膜，金属纳米颗粒为Au纳米颗粒。
具体步骤如下：
步骤一：采用分子束外延(MBE)技术或金属有机气相外延沉积(MOCVD)技术，在GaAs衬底上外延生长下限制层、下波导层、激光器有源区、上波导层、上限制层等，获得激光器结构外延片。
步骤二：对外延制备的激光器外延片进行检测，对外延片进行电子束曝光或紫外光刻工艺，并采用感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀与湿法刻蚀相结合的工艺对外延片进行刻蚀，完成刻蚀工艺后进行P面电极制备，对N面进行减薄，制备N面电极。
步骤三：在高真空环境中将激光器外延片解理成条，并用溅射仪器在解理面制备金属纳米颗粒。溅射仪器中采用高纯(99.9％)金属Au为溅射靶，基底为激光器芯片，溅射仪器本底真空5×10-3Pa以下，加热温度200℃，溅射气体为高纯氦气或高纯氩气，溅射时的气压为1～2Pa，溅射功率100W～200W，溅射时间10s～30s，溅射靶材与激光器芯片距离为10cm，制备过程中样品架以3～5r/min的转速进行旋转。通过控制溅射功率及溅射时间，在激光器芯片的腔面制备并得到满足要求的Au纳米颗粒。
步骤四：对磁控溅射制备Au纳米颗粒的激光器芯片进行退火处理，退火温度300～500℃，退火时间10～30min，通过退火处理使激光器谐振腔面制备的Au纳米颗粒分布更均匀，Au纳米颗粒的粒径及形貌更规则。
步骤五：进一步对激光器谐振腔面进行钝化处理及光学膜制备，腔面膜制备之前采用模拟软件设计增透膜和高反膜系，然后采用等离子体辅助电子束蒸发方法或其他光学膜制备仪器进行腔面膜制备，谐振腔前腔面制备增透光学膜，材料为Al2O3、ZrO2、HfO2/SiO2等单层膜或双层膜系材料；谐振腔后腔面制备高反光学膜，材料为ZrO2/SiO2、Si/Al2O3、HfO2/SiO2等膜系材料。
步骤六：对激光器芯片进行解理得到激光器管芯，对管芯进行筛选测试，获得质量满足要求的激光器管芯，并进行器件封装及性能测试等工艺。
通过以上步骤实现本申请所要求保护的发光效率增强的半导体激光器。由于在高真空环境中对激光器外延片进行解理并进行腔面膜制备，降低了由于腔面氧化造成的发光效率低的问题，同时，在激光器芯片谐振腔面制备均匀分布的金属Au纳米颗粒，利用金属局域表面等离子体激元产生增强的局域电场，增强激光器有源区载流子的辐射复合，实现器件的发光效率的提高，得到一种发光效率增强的半导体激光器。

Claims (7)

1.一种发光效率增强的半导体激光器，其特征在于该激光器包括激光器芯片、谐振腔面金属纳米颗粒、谐振腔前后腔面光学膜，所述谐振腔前后腔面光学膜，由激光器外延片在高真空环境中进行解理，制备金属纳米颗粒后在镀膜设备中进行谐振腔面光学膜制备，所述金属纳米颗粒均匀分布于半导体激光器谐振腔前后腔面，金属纳米颗粒位于解理面与腔面光学膜之间，金属纳米颗粒产生的局域表面等离子体激元产生增强的局域电场，提供强大的近场增强效应，增强激光器有源区载流子的辐射复合，实现半导体激光器器件发光效率的提高。
2.如权利要求1所述的发光效率增强的半导体激光器，所述半导体激光器谐振腔面制备有均匀分布的金属纳米颗粒，激光器外延片解理后在解理面上制备金属纳米颗粒，金属纳米颗粒制备完成后进行腔面光学膜的制备。
3.如权利要求1所述的发光效率增强的半导体激光器，其特征在于，所述激光器谐振腔腔面的金属纳米颗粒为金(Au)、银(Ag)或铂(Pt)贵金属。
4.如权利要求1所述的发光效率增强的半导体激光器，其特征在于，所述金属纳米颗粒由溅射仪器结合高温退火制备得到，通过控制溅射的功率、时间参数或高温退火的时间控制金属纳米颗粒的分布及大小。
5.如权利要求1所述的发光效率增强的半导体激光器，其特征在于，所述激光器芯片为GaAs基半导体激光器结构，包括衬底、下限制层、下波导层、激光器有源区、上波导层和上限制层。
6.如权利要求1所述的发光效率增强的半导体激光器，其特征在于，所述激光器芯片由激光器外延片在高真空环境设备中进行解理并溅射金属纳米颗粒及腔面光学膜得到，制备过程处于超高真空环境，避免激光器谐振腔腔面被氧化及其他杂质污染。
7.如权利要求1所述的发光效率增强的半导体激光器，其特征在于，所述谐振腔前后腔面光学膜在激光器芯片解理面制备金属纳米颗粒后在高真空环境中制备得到。
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