CN107069429A - 一种基于半导体激光器的复合波导外延结构 - Google Patents

一种基于半导体激光器的复合波导外延结构 Download PDF

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陈琦鹤
邹永刚
马晓辉
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    • H01S5/00—Semiconductor lasers
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Abstract

本发明公开了一种基于半导体激光器的复合波导外延结构，依次包括P型限制层、P面复合波导层、有源层、N面复合波导层和N型限制层，P面复合波导层和N面复合波导层共同构成外延结构的波导层，所述P面复合波导层和N面复合波导层分别由若干亚波导层构成，若干亚波导层材料体系一致，若干亚波导层之间材料组分含量有变化，使得波导层内材料组分在有源层单侧或双侧呈单调变化分布，从而改变波导层内电阻率分布及能带分布，有效地提高了载流子的注入效率并降低了器件的输入功率。与此同时，该复合波导外延结构可以调控波导中的折射率分布，从而保证器件内光场分布和输出光功率，最终提升器件的电光转换效率。

Description

一种基于半导体激光器的复合波导外延结构
技术领域
本发明属于半导体激光应用领域，尤其涉及一种基于半导体激光器的复合波导外延结构。
背景技术
半导体激光器作为光电子领域的核心器件之一，具有电光转换效率高、稳定性好、尺寸小、重量轻、寿命长和易于集成等优点，在激光通讯、激光显示及泵浦源等领域得到了广泛的应用。近年来，随着相关半导体制备工艺技术的改进和完善，半导体激光器各项性能指标得到了大幅提升，应用领域范围也得到进一步拓宽。其中，具有高电光转换效率的半导体激光器件尤为引人关注。这种高电光转换效率的半导体激光器件可以降低器件功耗并减小发热量，有利于降低器件的电驱动系统及散热系统成本，实现整体设备的小型化和便携化。因此，在倡导低碳环保的发展趋势下，高电光转换效率的半导体激光器是目前研究的热点之一。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于半导体激光器的复合波导外延结构，基于半导体激光器，可提高器件的电光转换效率。
为实现上述目的，采用了如下技术方案：
一种基于半导体激光器的复合波导外延结构，自上而下依次包括P型限制层、P面复合波导层、有源层、N面复合波导层和N型限制层，所述P面复合波导层和N面复合波导层分别由若干亚波导层构成，若干亚波导层具有相同的材料体系，若干亚波导层之间材料组分含量有变化。
作为一种优选，P面复合波导层和N面复合波导层采用AlxGa1-xAs材料，若干亚波导层之间材料Al组分含量分别在P面复合波导层和N面复合波导层内呈单调变化分布。
作为一种优选，P面复合波导层和N面复合波导层采用InGaAsyP1-y材料，若干亚波导层之间材料As组分含量分别在P面复合波导层和N面复合波导层内呈单调变化分布。
作为一种优选，所述P面复合波导层从P型限制层到有源层方向若干亚波导层之间材料组分呈单调变化趋势，所述N面复合波导层从N型限制层到有源层方向若干亚波导层之间材料组分呈单调变化趋势。
作为一种优选，所述P面复合波导层从P型限制层到有源层方向若干亚波导层之间材料组分呈单调变化趋势，N面复合波导层简化为常规单波导层。
作为一种优选，所述N面复合波导层从N型限制层到有源层方向若干亚波导层之间材料组分呈单调变化趋势，P面复合波导层简化为常规单波导层。
本发明有益的技术效果为：
针对激射波长980nm，对称波导结构的半导体激光器，通过对有源层两端若干亚波导层材料组分进行优化，设计成双面复合波导外延结构，器件的电光转换效率明显提升，在工作电流为900mA条件下，器件电光转换效率从原来的55％提升到70％。
针对激射波长808nm，对称波导结构的半导体激光器，通过在有源层与N型限制层之间采用常规单波导层，并对有源层与P型限制层之间若干亚波导层材料组分进行优化，设计成P面复合波导外延结构，在900mA至1100mA工作电流条件下，器件的电光转换效率由46％～54％提升至50％～58％。
附图说明
图1为本发明中的半导体激光器外延结构。
图2为本发明的复合波导结构。
图3为现有技术中900mA工作电流下器件外延结构能带示意图。
图4为双面复合波导外延结构。
图5为本发明中900mA工作电流下复合波导外延结构局部折射率及光场分布示意图。
图6为本发明中900mA工作电流下复合波导外延结构能带示意图。
图7为双面复合波导外延结构和现有技术外延结构的器件电光转换效率对比。
图8为P面复合波导外延结构。
图9为P面复合波导外延结构和现有技术外延结构的器件电光转换效率对比。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行更进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于半导体激光器的复合波导外延结构，自上而下依次包括：P型限制层(1)、P面复合波导层(2)、有源层(3)、N面复合波导层(4)和N型限制层(5)，所述P面复合波导层(2)和N面复合波导层(4)分别由若干亚波导层构成，若干亚波导层具有相同的材料体系，若干亚波导层之间材料组分(AlxGa1-xAs材料中Al或者是InGaAsyP1-y材料中As)含量有变化，优化了波导层内电阻率分布及能带分布，有效地提高了载流子的注入效率并降低了器件的输入功率。
所述波导层的制备方法如下：通过MOCVD生长若干AlxGa1-xAs材料层(0＜X＜0.7)作为亚波导层，如图2所示，每一层亚波导层Al组分不同，形成亚波导层1，2……n，且从限制层到有源区方向组分呈单调变化趋势。所述波导层电阻及能带得到优化，提高载流子注入效率和器件的电光转换效率。
实施例一
采用激射波长为980nm半导体激光器结构，现有技术中，常规波导外延结构自上而下依次包括：第一层为1μm厚度Al0.7Ga0.3As材料的P型限制层，第二层为0.25μm厚度Al0.4Ga0.6As材料的波导层，第三层为0.106μm厚度的InGaAs/GaAs量子阱(即有源层)，第四层为0.25μm厚度Al0.4Ga0.6As材料的波导层，第五层为1.2μm厚度Al0.7Ga0.3As材料的N型限制层，器件在900mA电流下工作时其能带如图3所示，有源层两端波导层内能带连续，且弯曲较大，表明波导层承受了较大的压降，即波导层的具有较高的电阻。在工作电流为900mA至1100mA条件下，激光器的电光转换效率只有55％～49％。
采用激射波长为980nm半导体激光器结构，本发明中，双面复合波导外延结构自上而下依次包括：第一层为1μm厚度Al0.7Ga0.3As材料的P型限制层，第二层为总厚度0.25μm的AlxGa1-xAs亚波导层集合，第三层为0.106μm厚度的InGaAs/GaAs量子阱(即有源层)，第四层为总厚度0.25μm的AlxGa1-xAs亚波导层集合，第五层为1.2μm厚度Al0.7Ga0.3As材料的N型限制层，如图4所示。其中两个亚波导层集合均由Al组分分别为0.3和0.5的两个不同亚波导层构成，Al组分为0.5的亚波导层位于限制层一侧。图5给出了器件工作电流为900mA时复合波导外延结构局部折射率及光场分布示意图，其光场分布表明该外延结构可以有效地将光场限制在波导层内，保证了激光器输出光功率。器件工作在900mA时其外延层能带如图6所示，有源层两端波导层内能带呈阶梯分布，且弯曲幅度较小，表明波导层所承受的压降较小，即波导层电阻得到了降低。这有利于载流子向有源区的注入，因此与常规波导外延结构相比，复合波导外延结构可以在更低的电压条件下获得相同的驱动电流。如图7所示，在工作电流为900mA至1100mA条件下，具有双面复合波导外延结构的激光器电光转换效率达到了70％～66％。由此表明，双面复合波导外延结构可以有效地提高器件的电光转换效率。
实施例二
采用激射波长为808nm半导体激光器结构，现有技术中，常规波导外延结构自上而下依次包括：第一层为0.2μm厚度Al0.7Ga0.3As材料的P型限制层，第二层为0.2μm厚度Al0.45Ga0.55As材料的波导层，第三层为0.013μm厚度的InAlGaAs/AlGaAs量子阱(即有源层)，第四层为0.2μm厚度Al0.45Ga0.55As材料的波导层，第五层为0.3μm厚度Al0.7Ga0.3As材料的N型限制层，该器件结构在900mA至1100mA工作电流条件下电光转换效率只有53％～46％。
采用激射波长为808nm半导体激光器结构，本发明中，P面复合波导外延结构自上而下依次包括：第一层为0.2μm厚度Al0.7Ga0.3As材料的P型限制层，第二层为总厚度0.2μmAlxGa1-xAs材料的亚波导层集合，第三层为0.013μm厚度的InAlGaAs/AlGaAs量子阱(即有源层)，第四层为0.2μm厚度Al0.45Ga0.55As材料的波导层，第五层为0.3μm厚度Al0.7Ga0.3As材料的N型限制层，如图8所示。其中亚波导层集合由Al组分分别为0.45、0.5和0.6的三个不同亚波导层构成，Al组分从限制层到有源层单调递减。如图9所示，在工作电流为900mA至1100mA条件下，具有P面复合波导外延结构的激光器电光转换效率提升至58％～50％，明显高于具有常规波导外延结构的器件。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应当视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于半导体激光器的复合波导外延结构，自上而下依次包括P型限制层(1)、P面复合波导层(2)、有源层(3)、N面复合波导层(4)和N型限制层(5)，其特征在于：所述P面复合波导层(2)和N面复合波导层(4)分别由若干亚波导层构成，若干亚波导层具有相同的材料体系，若干亚波导层之间材料组分含量有变化。
2.根据权利要求1所述的一种基于半导体激光器的复合波导外延结构，其特征在于，P面复合波导层(2)和N面复合波导层(4)采用AlxGa1-xAs材料，若干亚波导层之间Al组分含量有变化或P面复合波导层(2)和N面复合波导层(4)采用InGaAsyP1-y材料，若干亚波导层之间As组分含量有变化。
3.根据权利要求1所述的一种基于半导体激光器的复合波导外延结构，其特征在于，所述P面复合波导层(2)从P型限制层(1)到有源层(3)方向若干亚波导层之间材料组分呈单调变化趋势，所述N面复合波导层(4)从N型限制层(5)到有源层(3)方向若干亚波导层之间材料组分呈单调变化趋势。
4.根据权利要求1所述的一种基于半导体激光器的复合波导外延结构，其特征在于，所述P面复合波导层(2)从P型限制层(1)到有源层(3)方向若干亚波导层之间材料组分呈单调变化趋势，N面复合波导层(4)简化为常规单波导层。
5.根据权利要求1所述的一种基于半导体激光器的复合波导外延结构，其特征在于，所述N面复合波导层(4)从N型限制层(5)到有源层(3)方向若干亚波导层之间材料组分呈单调变化趋势，P面复合波导层(2)简化为常规单波导层。
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