CN108346973A - 一种基于AlGaAs/GaInP有源区的795nm量子阱激光器 - Google Patents

一种基于AlGaAs/GaInP有源区的795nm量子阱激光器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种AlGaAs/GaInP有源区795nm量子阱激光器，其外延结构由下至上依次包括衬底、缓冲层、N型下限制层、下波导层、量子阱层、上波导层、P型上限制层、欧姆接触层，上波导层和下波导层采用无铝材料镓铟磷，量子阱层为铝镓砷材料，波导层和量子阱层共同组成宽波导半无铝有源区。本发明能够满足小型化、简单化自倍频激光晶体应用的泵浦激光器的特殊需求，同时优化的激光器结构能够有效降低生长界面粗糙、腔面处附生电场对激光器长寿命等可靠性的影响。

Description

一种基于AlGaAs/GaInP有源区的795nm量子阱激光器
技术领域
本发明涉及一种高效率、高可靠性的795nm应变量子阱激光器，属于单量子阱半导体激光器技术领域。
背景技术
近年来，彩虹全息、精细激光光谱、激光医学等表现出了对绿光激光器以及双波长激光器的强烈需求。全固态激光器由于其结构紧凑、峰值功率高、波长半峰宽窄等优点，在精细光谱、检测、激光医学中有不可替代的作用。常用的固体激光器一般由半导体激光器泵浦源、激光晶体、倍频晶体组合的方式实现，在实现可见光激光(如532nm)输出时，需要调整激光晶体和倍频晶体达到最近匹配，工艺复杂要求高。同时倍频晶体如KTP、LBO等相位匹配角受温度影响较大，使得固体激光器系统在温度变化时严重失配，无法实现激光输出，不能实现宽温度范围工作。自倍频晶体的出现解决这一问题，通过使用自倍频晶体即可实现结构简单、宽温度工作等；如专利文件CN103762491A提供的自倍频晶体红绿光激光器等，这些自倍频晶体需要特殊的795nm波长输出的半导体激光器泵浦源。但目前量子阱激光器领域，尚未发现有795nm波长输出的半导体激光器技术公开。
此外，现有量子阱激光器的外延结构普遍采用以有源区为中心的对称结构，上下限制层、上下波导层的材料组分基本相同，存在的不足在于，一是波导层含有Al组分，对激光器的可靠性有较大影响；二是多量子阱结构中两个以上阱本身带来的多界面损耗以及散热不理想，三是量子阱组分大于3种时，加上多个界面的结构其生长也十分不容易；这些技术问题限制了量子阱激光器成为大功率激光器应用。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，针对自倍频晶体所需795nm波长泵浦源的要求，本发明提供一种优化结构设计的基于AlGaAs/GaInP有源区的795nm应变量子阱激光器。该激光器铝组分含量低，能有效降低Al组分对激光器可靠性的影响，该激光器还能有效降低腔面的光功率密度和内部吸收，有利于提高激光器的最大输出功率和可靠性。
本发明还提供一种基于AlGaAs/GaInP有源区的795nm量子阱激光器的制备方法。
术语说明：
N型GaAs：N型掺杂镓砷材料；
P型GaAs：P型掺杂镓砷材料；
N型AlGaInP：N型掺杂铝镓铟磷材料；
P型AlGaInP：P型掺杂铝镓铟磷材料；
GaInP：无铝的镓铟磷材料。
MOCVD：有机金属化学气相沉积。
PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)：等离子体增强化学气相沉积法。
本发明的技术方案如下：
一种基于AlGaAs/GaInP有源区的795nm量子阱激光器，包括在衬底上顺次生长的缓冲层、下限制层、下波导层、量子阱层、上波导层、上限制层、欧姆接触层，其中，量子阱层为AlGaAs层，
所述衬底和缓冲层均为N型GaAs层，
所述下限制层为N型AlGaInP层，上限制层为P型AlGaInP层，
所述上波导层为GaInP层，
所述下波导层为GaInP层或部分厚度N型掺杂的GaInP层，
所述欧姆接触层为P型GaAs层，
由所述的上波导层、量子阱层和下波导层共同组成宽波导有源区，即，AlGaAs/GaInP有源区。
根据本发明优选的，量子阱层厚度为7-11nm，激射波长795±3nm。以保证激射795±3nm波长的激光输出。进一步优选量子阱层厚度为8-10nm。
根据本发明优选的，量子阱层AlGaAs中，Al组分含量11-13％。
根据本发明优选的，所述下限制层和上限制层中的铝组分含量不同，所述上限制层中的铝的含量为15％-25％质量比，下限制层中铝的含量为5％-15％质量比，且下限制层中铝的含量低于上限制层中铝的含量。下限制层中很低的铝含量降低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。上限制层中较低的铝含量容易得到高掺杂、高质量的外延材料，有利于减小激光器的串联电阻。进一步优选，所述上限制层中的铝的含量为15％-20％质量比，下限制层中铝的含量为8％-12％质量比。
根据本发明优选的，所述上限制层厚度为1.2-2μm，下限制层厚度范围1-1.5μm，且上限制层厚度大于下限制层厚度。进一步优选，上限制层、下限制层的掺杂浓度5-9E17cm-3。
根据本发明优选的，所述下波导层厚度为450nm-900nm，上波导层厚度为350nm-650nm，且上波导层厚度小于下波导层厚度。该波导层结构构成非对称宽波导结构，有利于降低腔面光功率密度；同时不同的波导层厚度结合改进的限制层，改变了有源区和限制层的折射率差，降低了远场发散角。
根据本发明，优选的，所述下波导层与下限制层相邻的一侧部分厚度进行N型掺杂，掺杂浓度2E17cm-3-5E17cm-3；特别优选，N型掺杂部分的厚度为下波导层厚度的1/3～1/2。该优选方案可有利于提高导电特性，降低电压。一个最佳方案是N型掺杂部分的厚度为下波导层厚度的1/2。
根据本发明优选的，所述衬底、缓冲层是高掺杂的N型GaAs层，掺杂浓度不低于1E18cm-3，进一步优选的，所述N型高掺杂镓砷缓冲层材料掺杂浓度1E18cm-3-5E18cm-3。
根据本发明优选的，所述衬底为(100)面偏(110)方向的N型高掺杂镓砷材料，掺杂浓度不低于1E18cm-3，偏角大小为0°-15°。进一步优选的，所述N型高掺杂镓砷材料偏角大小为10°-15°。
根据本发明优选的，所述缓冲层为N型高掺杂镓砷材料，掺杂浓度不低于1E18cm-3，厚度300nm-500nm。进一步优选的，所述N型高掺杂镓砷材料掺杂浓度1E18cm-3-5E18cm-3。
根据本发明优选的，所述欧姆接触层的P型GaAs中，掺杂浓度不低于1E18cm-3，优选掺杂浓度1E18cm-3-5E18cm-3。欧姆接触层厚度为200nm-500nm，优选厚度为300nm。
本发明以上所述的各层材料的各组分的含量，除了特别限定的外，均按现有技术。本发明以上所述的N型掺杂、P型掺杂的掺杂离子及掺杂工艺均现有技术。
根据本发明，所述的基于AlGaAs/GaInP有源区的795nm量子阱激光器的制备方法，包括采用MOCVD工艺，在衬底上顺次外延生长缓冲层、下限制层、下波导层、量子阱层、上波导层、上限制层、欧姆接触层，包括步骤如下：
(1)在N型GaAs衬底上生长N型GaAs缓冲层，在N型GaAs缓冲层生长N型AlGaInP下限制层；
(2)在所述N型AlGaInP下限制层上生长GaInP层或部分厚度N型掺杂的GaInP层作为下波导层，在所述下波导层上生长AlGaAs量子阱层，在AlGaAs量子阱层上生长GaInP上波导层；所述的上波导层、量子阱层和下波导层共同组成宽波导有源区，即，AlGaAs/GaInP有源区；
(3)在所述的上波导层上生长P型AlGaInP上限制层；在所述上限制层上生长P型GaAs欧姆接触层；
(4)在上述的生长结构后，再经过光刻、PECVD蒸发、腐蚀工艺形成P型电极窗口，然后热蒸发TiPtAu，形成P型欧姆接触电极，再在N面减薄后蒸发Au/Ge/Ni，形成N型欧姆接触层，退火。然后经过解理、腔面镀膜形成激光器芯片，再将芯片烧结到热沉上，经过引线，制得激光器。
上述制备方法中未详细说明的按本领域现有技术即可。
本发明的技术特点及有益效果：
1、本发明采用AlGaAs量子阱和所有材料体系具有较好的晶格匹配度，生长难度小，能够保证激光器外延材料量子阱及其界面的质量。
2、本发明以AlGaAs作为量子阱同GaInP作为波导层的结合可实现795nm波长，同时AlGaAs容易得到高质量的材料；本发明所提出的AlGaAs/GaInP有源区795nm量子阱激光器晶格匹配度高，无铝材料GaInP作为波导层降低Al组分，能够有效降低Al组分的氧化、生长界面粗糙、腔面处附生电场对激光器大功率输出和长寿命等可靠性的影响。另外，优选方案中下波导层掺杂，可以提高波导层的导电能力，有利于降低电压。
3、本发明只有一个AlGaAs量子阱，无需势垒层，易实现高功率输出，特别是连续电流输出。
4、本发明的基于AlGaAs/GaInP有源区的795nm量子阱激光器中，所述波导层和限制层经过优化设计为宽波导非对称结构(一般波导层厚度300nm在以上的称为宽波导结构)，能够有效降低内损耗、提高最大输出功率和可靠性。下限制层中很低的铝含量降低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。上限制层中较低的铝含量容易得到高掺杂、高质量的外延材料，有利于减小激光器的串联电阻。波导层结构构成非对称宽波导结构，有利于降低腔面光功率密度；同时不同的波导层厚度结合改进的限制层，改变了有源区和限制层的折射率差，降低了远场发散角。
5、本发明的基于AlGaAs/GaInP有源区的795nm量子阱激光器能够满足小型化、简单化自倍频晶体对特殊激光器泵浦源的需求，满足激光应用中结构简单、使用方便的需求。同时优化的设计能够保证器件的工作可靠性和高的输出功率。另外，该结构容易实现，并且具有非常好的重复性，能够适合批量生产满足市场需求。
附图说明
图1是本发明AlGaAs/GaInP有源区795nm量子阱激光器的外延结构示意图。图中：1、衬底，2、缓冲层，3、下限制层，4、下波导层，5、量子阱层，6、上波导层，7、上限制层，8、欧姆接触层。
图2是实施例1的795nm量子阱激光器封装后LIV(光强-电流-电压)测试结果。
图3是实施例1的795nm量子阱激光器封装后光谱测试结果。波长单位：nm。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述，但不限于此。实施例中的含量％均为质量百分比，有特别说明的除外。
实施例1：
一种基于AlGaAs/GaInP有源区795nm量子阱激光器，结构如图1所示，由下至上依次为衬底1、缓冲层2、下限制层3、下波导层4、量子阱层5、上波导层6、上限制层7和欧姆接触层8。
衬底1：用于在其上进行激光器各层材料的外延生长，所述衬底为(100)面偏(110)方向的N型高掺杂镓砷材料，偏角大小为15°。N型高掺杂镓砷的掺杂浓度2E18cm-3。
缓冲层2生长在衬底1上，是掺杂浓度为2E18cm-3的N型高掺杂镓砷材料，厚度300nm。
下限制层3为N型铝镓铟磷材料，生长在缓冲层2上，掺杂浓度5E17cm-3，厚度1.1μm。下限制层的铝含量为10％，很低的铝含量降低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4为镓铟磷层，生长在下限制层3上，镓铟磷层厚度为600nm，靠近下限制层3的一半厚度的下波导层进行N型掺杂，掺杂浓度为3E17cm-3。
量子阱层5生长在下波导层4上，为AlGaAs材料，Al组分含量12％，AlGaAs层厚度为9nm。工作时该量子阱能够保证输出795nm激光。
上波导层6生长在量子阱层5上，为镓铟磷材料，不掺杂，厚度为450nm。
上限制层7为P型铝镓铟磷，生长在上波导层6上，P型铝镓铟磷材料中铝含量为20％，厚度1.3μm。容易得到高掺杂、高质量的外延材料，有利于减小激光器的串联电阻。掺杂浓度5E17cm-3
欧姆接触层8生长在上限制层7上，为P型镓砷材料，掺杂浓度2E18cm-3，厚度为300nm。
下波导层4、量子阱层5、上波导层6组成半无铝结构的有源区，能够提高腔面的光学灾变损伤阈值。下波导层4和上波导层6的厚度不同，下波导层4厚度为600nm，上波导层厚度为450nm，加上不同厚度的上下限制层构成非对称结构，有利于降低腔面的光功率密度、提高激光器的转换效率，增加激光器的工作可靠性。
激光发射实验结果：
图2、图3是实施例1所得795nm量子阱激光器封装后LIV及光谱测试结果，可以看出斜率效率为1.16W/A，1A电流时输出功率达到1W，中心波长为795.5nm。
实施例2：一种AlGaAs/GaInP有源区795nm量子阱激光器
如实施例1所述，所不同的是：
衬底1为(100)面偏(110)方向的N型高掺杂镓砷材料，偏角大小为12°，N型高掺杂镓砷的掺杂浓度3E18cm-3。
缓冲层2：N型高掺杂镓砷材料的掺杂浓度2E18cm-3，厚度350nm。
下限制层3：N型铝镓铟磷材料的掺杂浓度7E17cm-3，厚度1.1μm。下限制层的铝含量为15％。
下波导层4厚度为500nm，靠近下限制层3的一半厚度250nm的镓铟磷层进行N型掺杂，掺杂浓度为2E17cm-3。
量子阱层5：AlGaAs的厚度为8nm。工作时该量子阱能够保证输出795±1nm激光。
上波导层6镓铟磷材料不掺杂，上波导层厚度为400nm。
上限制层7：P型铝镓铟磷材料的铝含量20％，厚度1.3μm。掺杂浓度7E17cm-3。
欧姆接触层8：P型镓砷材料，掺杂浓度1E18以上，厚度为200nm。
该量子阱激光器封装后光谱测试结果显示实现了795+1nm激光输出。

Claims (10)

1.一种基于AlGaAs/GaInP有源区的795nm量子阱激光器，包括在衬底上顺次生长的缓冲层、下限制层、下波导层、量子阱层、上波导层、上限制层、欧姆接触层，其中，量子阱层为AlGaAs层，
所述衬底和缓冲层均为N型GaAs层，
所述下限制层为N型AlGaInP层，上限制层为P型AlGaInP层，
所述上波导层为GaInP层，
所述下波导层为GaInP层或部分厚度N型掺杂的GaInP层，
所述欧姆接触层为P型GaAs层，
由所述的上波导层、量子阱层和下波导层共同组成宽波导半无铝有源区，即，AlGaAs/GaInP有源区。
2.根据权利要求1所述的AlGaAs/GaInP有源区795nm量子阱激光器，其特征在于，量子阱层厚度为7-11nm，激射波长795±3nm；优选的，量子阱层厚度为8-10nm。
3.根据权利要求1所述的AlGaAs/GaInP有源区795nm量子阱激光器，其特征在于，量子阱层AlGaAs中，Al组分含量11-13％。
4.根据权利要求1所述的AlGaAs/GaInP有源区795nm量子阱激光器，其特征在于，所述上限制层中的铝的含量为15％-25％质量比，下限制层中铝的含量为5％-15％质量比，且下限制层中铝的含量低于上限制层中铝的含量。
5.根据权利要求1所述的AlGaAs/GaInP有源区795nm量子阱激光器，其特征在于，所述上限制层厚度为1.2-2μm，下限制层厚度范围1-1.5μm，且上限制层厚度大于下限制层厚度。
6.根据权利要求1所述的AlGaAs/GaInP有源区795nm量子阱激光器，其特征在于，上限制层、下限制层的掺杂浓度为5-9E17cm-3。
7.根据权利要求1所述的AlGaAs/GaInP有源区795nm量子阱激光器，其特征在于，所述下波导层厚度为450nm-900nm，上波导层厚度为350nm-650nm，且上波导层厚度小于下波导层厚度。
8.根据权利要求1所述的AlGaAs/GaInP有源区795nm量子阱激光器，其特征在于，所述下波导层与下限制层相邻的一侧部分厚度进行N型掺杂，掺杂浓度2E17cm-3-5E17cm-3；优选的，N型掺杂部分的厚度为下波导层厚度的1/3～1/2。
9.根据权利要求1所述的AlGaAs/GaInP有源区795nm量子阱激光器，其特征在于，所述衬底、缓冲层的N型掺杂镓砷材料的掺杂浓度不低于1E18cm-3；优选的，所述N型高掺杂镓砷材料掺杂浓度1E18cm-3-5E18cm-3。
10.根据权利要求1所述的AlGaAs/GaInP有源区795nm量子阱激光器，其特征在于，所述衬底为(100)面偏(110)方向的N型高掺杂镓砷材料，掺杂浓度不低于1E18cm-3，偏角大小为0°-15°；优选的，所述N型高掺杂镓砷材料掺杂浓度1E18cm-3-5E18cm-3；偏角大小为10°-15°。
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