CN116031753A - 大截面脊波导基横模大功率半导体激光器 - Google Patents

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刘尚军
张靖
李志伟
骆小顺
刘刚明
冯琛
孟钰淋
朱长林
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Abstract

本发明涉及一种大截面脊波导基横模大功率半导体激光器，包括衬底以及依次设置在所述衬底上的缓冲层、N限制层、N波导层、量子阱有源层、P波导层、P限制层和P接触层；所述P接触层通过刻蚀形成有贯穿P接触层和P限制层并伸入P波导层的第一沟槽和第二沟槽，所述第一沟槽和第二沟槽平行设置，在所述第一沟槽和第二沟槽之间的未刻蚀部分形成脊波导。本发明中，N波导层的厚度大于P波导层，使得光场被拉向N掺杂区域，从而减小光损耗，可以在增大脊波导宽度的情况下使脊部结构有效折射率与两侧有效折射率差仍小于0.5％，在实现基横模输出保持良好的光束质量的同时，增大了光斑尺寸、有效降低了COMD的影响，提高了输出光功率。

Description

大截面脊波导基横模大功率半导体激光器
技术领域
本发明属于大功率半导体激光器技术领域，涉及一种大截面脊波导基横模大功率半导体激光器。
背景技术
高功率半导体激光器的应用十分广泛，其中，保持基横模输出进而提高激光输出光束质量是目前高功率半导体激光器的研究热点，然而对于基横模半导体激光器，好的光束质量和高输出功率这些特性往往很难同时实现，在过去的几十年里，开发高功率、可靠和高效的基横模半导体激光器一直是一个挑战。
半导体激光器通常利用脊波导结构实现基横模输出，脊宽越窄，波导的传输模式越接近单模。在基横模半导体激光器中，功率往往受限于激光器谐振腔腔面灾难性光学镜面损伤(COMD)，由温度超过激光器晶体材料的熔点引起，高功率半导体激光器的设计考虑因素是增加谐振腔腔面的尺寸以增加COMD阈值，然而随着波导层厚度以及脊宽的增加，激光器将开始支持多个模式谐振，难以保持基横模特性，有一些结构在增大腔面尺寸的同时，采用锥形波导结构和倾角光栅分布反馈式结构来确保基横模输出，然而这样会导致光束质量不稳定，且增大制造工艺难度。要实现基横模运行，激光器脊波导的尺寸难以增大，通常侧向脊宽范围只能被限制在3μm～5μm，该尺寸范围难以实现高功率输出。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种大截面脊波导基横模大功率半导体激光器。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种大截面脊波导基横模大功率半导体激光器，包括
衬底，所述衬底采用N型掺杂材料；
缓冲层，覆盖在衬底上，所述缓冲层采用N型掺杂材料；
N限制层，覆盖在缓冲层上，所述N限制层采用N型掺杂材料；
N波导层，覆盖在N限制层上，所述N波导层采用非故意掺杂或N型掺杂材料；
量子阱有源层，覆盖在N波导层上，所述量子阱有源层采用非掺杂材料；
P波导层，覆盖在量子阱有源层上，所述P波导层采用非故意掺杂或P型掺杂材料，所述P波导层的厚度小于所述N波导层的厚度；
P限制层，覆盖在P波导层上，所述P限制层采用P型掺杂材料；以及
P接触层，覆盖在P限制层上，所述P接触层采用P型掺杂材料；
所述P接触层通过刻蚀形成有贯穿P接触层和P限制层并伸入P波导层的第一沟槽和第二沟槽，刻蚀深度为0.6μm～2μm，所述第一沟槽和第二沟槽平行设置，在所述第一沟槽和第二沟槽之间的未刻蚀部分形成脊波导。
进一步的，所述第一沟槽和第二沟槽的沟槽宽度为10μm～50μm；所述脊波导的侧向脊宽为8μm～10μm，所述脊波导的腔长为1mm～5mm。
进一步的，所述衬底为N型掺杂的GaAs衬底，掺杂原子为硅原子，掺杂浓度为2.0×1017cm-3～2.0×1018cm-3。
进一步的，所述缓冲层为N型掺杂的GaAs材料，掺杂原子为硅原子，掺杂浓度为1×1018cm-3～5×1018cm-3；所述缓冲层的厚度为0.2μm～2μm。
进一步的，所述N限制层为N型掺杂的AlGa1As材料或AlGaInP材料，掺杂原子为硅原子，掺杂浓度为0.5×1018cm-3～2×1018cm-3；所述N限制层的厚度为0.2μm～1.5μm。
进一步的，所述N波导层为N型掺杂的AlGa1As材料或GaInP材料，掺杂原子为硅原子，掺杂浓度为0cm-3～5×1017cm-3；所述N波导层的厚度为0.5μm～4μm。
进一步的，所述量子阱有源层为非掺杂的InGaAsP材料或非掺杂的InAlGaAs材料，所述量子阱有源层的厚度为4nm～15nm。
进一步的，所述P波导层为P型掺杂的AlGa1As材料或GaInP材料，掺杂原子为Zn原子、C原子或Mg原子，掺杂浓度为0cm-3～5×1017cm-3，所述P波导层的厚度为0.5μm～2μm。
进一步的，所述P限制层为P型掺杂的AlGaAs材料或AlGaInP材料，掺杂原子为Zn原子、C原子或Mg原子，掺杂浓度为0.5×1018cm-3～2×1018cm-3，所述P限制层的厚度为0.2μm～1.5μm。
进一步的，所述P接触层为P型掺杂的GaAs材料，掺杂原子为Zn原子或C原子，掺杂浓度为2×1019cm-3～1×1020cm-3，所述P接触层的厚度为0.1μm～0.3μm。
本发明中，针对现有半导体激光器的局限性，提出了一种外延结构，通过刻蚀接触层形成脊波导用以控制激光器的基横模运行并引导光在激光器中的传输；通过使N波导层的厚度大于P波导层，使得光场被拉向N掺杂区域，从而减小光损耗。通过对沟槽尺寸的设计以及对各层材料、掺杂原子及浓度的选择，可以在增大脊波导宽度的情况下使脊部结构有效折射率与两侧有效折射率差仍小于0.5％，在脊宽为8μm～10μm的情况下仍能保持稳定基横模激射，极大地增加了光斑尺寸的大小，有效降低腔面光功率密度，在不引起COMD的情况下实现高功率输出，提高了高功率运行的稳定性和长期可靠性，从而在增大了脊宽的同时保持基横模激射。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明大截面脊波导基横模大功率半导体激光器的一个优选实施例的结构示意图。
附图中各标号的含义为：
衬底-1；缓冲层-2；N限制层-3；N波导层-4；量子阱有源层-5；P波导层-6；P限制层-7；P接触层-8；第一沟槽-11；第二沟槽-12；脊波导-13。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1所示，本发明大截面脊波导基横模大功率半导体激光器的一个优选实施例包括衬底1、缓冲层2、N限制层3、N波导层4、量子阱有源层5、P波导层6、P限制层7和P接触层8。所述衬底1采用N型掺杂材料，掺杂浓度为2.0×1017cm-3～2.0×1018cm-3；本实施例中，所述衬底1优选为采用掺杂有硅原子的GaAs衬底1，掺杂浓度优选为5.0×1017cm-3。
所述缓冲层2覆盖在衬底1上，所述缓冲层2采用N型掺杂材料，掺杂浓度为1×1018cm-3～5×1018cm-3。本实施例中，所述缓冲层2优选为采用掺杂有硅原子的GaAs材料，硅原子的掺杂浓度优选为1.5×1018cm-3。所述缓冲层2的厚度为0.2μm～2μm，优选为0.5μm。
所述N限制层3覆盖在缓冲层2上，所述N限制层3采用N型掺杂材料，掺杂浓度为0.5×1018cm-3～2×1018cm-3。例如，所述N限制层3可以采用掺杂硅原子的Alx1Ga(1-x1)As材料，其中，0.2≤x1≤0.6，优选为x1＝0.5。所述N限制层3还可以采用掺杂硅原子的Alx2GaInP材料，0.1≤x2≤0.53，优选为x2＝0.2。硅原子的掺杂浓度优选为1.0×1018cm-3。所述N限制层3的厚度为0.2μm～1.5μm，优选为0.5μm。
所述N波导层4覆盖在N限制层3上，所述N波导层4采用非故意掺杂或N型掺杂材料，掺杂浓度为0cm-3～5×1017cm-3。例如，所述N波导层4可以采用掺杂硅原子的Alx3Ga(1-x3)As材料，其中，0≤x3≤0.5，优选为x3＝0.4。所述N波导层4还可以采用掺杂硅原子的GaInx4P材料，优选为x4＝0.53。硅原子的掺杂浓度优选为1.0×1017cm-3。所述N限制层3的厚度为0.5μm～4μm，优选为1.5μm。
所述量子阱有源层5覆盖在N波导层4上，所述量子阱有源层5采用非掺杂材料。例如，所述量子阱有源层5可以采用非掺杂的Inx5GaAsy1P材料，其中，0≤x5≤0.3，0≤y1≤1；优选为x5＝0.14，y1＝0.72。所述量子阱有源层5也可以采用非掺杂的Inx6Alx7GaAs材料，其中，0≤x6≤0.3，0≤x7≤0.6，优选为x6＝0.11，x7＝0.09。所述量子阱有源层5的厚度为4nm～15nm，优选为8nm。
所述P波导层6覆盖在量子阱有源层5上，所述P波导层6采用非故意掺杂或P型掺杂材料，掺杂浓度为0cm-3～5×1017cm-3。例如，所述P波导层6可以采用掺杂有Zn原子、C原子或Mg原子的Alx8Ga(1-x8)As材料，其中，0≤x8≤0.5，优选为x8＝0.4。所述P波导层6还可以采用掺杂有Zn原子、C原子或Mg原子的GaInx9P材料，优选为x9＝0.53。当掺杂原子为Zn原子时，Zn原子的掺杂浓度优选为1.0×1017cm-3。所述P波导层6的厚度为0.5μm～2μm，优选为0.7μm。所述P波导层6的厚度小于所述N波导层4的厚度，从而使得光场被拉向N型掺杂区域，以减小光损耗。
所述P限制层7覆盖在P波导层6上，所述P限制层7采用P型掺杂材料，掺杂浓度为0.5×1018cm-3～2×1018cm-3。例如，所述P限制层7可以采用掺杂有Zn原子、C原子或Mg原子的Alx10Ga(1-x10)As材料，其中，0.2≤x10≤0.85，优选为x10＝0.7。所述P限制层7还可以采用掺杂有Zn原子、C原子或Mg原子的Alx11GaInP材料，其中，0.1≤x11≤0.53，优选为x11＝0.5。当掺杂原子为Zn原子时，Zn原子的掺杂浓度优选为1.0×1018cm-3。所述P限制层7的厚度为0.2μm～1.5μm，优选为0.5μm。
所述P接触层8覆盖在P限制层7上，所述P接触层8采用P型掺杂材料，掺杂浓度为2.0×1019cm-3～1.0×1020cm-3。例如，所述P接触层8可以采用掺杂Zn原子或C原子的GaAs材料，优选为采用掺杂Zn原子的GaAs材料，掺杂浓度优选为5.0×1019cm-3。所述P接触层8的厚度为0.1μm～0.3μm，优选为0.2μm。
所述P接触层8通过刻蚀形成有贯穿P接触层8和P限制层7并伸入P波导层6的第一沟槽11和第二沟槽12，所述第一沟槽11和第二沟槽12的刻蚀深度g为0.6μm～2μm，优选为刻蚀深度g＝1μm；所述第一沟槽11和第二沟槽12的沟槽宽度h1为10μm～50μm；优选为沟槽宽度h1＝20μm。所述第一沟槽11和第二沟槽12平行设置，在所述第一沟槽11和第二沟槽12之间的未刻蚀部分形成脊波导13，所述脊波导13的侧向脊宽h2为8μm～10μm，所述脊波导13的腔长为1mm～5mm。
传统的脊横模脊波导13需要将脊的宽度设计的窄一些以限制多模的产生。本实施例将基横模脊波导13的宽度由传统的3～5μm增大至8～10μm，即，将波导宽度增大了一倍左右，从而大大地增大了脊宽和光斑尺寸，以达到提高激光器输出功率，并保持良好光束质量的目的。通过使N波导层4的厚度大于P波导层6，使得光场被拉向N掺杂区域，从而减小光损耗；通过对沟槽尺寸的设计以及对各层材料、掺杂原子及浓度的选择，使得脊部结构有效折射率与两侧有效折射率差<0.5％，从而在增大了脊宽的同时保持基横模激射，解决了传统激光器难以同时满足大功率与基横模运行的难题，具有基横模输出光束特性好的优势。另外，由于脊波导13的宽度比传统的脊横模脊波导更宽，还能够降低制造工艺难度。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种大截面脊波导基横模大功率半导体激光器，其特征在于：包括
衬底，所述衬底采用N型掺杂材料；
缓冲层，覆盖在衬底上，所述缓冲层采用N型掺杂材料；
N限制层，覆盖在缓冲层上，所述N限制层采用N型掺杂材料；
N波导层，覆盖在N限制层上，所述N波导层采用非故意掺杂或N型掺杂材料；
量子阱有源层，覆盖在N波导层上，所述量子阱有源层采用非掺杂材料；
P波导层，覆盖在量子阱有源层上，所述P波导层采用非故意掺杂或P型掺杂材料，所述P波导层的厚度小于所述N波导层的厚度；
P限制层，覆盖在P波导层上，所述P限制层采用P型掺杂材料；以及
P接触层，覆盖在P限制层上，所述P接触层采用P型掺杂材料；
所述P接触层通过刻蚀形成有贯穿P接触层和P限制层并伸入P波导层的第一沟槽和第二沟槽，刻蚀深度为0.6μm～2μm，所述第一沟槽和第二沟槽平行设置，在所述第一沟槽和第二沟槽之间的未刻蚀部分形成脊波导。
2.根据权利要求1所述的大截面脊波导基横模大功率半导体激光器，其特征在于：所述第一沟槽和第二沟槽的沟槽宽度为10μm～50μm；所述脊波导的侧向脊宽为8μm～10μm，所述脊波导的腔长为1mm～5mm。
3.根据权利要求1或2所述的大截面脊波导基横模大功率半导体激光器，其特征在于：所述衬底为N型掺杂的GaAs衬底，掺杂原子为硅原子，掺杂浓度为2.0×1017cm-3～2.0×1018cm-3。
4.根据权利要求1或2所述的大截面脊波导基横模大功率半导体激光器，其特征在于：所述缓冲层为N型掺杂的GaAs材料，掺杂原子为硅原子，掺杂浓度为1×1018cm-3～5×1018cm-3；所述缓冲层的厚度为0.2μm～2μm。
5.根据权利要求1或2所述的大截面脊波导基横模大功率半导体激光器，其特征在于：所述N限制层为N型掺杂的AlGa1As材料或AlGaInP材料，掺杂原子为硅原子，掺杂浓度为0.5×1018cm-3～2×1018cm-3；所述N限制层的厚度为0.2μm～1.5μm。
6.根据权利要求1或2所述的大截面脊波导基横模大功率半导体激光器，其特征在于：所述N波导层为N型掺杂的AlGa1As材料或GaInP材料，掺杂原子为硅原子，掺杂浓度为0cm-3～5×1017cm-3；所述N波导层的厚度为0.5μm～4μm。
7.根据权利要求1或2所述的大截面脊波导基横模大功率半导体激光器，其特征在于：所述量子阱有源层为非掺杂的InGaAsP材料或非掺杂的InAlGaAs材料，所述量子阱有源层的厚度为4nm～15nm。
8.根据权利要求1或2所述的大截面脊波导基横模大功率半导体激光器，其特征在于：所述P波导层为P型掺杂的AlGa1As材料或GaInP材料，掺杂原子为Zn原子、C原子或Mg原子，掺杂浓度为0cm-3～5×1017cm-3，所述P波导层的厚度为0.5μm～2μm。
9.根据权利要求1或2所述的大截面脊波导基横模大功率半导体激光器，其特征在于：所述P限制层为P型掺杂的AlGaAs材料或AlGaInP材料，掺杂原子为Zn原子、C原子或Mg原子，掺杂浓度为0.5×1018cm-3～2×1018cm-3，所述P限制层的厚度为0.2μm～1.5μm。
10.根据权利要求1或2所述的大截面脊波导基横模大功率半导体激光器，其特征在于：所述P接触层为P型掺杂的GaAs材料，掺杂原子为Zn原子或C原子，掺杂浓度为2×1019cm-3～1×1020cm-3，所述P接触层的厚度为0.1μm～0.3μm。
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