一种超晶格波导半导体激光器结构

摘要

本发明属于光电子技术领域，是一种超晶格波导半导体激光器结构，从下到上依次包括:N型砷化镓衬底，该衬底用于在其上外延生长激光器各层材料；N型砷化镓缓冲层，主要用以调节晶格适配度；N型下限制层，为铟镓砷磷四元化合物材料，用来限制光场向下的泄露；N型下波导层，为铟镓砷磷四元化合物材料，用来增加对光场模式的限制；量子阱层，该有源区材料为铟镓砷单量子阱；P型上超晶格波导层，为铝镓砷材料，用于调制波导的折射率；P型上波导层，为铝镓砷材料，用来增加对光场模式的限制；P型上限制层，为铝镓砷材料，用来限制光场向上的泄露；过渡层，为砷化镓材料；电极接触层，为砷化镓材料，用来与金属形成上电极。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件技术领域，尤其涉及一种超晶格波导半导体激光器结构。

背景技术

半导体激光器广泛应用于材料加工、医用、信息存储和军事等方面，例如，激光加工、 激光医疗、激光退火和激光制导等。半导体激光器诞生以来，国内外的研究机构和单位从外 延材料、结构设计、制作技术等方面对其进行了详尽的研究。高转换效率、低损耗、高稳定 性、高光束质量的大功率半导体激光器的研究和应用也逐渐成熟起来。随着研究的深入，激 光器的各项性能都有所提升。但半导体激光器还是存在很多不尽如人意的地方，例如，在大 功率输出特性、模式控制、光束质量上，半导体激光器就明显逊色于气体或固体激光器。这 源自半导体激光器的波导结构，半导体外延材料简单的体材料波导层，影响着对电子和空穴 的限制，同时影响着光场在波导中的分布情况，特别是P型波导，光场与高掺杂的P型波导 重叠，会增大激光器的损耗，降低了输出功率。

为了满足工业和军事应用需求，提高半导体激光器功率、改善电学特性以及实现高质 量的光束输出成为研究的热点，为此人们也想出了各种方法，尝试了多种结构。提高激光器 效率的核心问题一方面是增强对电子的空穴的限制，提高复合效率，同时降低激光器的损耗， 从而增大输出功率；另一方面是减小串联电阻，实现低阈值，减小废热，从而延长激光器的 使用寿命。为此，早期研究人员提出了一系列的波导结构，设计了诸如双异质结波导，非对 称波导，渐变掺杂波导，折射率渐变波导等，这些设计的核心都是增加对电子和空穴的限制， 改善光场的分布，在一定程度上增加了输出功率。但从增加对电子和空穴的限制及改善光场 分布同时考虑的角度来看，这些结构还不能满足人们的意愿，因此急需新的结构来实现低损 耗，高功率输出的半导体激光器。

发明内容

本方法的主要目的在于提供一种超晶格波导半导体激光器的结构，解决半导体激光器 存在的对电子和空穴电学限制不平衡，以及采用异质波导后光场分布优化的问题。

为了实现上述目的，本发明提出了一种超晶格波导半导体激光器结构，包括：

一N型GaAs衬底，该衬底用于在其上外延生长激光器各层材料；

一N型GaAs缓冲层，该缓冲层制作在衬底上，主要用以调节晶格适配度；

一N型下限制层，为N-In_1-xGa_xAs_yP_1-y材料，该N型下限制层制作在缓冲层上，用来 限制光场向下的泄露；

一N型下波导层，为N-In_1-xGa_xAs_yP_1-y材料，该下波导层制作在下限制层上，用来增加 对光场模式和载流子的限制；

一量子阱层，该量子阱有源区材料为较成熟的In_xGa_1-xAs该量子阱为单量子阱，制作在 下波导层上；

一P型上超晶格波导层，为P-Al_xGa1_-xAs材料，该上超晶格波导层制作在量子阱层上， 用于调制波导的有效折射率，实现光场的最优分布；

一P型上波导层，为P-Al_xGa_1-xAs材料，该P型上波导层制作在上超晶格波导层上， 用来增加对光场模式和载流子的限制；

一P型上限制层，为P-Al_xGa_1-xAs材料，该P型上波导层制作在上波导层上，用来限 制光场向上的泄露；

一过渡层，为P-GaAs材料，该过渡层制作在P型上限制层上；

一电极接触层，为P-GaAs材料，该电极接触层制作在过渡层上，用来与金属形成电极。

其中所述量子阱为单阱结构，其特征在于单阱结构能降低阈值，从而满足高效率的要 求。

其中所述P型上超晶格波导结构包括：两种不同组分的Al_xGa_1-xAs,其中一种Al_xGa_1-xAs 的Al组分比另一种的高，两种组分的Al_xGa_1-xAs的厚度都是纳米级别，相互交替生长。

其中所述P型上超晶格波导结构的材料Al_xGa_1-xAs，较低Al组分的x为0.1-0.3，较高 Al组分的x为0.3-0.6。

其中所述P型上超晶格波导结构,两种不同组分的Al_xGa_1-xAs材料的厚度在几纳米到几 十纳米之间。

其中所述的P型上超晶格波导结构，两种不同组分的Al_xGa_1-xAs相互交替生长的组数 数量为15组-20组。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种超晶格波导半导体激光器的结构，由于N型波导采用的是导带差 小的材料体系，P型波导选择导带差大的材料体系，从而降低器件的电压降、增大限制结构 对注入载流子的限制，提高器件的注入效率和输出功率，这种结构直接改善器件的电学特性。

2、本发明提供的这种超晶格波导半导体激光器的结构，P型波导结构中含有超晶格结 构，该超晶格结构优化了P型波导的有效折射率，使光场的最大值移向N型波导一侧，减小 了光场与高掺杂的P型限制层的重叠，进而减小了内损耗，增大了输出功率。

附图说明

以下通过结合附图对具体实施例进行详细描述，进一步说明本发明的结构、特点，其 中：

图1是根据本发明提出的一种超晶格波导半导体激光器的结构剖面图。

图2是具体实施过程中，P型超晶格外延波导结构示意图。

图3是具体实施过程中计算所得的超晶格波导结构的半导体激光器的折射率分布与光 场分布示意图

图4是普通非对称异质结半导体激光器折射率分布与光场分布示意图。

具体实施方式

下面结合图1详细说明依据本发明具体实施例一种超晶格波导半导体激光器的结构细 节。

参阅图1，本发明是一种超晶格波导半导体激光器结构，包括：

一衬底10，为(100)面的N型GaAs材料，该衬底10用于在其上外延生长激光器各层材 料;

一缓冲层11，为N-GaAs材料，该缓冲层11制作在衬底10上，主要用以调节晶格适 配度;

一N型下限制层12，为N-In_1-xGa_xAs_yP_1-y材料，该N型下限制层12制作在缓冲层11 上;

一N型下波导层13，为N-In_1-xGa_xAs_yP_1-y材料，该下波导层13制作在下限制层12上;

一量子阱层14，该量子阱有源区材料为较成熟的In_xGa_1-xAs,该量子阱为单量子阱，制 作在下波导层上13;

一P型上超晶格波导层15，为P-Al_xGa_1-xAs材料，制作在量子阱层14上，所述超晶格 波导层15包括：该层采用两种不同Al组分的Al_xGa_1-xAs材料，低Al组分的层151，Al的组 分x为0.1-0.3，高Al组分的Al_xGa_1-xAs层152,Al的组分x为0.3-0.6；层151和层152的厚 度在几纳米至几十纳米之间，相互交替生长，生长的组数数量为15组-20组；超晶格结构151 和152相互交替，优化了P型波导的有效折射率，改变了光场在波导中的分布，使光场最大 值移向N型一侧，减小了光场与重掺杂的P型区的重叠，进而减小吸收损耗，提高输出功率。

一P型上波导层16，为P-Al_xGa_1-xAs材料，该P型上波导层16制作在上超晶格波导层 15上，用来增加对光场模式的限制;

一P型上限制层17，为P-Al_xGa_1-xAs材料，该P型上限制层17制作在上波导层16上， 用来限制光场的向上泄露；

一过渡层18，为P-GaAs材料，该过渡层18制作在P型上限制层17上;

一电极接触层19，为P-GaAs材料，该电极接触19制作在过渡层20上用来与金属形成 上电极。

这些层最终共同形成非对称超晶格波导半导体激光器结构。

在这种结构中，光场经过超晶格波导的调节后会发生很大的变化。经计算结果表明， 超晶格结构优化了P型波导的有效折射率，使光场最大值移向了低掺杂的N型半导体一侧； 图3给出了普通非对称异质结半导体激光器折射率分布与光场分布，图4给出了带有超晶格 波导结构的半导体激光器的折射率分布与光场分布示意图。

实施例：

本实施例采用图1所示的结构，给出了在超晶格波导调制下的激光器光场分布情况。 结构的衬底为N型的GaAs材料，结构从下到上每一层的材料和厚度如下：

衬底材料和厚度分别为为GaAs，0.2μm；下限制层材料和厚度分别为In_0.32Ga_0.68As_0.4P_0.6, 1μm；下波导层材料和厚度分别为In_0.03Ga_0.97As_0.95P_0.05,0.7μm；量子阱层材料和厚度分别为 In_0.3Ga_0.7As，9nm;上超晶格波导低Al组分的材料和厚度分别为Al_0.15Ga_0.85As,8nm;上超晶格波 导高Al组分的材料和厚度分别为Al_0.4Ga_0.6As,10nm；上波导层的材料和厚度分别为 Al_0.4Ga_0.6As,0.8μm；上限制层的材料和厚度分别为Al_0.6Ga_0.4As,0.8μm；接触层的材料和厚度 分别为GaAs，0.2μm。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说 明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本 发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换，改进等，均应包含在本发明的保护范 围之内。