專利名稱：多量子阱半導體激光器及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體激光器器件，尤其是ー種多量子阱半導體激光器及其制備方法。
背景技術：
半導體激光器由于具有體積小、重量輕、使用電驅動、電光轉換效率高、壽命長等優點，在エ業加工、軍事國防、醫療、全固態激光泵浦等領域獲得了廣泛應用。半導體激光器的發展趨勢是高功率、高亮度和長壽命。目前商用的大功率半導體激光器多為單量子阱半導體激光器，其單巴連續波輸出功率可達100W，準連續波輸出功率達250W，若進ー步提高功率，必須將多個巴條組合為疊陣或者面陣的形式，但疊陣和面陣的體積過大，限制了半導體激光器的進ー步應用。相對于單量子阱半導體激光器(SQW)，多量子阱半導體激光器(MQW)有其獨特的優勢在尺寸保持不變的情況下，多量子阱半導體激光器最高輸出功率可達單量子阱半導體激光器的n倍(n為量子阱層數);在相同的工作電流下，多量子阱半導體激光器的輸出功率可達單量子阱半導體激光器的n倍。多量子阱半導體激光器理論上能夠大大提高輸出功率和亮度，有效降低系統尺寸及對大電流電源的需求，是半導體激光器的重要發展方向。但目前多量子阱半導體激光器產品受限于散熱能力，導致難以達到預期的輸出功率，可靠性較低。例如萬春明等人在中國激光，2002，Vol.A29，No. 12中報道了ー種940nm無鋁雙量子阱列陣半導體激光器，在注入電流17. 8A時連續波輸出功率僅為10W，斜率效率為1.09W/A。德國的OSRAM光電半導體公司推出的一種三層量子阱半導體激光器，功率為75W，工作模式為準連續波，波長為905nm。與目前商用的單量子阱半導體激光器相比，其輸出功率仍然較低，工作壽命較短。因此，研究新型的具有高效散熱能力的多量子阱半導體激光器對于高功率半導體激光器的發展具有重要意義。
發明內容
本發明提供了ー種多量子阱半導體激光器及其制備方法，以提高多量子阱半導體激光器的散熱效率，實現大功率、高可靠的激光輸出。為實現以上發明目的，本發明提出以下基本技術方案多量子阱半導體激光器，包括多個量子阱層以及設置于各量子阱層之間的勢壘層，其特殊之處在于每個量子阱層設置有一個或多個發光區，相鄰量子阱層的發光區相互錯開。基于上述基本的技術方案，較佳的方案如下上述量子阱層為GaInAsP量子阱層，勢壘層為InGaP勢壘層；所述多量子阱半導體激光器包括依次設置的N+-GaAs襯底、N+-GaAs緩沖層、N-AlGaAs上限制層、InGaP上波導層、多個所述GaInAsP量子講層及相應的InGaP勢魚層、InGaP下波導層、P-AlGaAs下限制層、P-GaAs頂層、P —GaAs歐姆接觸層。
制備上述多量子阱半導體激光器的方法，包括以下步驟(I)在襯底上依次生長緩沖層、上限制層、上波導層、第一個量子阱層；(2)通過離子注入的方法，使第一個量子阱層的部分區域形成非發光區，在該量子阱層中，非發光區之間的區域設置為發光區；(3)依次生長勢壘層、下ー個量 子阱層；(4)通過離子注入的方法使所述下ー個量子阱層中的部分區域形成非發光區，非發光區之間的區域設置為發光區，并使該量子阱層的發光區與第一個量子阱層的發光區相互錯開；(5)若設計的量子阱層數超過兩個，則按照步驟(3)、(4)繼續進行下ー個量子阱層的生長并使該量子阱層的發光區與前ー個量子阱層的發光區相互錯開；(6)完成最后ー個量子阱層后，依次生長下波導層、下限制層、頂層、歐姆接觸層，制備得到多量子阱半導體激光器。基于上述基本的制備方法，具體的優選方案為步驟(I)是通過金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)法或分子束外延法(MBE)在N+-GaAs襯底上依次生長N+-GaAs緩沖層、N-AlGaAs上限制層、InGaP上波導層、GaInAsP第
一量子阱層；步驟(2)通過離子注入的方法，使第一量子阱層的部分區域形成非發光區，非發光區之間的區域為發光區，并在該量子阱層形成發光區-非發光區的周期分布；步驟(3)是依次生長InGaP勢壘層、GaInAsP第二量子阱層；步驟(4)是通過離子注入的方法使第二量子阱層中的區域形成非發光區，非發光區72之間的區域為第二量子阱層的發光區，第二量子阱層的發光區與第一量子阱層的發光區相互錯開；步驟(6)是在最后ー個量子阱層上依次生長InGaP下波導層、P-AlGaAs下限制層、P-GaAs頂層、P —GaAs歐姆接觸層。本發明有以下優點I)散熱能力強。本發明采用量子阱層發光區相互交錯的方式，降低了有源區熱串擾，減小了系統熱阻；2)可實現激光大功率輸出。本發明的多量子阱半導體激光器完全滿足低占空比準連續波的工作要求，能夠實現大功率的激光輸出；3)単位體積輸出功率高。對于相同大小的單量子阱和多量子阱半導體激光器，包括n個量子阱層的多量子阱半導體激光器的輸出功率是單量子阱的n倍；4)壽命長、可靠性高。本發明的多量子阱半導體激光器具有壽命長、可靠性高、穩定性高和體型小的特點。5)本發明提供的多量子阱半導體激光器的制備方法，充分考慮了各種實際因素，保證了電光轉換效率及可靠性，從而在實踐上真正實現了大功率、高可靠的激光輸出。
圖I為傳統的雙量子講芯片結構不意圖；圖2為本發明實施例一的雙量子阱半導體激光器的結構示意圖3為本發明實施例一的量子阱層局部示意圖；圖4為本發明實施例一所制備的808nm雙量子阱半導體激光器封裝后LIV測試結果;圖5為本發明實施例一所制備的808nm雙量子阱半導體激光器封裝后光譜測試結果;圖6為本發明實施例ニ的三量子阱半導體激光器的結構示意圖；圖7為本發明實施例ニ的量子阱層局部示意圖。圖8為本發明實施例ニ所制備的808nm三量子阱半導體激光器封裝后LIV測試結 果;圖9為本發明實施例ニ所制備的808nm三量子阱半導體激光器封裝后光譜測試結果;其中，I為芯片襯底，2為n緩沖層，3為上限制層，4為上波導層，5為第一量子阱層，6為勢壘層，7為第二量子阱層，8為下波導層，9為下限制層，10為p頂層，11為歐姆接觸層，12為勢壘層，13為第三量子阱層。
具體實施例方式目前，多量子阱半導體激光器的多個量子阱層間隔很小，各量子阱層的發光區發熱量很大，因此制約了其輸出功率、效率及可靠性的進ー步提高。目前常見的多量子阱半導體激光器，如圖I所示，其各量子阱層的發光區在豎直方向上重疊，導致各量子阱層之間發生熱串擾現象，明顯增加了器件熱阻，降低了輸出功率及光電效率。本發明提出了ー種新型的多量子阱半導體激光器結構，通過使各量子阱層的發光區上下相互錯開，降低了各量子阱層之間熱串擾的影響，大大提高了多量子阱半導體激光器的輸出功率、電光轉換效率及可靠性。本發明的關鍵技術是使同一量子阱層中部分區域為發光區，而部分區域為非發光區。本發明采用了掩模離子注入技術，離子注入的量子阱層區域由于結構成分改變，不再產生受激輻射，而且離子注入的量子阱層區域的折射率小于非離子注入的量子阱層區域，從而在側向對激光進行了限制。下面結合附圖以示例的形式詳細介紹本發明。給出的兩個實施例僅作為本發明的優選方案示例，而不應視為對本發明保護范圍的限制。實施例一如圖2及圖3所示，雙量子阱半導體激光器，包括N+-GaAs襯底I，N+-GaAs緩沖層2，N-AlGaAs上限制層3，InGaP上波導層4，GaInAsP第一量子阱層5，InGaP勢壘層6，GaInAsP第二量子阱層7，InGaP下波導層8，P-AlGaAs下限制層9，P-GaAs頂層10，P++_GaAs歐姆接觸層11。其中51為第一量子講層5中的發光區,52為第一量子講層5中非發光區；71為第二量子阱層7中的發光區，72為第二量子阱層中7非發光區。第一量子阱層的發光區51與第二量子阱層的發光區71相互錯開。下面介紹根據該雙量子阱半導體激光器的制造方法。首先在通過金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)法或分子束外延法(MBE)在N+-GaAs襯底I上依次生長N+-GaAs緩沖層2，N-AlGaAs上限制層3，InGaP上波導層4，GaInAsP第一量子阱層5。通過離子注入的方法，使第一量子阱層5的部分區域形成非發光區52，非發光區52之間的區域為發光區51，從而在同一量子阱層形成發光區-非發光區的周期分布。然后，依次生長InGaP勢壘層6，GaInAsP第二量子阱層7，并且通過離子注入的方法使第二量子阱層7中的區域72形成非發光區，非發光區72之間的區域71為第二量子阱層的發光區，第一量子阱層的發光區51與第二量子阱層的發光區71恰好相互錯開。然后，繼續在第二量子阱層7上面依次生長InGaP下波導層8，P-AlGaAs下限制層9，P-GaAs頂層10，P++-GaAs歐姆接觸層11。按照上述方法制備得到的雙量子阱半導體激光器件能夠抑制不同量子阱層5和7發光區的熱串擾，從而降低芯片的熱阻，提高半導體的輸出功率、效率及可靠性。圖4及圖5給出了按照實施例一的制備方法得到的808nm雙量子阱半導體激光器封裝后LIV及光譜測試結果。可以看出斜率效率為2. 7W/A，在225A的電流下，輸出峰值功率可達500W (占空比0. 1%)。中心波長為808. 5nm，光譜寬度(FffHM)為2. 8nm。實施例ニ 如圖6及圖7所示，三量子阱半導體激光器，包括N+-GaAs襯底1，N+-GaAs緩沖層2，N-AlGaAs上限制層3，InGaP上波導層4，GaInAsP第一量子阱層5，InGaP勢壘層6，GaInAsP第二量子阱層7，InGaP勢壘層12，GaInAsP第三量子阱層13，InGaP下波導層8，P-AlGaAs下限制層9，P-GaAs頂層10，P++_GaAs歐姆接觸層11。其中51為第一量子阱層5中的發光區，52為第一量子阱層5中非發光區；71為第二量子阱層7中的發光區，72為第ニ量子阱層中7非發光區；131為第二量子阱層7中的發光區，132為第二量子阱層中7非發光區。第一量子阱層的發光區51與第二量子阱層的發光區71相互錯開；第二量子阱層的發光區71與第三量子阱層的發光區131相互錯開。下面介紹該三量子阱半導體激光器的制造方法。首先在N+-GaAs襯底I上依次生長N+-GaAs緩沖層2，N-AlGaAs上限制層3，InGaP上波導層4，GaInAsP第一量子阱層5。通過離子注入的方法，使第一量子阱層5的部分區域形成非發光區52，非發光區52之間的區域為發光區51，從而在同一量子阱層形成發光區-非發光區的周期分布。然后，依次生長InGaP勢壘層6，GaInAsP第二量子阱層7，并且通過離子注入的方法使第二量子阱層7中的區域72形成非發光區，非發光區72之間的區域71為第二量子阱層的發光區，第一量子阱層的發光區51與第二量子阱層的發光區71恰好相互錯開。然后，在第二量子阱上面生長InGaP勢壘層12，GaInAsP第三量子阱層13，并且通過離子注入的方法使第三量子阱層13中的區域132形成非發光區，非發光區132之間的區域131為第三量子阱層的發光區，第三量子阱層的發光區131與第二量子阱層的發光區71相互錯開。然后，繼續在第三量子阱層13上面依次生長InGaP下波導層8，P_AlGaAs下限制層9，P-GaAs頂層10，P++-GaAs歐姆接觸層11。經封裝后LIV及光譜測試(圖8及圖9)，在230A的電流下，輸出峰值功率可達670W(占空比0. 1%)，具有很好的光電性能，達到了本發明的預期效果。經實驗，對于三個以上量子阱層的實施方式，若保持各層的發光區均相互錯開，可能會導致發光區之間的間距過大，填充因子過低，而造成總輸出功率下降；因此，僅保持相鄰兩個量子阱層的發光區互相錯開較為適宜。
權利要求
1.多量子阱半導體激光器，包括多個量子阱層以及設置于各量子阱層之間的勢壘層，其特征在干每個量子阱層設置有一個或多個發光區，相鄰量子阱層的發光區相互錯開。
2.根據權利要求I所述的多量子阱半導體激光器，其特征在干所述量子阱層為GaInAsP量子阱層，勢壘層為InGaP勢壘層；所述多量子阱半導體激光器包括依次設置的N+-GaAs襯底、N+-GaAs緩沖層、N-AlGaAs上限制層、InGaP上波導層、多個所述GaInAsP量子講層及相應的InGaP勢魚層、InGaP下波導層、P-AlGaAs下限制層、P-GaAs頂層、P++_GaAs歐姆接觸層。
3.如權利要求I所述的多量子阱半導體激光器的制備方法，包括以下步驟 (1)在襯底上依次生長緩沖層、上限制層、上波導層、第一個量子阱層； (2)通過離子注入的方法，使第一個量子阱層的部分區域形成非發光區，在該量子阱層中，非發光區之間的區域設置為發光區； (3)依次生長勢壘層、下ー個量子阱層； (4)通過離子注入的方法使所述下ー個量子阱層中的部分區域形成非發光區，非發光區之間的區域設置為發光區，并使該量子阱層的發光區與第一個量子阱層的發光區相互錯開； (5)若設計的量子阱層數超過兩個，則按照步驟(3)、(4)繼續進行下ー個量子阱層的生長并使該量子阱層的發光區與前ー個量子阱層的發光區相互錯開； (6)完成最后ー個量子阱層后，依次生長下波導層、下限制層、頂層、歐姆接觸層，制備得到多量子阱半導體激光器。
4.根據權利要求3所述的多量子阱半導體激光器的制備方法，其特征在于步驟(I)是通過金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)法或分子束外延法(MBE)在N+-GaAs襯底上依次生長N+-GaAs緩沖層、N-AlGaAs上限制層、InGaP上波導層、GaInAsP第一量子阱層； 步驟(2)通過離子注入的方法，使第一量子阱層的部分區域形成非發光區，非發光區之間的區域為發光區，并在該量子阱層形成發光區-非發光區的周期分布； 步驟(3)是依次生長InGaP勢壘層、GaInAsP第二量子阱層； 步驟(4)是通過離子注入的方法使第二量子阱層中的區域形成非發光區，非發光區72之間的區域為第二量子阱層的發光區，第二量子阱層的發光區與第一量子阱層的發光區相互錯開； 步驟(6)是在最后ー個量子阱層上依次生長InGaP下波導層、P-AlGaAs下限制層、P-GaAs頂層、P —GaAs歐姆接觸層。
全文摘要
本發明提供了一種多量子阱半導體激光器及其制備方法，以提高多量子阱半導體激光器的散熱效率，實現大功率、高可靠的激光輸出。該多量子阱半導體激光器，包括多個量子阱層以及設置于各量子阱層之間的勢壘層，其特殊之處在于每個量子阱層設置有一個或多個發光區，相鄰量子阱層的發光區相互錯開。本發明采用量子阱層發光區相互交錯的方式，降低了有源區熱串擾，減小了系統熱阻；可實現激光大功率輸出。
文檔編號H01S5/343GK102801108SQ20121027527
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月3日 優先權日2012年8月3日
發明者張普, 劉興勝, 熊玲玲, 王貞福, 劉暉, 聶志強 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所