采用光陷阱超小发散角高功率半导体激光器外延材料结构

摘要

一种采用光陷阱超小发散角高功率半导体激光器外延材料结构，包括：一衬底，用于在其上进行激光器各层材料外延生长；一缓冲层，制作在GaAs衬底上；一N型下限制层，制作在缓冲层上；一下渐变光陷阱层，制作在N型下限制层上；一上渐变光陷阱层，制作在下渐变光陷阱层上；一N型上限制层，制作在下渐变光陷阱层上；一N型渐变波导层，制作在N型下限制层上；一量子阱有源区，制作在N型渐变波导层上；一P型渐变波导层，制作在量子阱有源区上；一P型限制层，制作在P型渐变波导层上；一电极接触层，制作在P型限制层上。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高功率半导体激光器的外延材料结构，特别是涉及一种能够提高全固态激光器泵浦效率且具有极低光束垂直发散角的波长885nm高功率半导体激光器的外延材料结构。

背景技术

高功率半导体激光器具有电光效率高、体积小、重量轻和寿命长等优点，因而在工业、军事、航空、医疗和空间通信等领域都有重要应用。特别是近年来，波长范围800nm-980nm的高功率半导体激光器及其列阵已成为高能固体激光器和光纤激光器所必需的泵浦光源。

对于全固态激光器而言，其高功率和高光束质量的最主要限制来源于其泵浦过程中产生的巨大无用热量。对这些热量的处理形成了对全固态激光器结构设计和热管理技术的最大挑战。对于最成熟的Nd:YAG材料全固态激光器而言，目前主要采用波长808nm的高功率半导体激光器列阵作为泵浦光源。但是，最近的研究结果表明，采用波长885nm的激光泵浦源能够显著地减少产生的无用热量，使泵浦效率增加20％以上。(由固态激光器的波长为1064nm，在不考虑量子缺陷情况下，可大致理论估算为：(1.24/0.808-1.24/1.064)/(1.24/0.885-1.24/1.064)＝1.6，即采用808nm泵浦源产生的热量是885nm泵浦源的1.6倍，因而，采用885nm泵浦源可以极大地降低Nd:YAG激光晶体的温升。

另外，对于端面泵浦结构全固态激光器和光纤激光器而言，要求半导体激光泵浦源的输出光束尽量对称。目前普通波导结构高功率半导体激光器的远场垂直发散角和平行发散角相差太大，典型数值为40°(垂直发散角，θ_⊥)×10°(平行发散角，θ_//)，因而器件光斑的对称性极差，不利于激光光束与被泵浦器件的高效耦合。

目前，主要的国际半导体激光器公司均开始研制高功率波长885nm的半导体激光器产品。但只有少数几家，如nLIGHT公司、COHERENT公司和INTENSE公司等可以提供瓦级885nm的激光二极管单管，且远场垂直发散角为38°-40°范围。

为了改善高功率半导体激光器的光束质量，我们提出一种带有光陷阱结构的新型光波导激光材料减小远场垂直发散角的技术方案。这种方案的主要原理为：在普通半导体激光器材料的N型限制层或波导层中引入部分低折射率光陷阱区，通过适当的外延层组分、厚度等参数调节，将激光器有源区的光场适当地耦合到光陷阱区附近。这样，激光器有源区的光场可以在N型波导一侧得到适当的扩展，从而有效降低垂直发散角，而且也增加了垂直方向上的近场光斑尺寸，降低了端面的光功率密度。这样可以使光束的垂直发散角典型值达到18°(θ_⊥)，光束对称性提高一倍，也相应提高了输出功率。从而，更容易实现与其它泵浦器件、光纤高效率耦合或光束整形等直接应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用光陷阱超小发散角高功率半导体激光器外延材料结构，该材料制作的高功率激光器用作Nd:YAG激光晶体的泵浦源，可以提高泵浦效率，并极大地降低激光晶体的温升。另外，通过在外延材料的N型限制层中引入光陷阱结构，使激光器输出光束的垂直发散角降低到18°，从而更容易实现与其泵浦器件和光纤高效率耦合。

为了实现上述目的，本发明提供一种采用光陷阱超小发散角高功率半导体激光器外延材料结构，包括：

一衬底，该GaAs衬底用于在其上进行激光器各层材料外延生长；

一缓冲层，该缓冲层制作在GaAs衬底上；

一N型下限制层，该N型下限制层制作在缓冲层上；

一下渐变光陷阱层，该下渐变光陷阱层制作在N型下限制层上；

一上渐变光陷阱层，该上渐变光陷阱层制作在下渐变光陷阱层上；

一N型上限制层，该N型上限制层制作在下渐变光陷阱层上；

一N型渐变波导层，该N型渐变波导层制作在N型下限制层上；

一量子阱有源区，该量子阱有源区制作在N型渐变波导层上；

一P型渐变波导层，该P型渐变波导层制作在量子阱有源区上；

一P型限制层，该P型限制层制作在P型渐变波导层上；

一电极接触层，该电极接触层制作在P型限制层上。

其中N型下限制层为N-Al_0.44Ga_0.56As材料，N型掺杂浓度为1-2×10¹⁸cm^-3，厚度为1000-1200nm。

其中下渐变光陷阱层为Al_0.44Ga_0.56As→Al_0.32Ga_0.68As材料，N型掺杂浓度为1×10¹⁷-1×10¹⁸cm^-3，厚度为540nm。

其中上渐变光陷阱层为Al_0.32Ga_0.68As→Al_0.44Ga_0.56As材料，N型掺杂浓度为1×10¹⁷-1×10¹⁸cm^-3，厚度为540nm。

其中N型上限制层为N-Al_0.44Ga_0.56As材料，N型掺杂浓度为1×10¹⁷-1×10¹⁸cm^-3，厚度为700nm。

其中N型渐变波导层为Al_0.44Ga_0.56As→Al_0.23Ga_0.77As材料，为非故意掺杂，厚度为80nm。

其中量子阱有源区为8nm AlGaInAs/8nm Al_0.23Ga_0.77As材料，为非故意掺杂。

其中P型渐变波导层为Al_0.23Ga_0.77As→Al_0.44Ga_0.56As材料，为非故意掺杂。

其中P型限制层为P-Al_0.44Ga_0.56As材料，厚度为1300-1500nm，P型掺杂浓度为1×10¹⁷-1×10¹⁸cm^-3。

本发明提供的一种采用光陷阱超小发散角高功率半导体激光器外延材料结构，通过在N-Al_0.44Ga_0.56As限制层中引入两层铝组分渐变的540nmAl_0.44Ga_0.56As→Al_0.32Ga_0.68As材料和540nm Al_0.32Ga_0.68As→Al_0.44Ga_0.56As材料形成光陷阱区，使光场模式向N型材料一侧扩展，从而极大地降低激光器件的远场垂直发散角。同时，采用优化的压应变AlGaInAs/Al_0.23Ga_0.77As量子阱结构，实现激射波长为885nm的激光。另外，由于AlGaAs材料的现有外延技术成熟(如低压金属有机化学气相外延技术等)，容易制备出高质量的材料。

附图说明

以下结合附图及实施例的详细描述，进一步说明本发明的结构、特点以及技术上的改进，其中：

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明采用光陷阱超小发散角高功率半导体激光器外延材料结构的折射率分布曲线A和近场光强分布曲线B。

图3是本发明采用光陷阱超小发散角高功率半导体激光器外延材料结构的远场光强分布曲线。

图4是本发明提出的采用波长885nm激光源替代808nm激光源泵浦Nd:YAG激光晶体的能级图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明一种采用光陷阱超小发散角高功率半导体激光器外延材料结构，其特征在于，包括：

一衬底1，该GaAs衬底1用于在其上进行激光器各层材料外延生长，衬底是(100)面的N型GaAs材料，Si掺杂浓度为1-2×10¹⁸cm^-3，厚度为320-380μm；

一缓冲层2，该缓冲层2制作在GaAs衬底1上，为N-GaAs材料，Si掺杂浓度为1-2×10¹⁸cm^-3，厚度为300-600nm；

一N型下限制层3，该N型下限制层3制作在缓冲层2上，该N型下限制层3为N-Al_0.44Ga_0.56As材料，Si掺杂浓度为1-2×10¹⁸cm^-3，厚度为1000-1200nm；

一下渐变光陷阱层4，该下渐变光陷阱层4制作在N型下限制层3上，该下渐变光陷阱层4为Al_0.44Ga_0.56As→Al_0.32Ga_0.68As材料，Si掺杂浓度为1×10¹⁷-1×10¹⁸cm^-3，厚度为540nm；

一上渐变光陷阱层5，该上渐变光陷阱层5制作在下渐变光陷阱层4上，该上渐变光陷阱层5为Al_0.32Ga_0.68As→Al_0.44Ga_0.56As材料，Si掺杂浓度为1×10¹⁷-1×10¹⁸cm^-3，厚度为540nm；

一N型上限制层6，该N型上限制层6制作在下渐变光陷阱层5上，该N型上限制层6为N-Al_0.44Ga_0.56As材料，Si掺杂浓度为1×10¹⁷-1×10¹⁸cm^-3，厚度为700nm；

一N型渐变波导层7，该N型渐变波导层7制作在N型下限制层6上，该N型渐变波导层7为Al_0.44Ga_0.56As→Al_0.23Ga_0.77As材料，为非故意掺杂，厚度为80nm；

一量子阱有源区8，该量子阱有源区8制作在N型渐变波导层7上，该量子阱有源区8为8nm AlGaInAs/8nm Al_0.23Ga_0.77As材料，为非故意掺杂；

一P型渐变波导层9，该P型渐变波导层9制作在量子阱有源区8上，该P型渐变波导层9为Al_0.23Ga_0.77As→Al_0.44Ga_0.56As材料，为非故意掺杂；

一P型限制层10，该P型限制层10制作在P型渐变波导层9上，该P型限制层10为P-Al_0.44Ga_0.56As材料，厚度为1300-1500nm，Zn掺杂浓度为1×10¹⁷-1×10¹⁸cm^-3；

一电极接触层11，该电极接触层11制作在P型限制层10上，为P-GaAs材料，厚度为200-300nm，掺Zn浓度为1×10¹⁸cm^-3-1×10²¹cm^-3，完成制作。

本发明提出的外延材料结构可以采用金属有机化学汽相外延(MOCVD)技术或分子束外延(MBE)技术等制备。这里以MOCVD外延技术为例，介绍各个外延层的制备条件和作用。外延工艺过程中，载气为高纯氢气，III族有机源为三甲基镓、三甲基铟和三甲基铝等，V族源为砷烷等，N型掺杂剂为硅烷等，P型掺杂剂为二甲基锌等，反应室压力为2000-8000帕，温度为550-750℃。

对于衬底1，为低缺陷密度(如小于500/cm²)免清洗GaAs衬底；

对于缓冲层2，常用的N型掺杂剂为Si，也可以为其它的N型掺杂剂，其厚度可以根据不同外延技术需要进行调节；

对于N型下限制层3，为N-Al_0.44Ga_0.56As材料，其铝组分需通过有机源流量比精确控制，否则会导致器件远场发散角增加；

对于下渐变光陷阱层4，为Al_0.44Ga_0.56As→Al_0.32Ga_0.68As材料，铝组分从0.44线性渐变到0.32，可以通过气体流量计的线性渐变实现，其组分和厚度需精确控制，否则会导致器件远场发散角增加；

对于上渐变光陷阱层5，为Al_0.32Ga_0.68As→Al_0.44Ga_0.56As材料，铝组分从0.32线性渐变到0.44，可以通过气体流量计的线性渐变实现，其组分和厚度需精确控制，否则会导致器件远场发散角增加；

对于N型上限制层6，为N-Al_0.44Ga_0.56As材料，其铝组分和厚度需精确控制，否则会影响器件远场发散角；

对于N型渐变波导层7，为Al_0.44Ga_0.56As→Al_0.23Ga_0.77As材料，可以通过气体流量计的线性渐变实现，其组分和厚度需精确控制，否则会影响器件的光电特性；

对于量子阱有源区8，为8nm AlGaInAs/8nm Al_0.23Ga_0.77As材料，其应变量和厚度需精确控制，否则会影响器件的波长和其它光电特性；

对于P型渐变波导层9，为Al_0.23Ga_0.77As→Al_0.44Ga_0.56As材料，可以通过气体流量计的线性渐变实现，其组分和厚度需精确控制，否则会影响器件的光电特性；

对于P型限制层10，为P-Al_0.44Ga_0.56As材料，常用的P型掺杂剂为Zn，也可以为其它的P型掺杂剂，其铝组分需精确控制，否则会导致器件远场发散角增加，其厚度和掺杂浓度分布可适当改变，以同时得到低热阻和低电阻，提高器件的电光转换效率；

对于电极接触层11，为P-GaAs材料，厚度和掺杂浓度可适当改变，以得到良好的欧姆接触，降低器件的开启电压和工作电压。

图2为采用光陷阱的885nm超小发散角高功率半导体激光器外延材料的折射率分布曲线A和近场光强分布曲线B。近场光强分布曲线B为根据外延材料的一维平板波导模型计算得到理论结果。由近场光强分布曲线B可以看到，一部分光场被束缚在光陷阱区，且光场向N型限制层扩展。

图3为与图2中近场光强分布曲线B对应的器件远场光强分布曲线。通过光陷阱结构对有源区光场的扩展作用，可以使垂直远场发散角降低到18度。相对于传统器件结构，极大地降低了器件的垂直远场发散角。

图4为Nd:YAG激光晶体的能级图。采用波长808nm激光源作为泵浦源时为4能级激光系统，885nm激光源作为泵浦源时为3能级激光系统。应用885nm激光源代替808nm激光源，减少了从上能级泵浦带跃迁到亚稳态产生的热量，从而降低激光晶体的温升。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的发明内容；同时以上的描述，对于熟知本技术领域的专门人士应可明了及实施，因此其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在权利要求范围中。