具有低工作电压及高功率转换效率的半导体激光器

摘要

一种具有低工作电压及高功率转换效率的半导体激光器，从下至上依次为衬底、缓冲层、下限制层、下波导层、量子阱、上波导层、上限制层、带隙过渡层和欧姆接触层，上波导层与上限制层之间以及上限制层与带隙过渡层之间均设置带隙渐变过渡层，以减小P型区各异质结处能带的不连续值，降低阻碍载流子注入的势垒高度。无铝材料及低铝组分材料的使用可以降低半导体激光器的内损耗，提高其输出功率。P型区各异质结界面处使用带隙渐变过渡层及带隙阶跃变化过渡层来降低异质结的能带不连续值，进而降低半导体激光器的工作电压。因而本发明提供的半导体激光器可以稳定工作在高输出功率下，并且具有较高的功率转换效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体激光器，具有低工作电压及高功率转换效率，属于半导体激光器 技术领域。

背景技术

高功率半导体激光器由于具有结构紧凑、成本较低、光场易于调控等优点，被广泛应用 于泵浦固体激光器、材料加工、激光医疗等方面。在这些应用中，要求半导体激光器在长期 高功率输出条件下具有优良的可靠性。对于半导体激光器，限制其输出功率及影响其可靠性 的主要因素有材料内部缺陷对光子的散射及吸收，有源区温度升高使得载流子溢出，高功率 密度下载流子的非辐射复合产生大量热而导致腔面被烧毁。因此在制作大功率半导体激光器 时，一方面要优化管芯后道工艺，使得芯片产生的热量尽快释放出去，比如倒装封装以及硬 焊料烧结都会提高半导体激光器高功率输出时的寿命。另一方面，要精心设计激光器的外延 结构，优化材料生长工艺，提高半导体激光器的电光转换效率，从而降低注入载流子密度及 焦耳热的产生。

AlGaAs材料由于易于生长且材料晶格匹配，是最早用于制作半导体激光器的材料。但是 含铝材料极易氧化，会形成深能级，增强载流子的非辐射复合速率，致使半导体激光器的腔 面过热，促进了暗线缺陷的产生及扩展，从而降低激光器的输出功率及可靠性。近年来，具 有无铝有源区的(Al)GaInP/GaAsP结构半导体激光器引起了人们很大关注。相比于AlGaAs材 料的半导体激光器，它具有以下优点：有源区无铝能有效抑制暗线缺陷的产生，减少非辐射 复合中心；降低了界面复合速率，使得内量子效率增加；张应变量子阱在解理面弛豫增大窗 口区带隙，提高腔面光学损伤阈值。但是由于材料能带结构及偏振模式增益的差异，无铝结 构的激光器要比有铝结构的激光器的功率转换效率低。以808nm半导体激光器为例，AlGaAs 材料体系的半导体激光器的功率转换效率接近70％，而GaAsP体系的半导体激光器的功率转 换效率在60％左右。要广泛应用无铝有源区的GaAsP结构的半导体激光器，必须提高其功率 转换效率。由于电光功率转换效率等于输出的光功率比上输入电流与电压的乘积，要提高其 数值，一方面应该降低阈值电流，提高微分量子效率，以提高光功率，另一方面应当优化材 料掺杂及器件结构，尽可能的降低工作电压。

中国专利文献CN103457158A公开了一种TM偏振的GaAsP/GaInP量子阱激光器，有源区 采用无铝材料，可以有效降低铝组分的氧化、生长界面粗糙、腔面处附加电场对激光器功率 输出及可靠性的影响。同时波导层和限制层设计为非对称结构，能够有效降低内损耗、提高 最大输出功率及可靠性。非专利性文献Proc.of SPIE Vol.610461040B研究了InGaAsP/GaInP 结构半导体激光器的量子阱应变量对激光器阈值电流密度及增益系数的影响，发现增大张应 变量可以有效提高光功率，从而增加半导体激光器的功率转换效率。人们大多研究如何提高 光功率去增加半导体激光器的功率转换效率，却鲜有研究人员关注半导体激光器的电压。实 际上，由于(Al)GaInP/GaAsP结构半导体激光器的限制层AlGaInP与欧姆接触层GaAs的能带 不连续值较大，尤其是价带，在异质结界面处会形成带阶阻碍载流子的注入，产生多余的电 压降。所以(Al)GaInP/GaAsP结构半导体激光器要比AlGaAs体系的半导体激光器的工作电压 大，这也造成了功率转换效率的差异。

功率转换效率：对于半导体激光器，为测得的输出光功率除以输入的电功率，即光功率 比上输入电流与工作电压的乘积。

发明内容

针对现有(Al)GaInP/GaAsP结构半导体激光器工作电压大、功率转换效率低的问题，本 发明提供一种具有低工作电压及高功率转换效率的半导体激光器，该激光器还具有高可靠性 最大功率输出。

本发明的具有低工作电压及高功率转换效率的半导体激光器，采用以下技术方案：

该半导体激光器，其结构从下至上依次为衬底、缓冲层、下限制层、下波导层、量子阱、 上波导层、上限制层、带隙过渡层和欧姆接触层，上波导层与上限制层之间以及上限制层与 带隙过渡层之间均设置带隙渐变过渡层，以减小P型区异质结处能带的不连续值，降低阻碍 载流子注入的势垒高度。同时，对N侧波导层进行掺杂，降低材料的串联电阻。

所述带隙渐变过渡层为P型(Al_zGa_1-z)_0.5In_0.5P组分渐变层，上波导层与上限制层之间P型 (Al_zGa_1-z)_0.5In_0.5P中z取值为m至y渐变，上限制层与带隙过渡层之间P型(Al_zGa_1-z)_0.5In_0.5P中 z取值为y至m渐变，m取值范围为0至y。

所述下限制层为N型(Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5P，x取值0.2-0.4，N型掺杂材料为Si，掺杂浓度为 1×10¹⁸cm^-3。

所述下波导层为弱N型Ga_0.5In_0.5P；N型掺杂材料为Si，掺杂浓度为5×10¹⁶-1×10¹⁷cm^-3。 该掺杂浓度不仅能降低下波导层的串联电阻，又能避免因杂质过多而对光子吸收。

所述下波导层的厚度大于上波导层的厚度。

所述上限制层为P型(Al_yGa_1-y)_0.5In_0.5P，y取值0.2-0.4，P型掺杂材料为Mg，Mg的掺杂 浓度为1×10¹⁸cm^-3。

所述上限制层与下限制层的铝组分对称或者是不对称，当不对称时，上限制层的铝组分 要大于下限制层的铝组分，即y大于x，以保证光场大部分处于N型区。

所述带隙过渡层为Ga_aIn_1-aAs_bP_1-b外延层，层数为1-4，每层厚度为20-40nm，a、b的选择 要满足以下两个条件：①与GaAs晶格匹配，即5.8688-0.4176a+0.1896b+0.0125ab＝5.6533； ②材料价带位置处于上限制层与欧姆接触层的价带中间。

上述激光器的有源区使用无铝非对称结构，可以降低材料缺陷对光子的散射及吸收。半 导体激光器的P型区异质结界面使用带隙渐变过渡层及带隙阶跃变化过渡层，能有效减小异 质结处能带的不连续值，降低阻碍载流子注入的势垒高度。同时，对N侧波导层进行掺杂， 降低材料的串联电阻。因此可以得到具有低工作电压的半导体激光器，进而提高了激光器的 功率转换效率。

本发明采用无铝材料GaInP/GaAsP作为有源区，而且使用低铝组分的AlGaInP限制层， 可以有效抑制暗线缺陷的产生，减少非辐射复合中心，并且降低界面的复合速率，使得激光 器的内量子效率增加。同时波导层使用非对称厚度，使激光器的光场分布集中于N型区，减 少半导体激光器的内损耗。这些结构优化可以提高半导体激光器的光输出功率。P型区 AlGaInP带隙渐变过渡层以及GaInAsP带隙阶跃变化过渡层可以降低P型区各异质结界面的 能带不连续值，减小阻碍载流子注入的势垒高度，最终可以降低半导体激光器的工作电压， 一方面直接提高了半导体激光器的功率转换效率，另一方面减少了焦耳热的产生，抑制了高 输出功率下的热饱和现象，提高了其最高输出功率。

附图说明

图1为本发明半导体激光器的结构示意图。

图2为实施例1给出的半导体激光器的P型区导带结构示意图。

图3为实施例2给出的半导体激光器的P型区导带结构示意图。

图4为实施例3给出的半导体激光器的P型区导带结构示意图。

图5为无带隙过渡层的半导体激光器与本发明实施例2的半导体激光器的功率-电流-电 压测试对比图。

图中，1、衬底，2、缓冲层，3、下限制层，4、下波导层，5、量子阱，6、上波导层，7、 带隙渐变过渡层，8、上限制层，9、带隙渐变过渡层，10、带隙过渡层，11、欧姆接触层。

具体实施方式

本发明的具有低工作电压及高功率转换效率的半导体激光器，其结构如图1所示，从下 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5、上波导层6、上限制层8、 带隙过渡层10和欧姆接触层11。上波导层6与上限制层8之间设置有带隙渐变过渡层7，上 限制层8与带隙过渡层10之间设置有带隙渐变过渡层9。

衬底1为偏向<111>晶向的N型GaAs(100)单晶衬底，偏角大小为10-15°，可以抑制 (Al)GaInP材料的有序生长，N型掺杂材料为Si，掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3-5×10¹⁸cm^-3。

缓冲层2为厚度200-500nm的N型GaAs材料；根据本发明优选的，N型掺杂材料为Si， 掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3。

下限制层3为厚度1.0-1.5μm的N型(Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5P，x取值0.2-0.4；根据本发明优 选的，N型掺杂材料为Si，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3。

下波导层4为厚度400-700nm的弱N型Ga_0.5In_0.5P；根据本发明优选的，N型掺杂材料为 Si，掺杂浓度为5×10¹⁶-1×10¹⁷cm^-3。该掺杂浓度不仅能降低下波导层的串联电阻，又能避 免因杂质过多而对光子吸收。

量子阱5为厚度5-15nm的GaAsP材料。该量子阱宽度既可以保证在应变量子阱的临界 厚度以内，还能增加受激辐射的光子数，提高半导体激光器的内量子效率。在应变范围内， 该量子阱可实现780nm-880nm波段的激射波长。

上波导层6为厚度200-500nm的Ga_0.5In_0.5P。上波导层和下波导层使用非对称厚度，且 下波导层的厚度要大于上波导层的厚度，此结构可以使光场分布偏向N型区，减小空穴对光 子的吸收。

上限制层8为厚度1.0-1.5μm的P型(Al_yGa_1-y)_0.5In_0.5P，y取值0.2-0.4；根据本发明优 选的，P型掺杂材料为Mg，Mg的掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3。限制层使用低铝组分材料，一方 面可以抑制半导体激光器解理面的氧化速率，提高腔面抗烧毁能力，另一方面比较容易得到 高掺杂浓度，降低器件的串联电阻。上下限制层的铝组分可对称，可不对称。当不对称时， 上限制层的铝组分要大于下限制层的铝组分，即y大于x，以保证光场大部分处于N型区。

带隙过渡层10为Ga_aIn_1-aAs_bP_1-b外延层，层数为1-4，每层厚度为20-40nm。a、b的选择 要满足以下两个条件：与GaAs晶格匹配，即5.8688-0.4176a+0.1896b+0.0125ab＝5.6533； 材料价带位置处于上限制层与欧姆接触层的价带中间。

上波导层6与上限制层8之间的带隙渐变过渡层7以及上限制层8与带隙过渡层10之间 的带隙渐变过渡层9均为厚度50-100nm的P型(Al_zGa_1-z)_0.5In_0.5P组分渐变层，z取值分别为m 至y渐变以及y至m渐变，m取值范围为0至y；根据本发明优选的m取值为0.05，既可以 保证渐变层最小带隙尽量接近Ga_0.5In_0.5P，又可以满足生长时质量流量控制器的最小流量要求。

欧姆接触层11为厚度150-250nm的重掺杂P型GaAs；根据本发明优选的，P型掺杂材 料为Zn，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3-1×10²⁰cm^-3。

根据本发明优选的所述带隙过渡层10可以为实施例1的Ga_0.5In_0.5P、实施例2的 Ga_0.5In_0.5P/Ga_0.75In_0.25As_0.5P_0.5或者实施例3的Ga_0.5In_0.5P/Ga_0.625In_0.375As_0.25P_0.75/ Ga_0.75In_0.25As_0.5P_0.5/Ga_0.875In_0.125As_0.75P_0.25。以下给出三个具体结构的实施例。

实施例1

本实施例中衬底1为偏向<111>晶向15°的Si掺杂GaAs(100)单晶衬底，掺杂浓度为 2×10¹⁸cm^-3；缓冲层2为厚度300nm的Si掺杂GaAs，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3；下限制层3 为厚度1.2μm的Si掺杂的(Al_0.3Ga_0.7)_0.5In_0.5P，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3；下波导层4为厚度 500nm的弱N型Si掺杂Ga_0.5In_0.5P，掺杂浓度为8×10¹⁶cm^-3；量子阱5为厚度10nm的GaAsP； 上波导层6为厚度300nm的非掺杂Ga_0.5In_0.5P；带隙渐变过渡层7为厚度100nm的 (Al_0.05Ga_0.95)_0.5In_0.5P组分渐变至(Al_0.3Ga_0.7)_0.5In_0.5P；上限制层8为厚度1.2μm的Mg掺杂的 (Al_0.3Ga_0.7)_0.5In_0.5P，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3；带隙渐变过渡层9为厚度100nm的 (Al_0.3Ga_0.7)_0.5In_0.5P组分渐变至(Al_0.05Ga_0.95)_0.5In_0.5P；带隙过渡层10为一层厚度20nm的 Ga_0.5In_0.5P；欧姆接触层11为厚度200nm的GaAs，Zn的掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3。

此实施例的半导体激光器的P型区导带结构如图2所示，AlGaInP/GaInP异质结界面处使 用带隙渐变过渡层，AlGaInP/GaAs异质结界面处使用单层GaInP作为带隙过渡层。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：所述带隙过渡层10有两层，分别为厚度20nm的 Ga_0.5In_0.5P及厚度20nm的Ga_0.75In_0.25As_0.5P_0.5。此实施例的半导体激光器的P型区导带结构如图 3所示。

实施例1中上限制层AlGaInP与欧姆接触层GaAs的界面处使用Ga_0.5In_0.5P作为带隙过渡 层，可以降低异质结界面的能带不连续值。但是Ga_0.5In_0.5P与GaAs的带隙差异仍接近0.5eV， 尤其是其价带带阶在0.3eV以上。由于材料体系所限，Ga_0.5In_0.5P/GaAs界面不能使用带隙渐 变过渡层，只能通过插入中间带隙层的方法实现带隙阶跃变化来降低其能带不连续值。 Ga_0.75In_0.25As_0.5P_0.5的带隙约为1.66eV，恰好处于Ga_0.5In_0.5P(1.91eV)与GaAs(1.42eV)的带 隙中间，可以有效的降低Ga_0.5In_0.5P/GaAs异质结界面的能带不连续值，进而降低半导体激光 器的工作电压。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于：所述带隙过渡层10有四层，分别为厚度20nm的 Ga_0.5In_0.5P、厚度20nm的Ga_0.625In_0.375As_0.25P_0.75、厚度20nm的Ga_0.75In_0.25As_0.5P_0.5以及厚度20nm 的Ga_0.875In_0.125As_0.75P_0.25。此实施例的半导体激光器的P型区导带结构如图4所示。Ga_0.5In_0.5P与 GaAs中间插入三层GaInAsP结构，分别为Ga_0.625In_0.375As_0.25P_0.75(1.77eV)、Ga_0.75In_0.25As_0.5P_0.5 (1.66eV)及Ga_0.875In_0.125As_0.75P_0.25(1.54eV)，可以进一步降低Ga_0.5In_0.5P/GaAs异质结界面的 能带不连续值。

以上三个实施例的半导体激光器都使用带隙渐变结构降低AlGaInP/GaInP异质结的能带 不连续值，而AlGaInP/GaAs异质结界面处使用不同的GaInAsP带隙阶跃变化过渡层。理论上， GaInAsP的层数越多，能带不连续值越低，但是AsP化合物生长时组分不容易控制，生长层 数越多，与理论差异越大。图5为实施例2的半导体激光器的功率-电流-电压测试结果，可 以很明显看出，使用带隙过渡层后，半导体激光器的工作电压变低，在400mA输入电流下电 压由1.95V降至1.83V。由于工作电压降低，产生的焦耳热变少，半导体激光器的温度特 性得到改善。在高功率输出时，热饱和现象减弱，即相同输入电流下其输出光功率更高。最 终，在350mW的输出功率下，其功率转换效率由52％提升至61％，大大提高了半导体激光器 的转换效率，有利于其长期工作的可靠性。