專(zhuān)利名稱：多量子阱半導(dǎo)體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種半導(dǎo)體激光器器件，尤其是一種多量子阱半導(dǎo)體激光器。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光器由于具有體積小、重量輕、使用電驅(qū)動(dòng)、電光轉(zhuǎn)換效率高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)加工、軍事國(guó)防、醫(yī)療、全固態(tài)激光泵浦等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體激光器的發(fā)展趨勢(shì)是高功率、高亮度和長(zhǎng)壽命。目前商用的大功率半導(dǎo)體激光器多為單量子阱半導(dǎo)體激光器，其單巴連續(xù)波輸出功率可達(dá)100W，準(zhǔn)連續(xù)波輸出功率達(dá)250W，若進(jìn)一步提高功率，必須將多個(gè)巴條組合為疊陣或者面陣的形式，但疊陣和面陣的體積過(guò)大，限制了半導(dǎo)體激光器的進(jìn)一步應(yīng)用。相對(duì)于單量子阱半導(dǎo)體激光器(SQW)，多量子阱半導(dǎo)體激光器(MQW)有其獨(dú)特的 優(yōu)勢(shì)在尺寸保持不變的情況下，多量子阱半導(dǎo)體激光器最高輸出功率可達(dá)單量子阱半導(dǎo)體激光器的η倍(η為量子阱層數(shù));在相同的工作電流下，多量子阱半導(dǎo)體激光器的輸出功率可達(dá)單量子阱半導(dǎo)體激光器的η倍。多量子阱半導(dǎo)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(tǒng)尺寸及對(duì)大電流電源的需求，是半導(dǎo)體激光器的重要發(fā)展方向。但目前多量子阱半導(dǎo)體激光器產(chǎn)品受限于散熱能力，導(dǎo)致難以達(dá)到預(yù)期的輸出功率，可靠性較低。例如萬(wàn)春明等人在中國(guó)激光，2002，Vol.A29，No. 12中報(bào)道了一種940nm無(wú)鋁雙量子阱列陣半導(dǎo)體激光器，在注入電流17. 8A時(shí)連續(xù)波輸出功率僅為10W，斜率效率為1.09W/A。德國(guó)的OSRAM光電半導(dǎo)體公司推出的一種三層量子阱半導(dǎo)體激光器，功率為75W，工作模式為準(zhǔn)連續(xù)波，波長(zhǎng)為905nm。與目前商用的單量子阱半導(dǎo)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(dǎo)體激光器對(duì)于高功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展具有重要意義。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型提供了一種多量子阱半導(dǎo)體激光器，具有較高的散熱效率，實(shí)現(xiàn)大功率、高可靠的激光輸出。為實(shí)現(xiàn)以上實(shí)用新型目的，本實(shí)用新型提出以下基本技術(shù)方案多量子阱半導(dǎo)體激光器，包括多個(gè)量子阱層以及設(shè)置于各量子阱層之間的勢(shì)壘層，其特殊之處在于每個(gè)量子阱層設(shè)置有一個(gè)或多個(gè)發(fā)光區(qū)，相鄰量子阱層的發(fā)光區(qū)相互錯(cuò)開(kāi)?；谏鲜龌镜募夹g(shù)方案，較佳的方案如下上述多量子阱半導(dǎo)體激光器具體是由依次設(shè)置的N+-GaAs襯底、N+-GaAs緩沖層、N-AlGaAs上限制層、InGaP上波導(dǎo)層、多個(gè)所述GaInAsP量子阱層及相應(yīng)的InGaP勢(shì)壘層、InGaP下波導(dǎo)層、P-AlGaAs下限制層、P-GaAs頂層、P —GaAs歐姆接觸層組成。制備上述多量子阱半導(dǎo)體激光器的方法，包括以下步驟(I)在襯底上依次生長(zhǎng)緩沖層、上限制層、上波導(dǎo)層、第一個(gè)量子阱層；[0012](2)通過(guò)離子注入的方法，使第一個(gè)量子阱層的部分區(qū)域形成非發(fā)光區(qū)，在該量子阱層中，非發(fā)光區(qū)之間的區(qū)域設(shè)置為發(fā)光區(qū)；(3)依次生長(zhǎng)勢(shì)壘層、下一個(gè)量子阱層；(4)通過(guò)離子注入的方法使所述下一個(gè)量子阱層中的部分區(qū)域形成非發(fā)光區(qū)，非發(fā)光區(qū)之間的區(qū)域設(shè)置為發(fā)光區(qū)，并使該量子阱層的發(fā)光區(qū)與第一個(gè)量子阱層的發(fā)光區(qū)相互錯(cuò)開(kāi)；(5)若設(shè)計(jì)的量子阱層數(shù)超過(guò)兩個(gè)，則按照步驟 (3)、(4)繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)量子阱層的生長(zhǎng)并使該量子阱層的發(fā)光區(qū)與前一個(gè)量子阱層的發(fā)光區(qū)相互錯(cuò)開(kāi)；(6)完成最后一個(gè)量子阱層后，依次生長(zhǎng)下波導(dǎo)層、下限制層、頂層、歐姆接觸層，制備得到多量子阱半導(dǎo)體激光器。上述制備方法具體的優(yōu)選方案為步驟(I)是通過(guò)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)法或分子束外延法(MBE)在N+-GaAs襯底上依次生長(zhǎng)N+-GaAs緩沖層、N-AlGaAs上限制層、InGaP上波導(dǎo)層、GaInAsP第
一量子阱層；步驟(2)通過(guò)離子注入的方法，使第一量子阱層的部分區(qū)域形成非發(fā)光區(qū)，非發(fā)光區(qū)之間的區(qū)域?yàn)榘l(fā)光區(qū)，并在該量子阱層形成發(fā)光區(qū)-非發(fā)光區(qū)的周期分布；步驟(3)是依次生長(zhǎng)InGaP勢(shì)壘層、GaInAsP第二量子阱層；步驟(4)是通過(guò)離子注入的方法使第二量子阱層中的區(qū)域形成非發(fā)光區(qū)，非發(fā)光區(qū)72之間的區(qū)域?yàn)榈诙孔于鍖拥陌l(fā)光區(qū)，第二量子阱層的發(fā)光區(qū)與第一量子阱層的發(fā)光區(qū)相互錯(cuò)開(kāi)；步驟(6)是在最后一個(gè)量子阱層上依次生長(zhǎng)InGaP下波導(dǎo)層、P-AlGaAs下限制層、P-GaAs頂層、P —GaAs歐姆接觸層。本實(shí)用新型有以下優(yōu)點(diǎn)I)散熱能力強(qiáng)。本實(shí)用新型采用量子阱層發(fā)光區(qū)相互交錯(cuò)的方式，降低了有源區(qū)熱串?dāng)_，減小了系統(tǒng)熱阻；2)可實(shí)現(xiàn)激光大功率輸出。本實(shí)用新型的多量子阱半導(dǎo)體激光器完全滿足低占空比準(zhǔn)連續(xù)波的工作要求，能夠?qū)崿F(xiàn)大功率的激光輸出；3)單位體積輸出功率高。對(duì)于相同大小的單量子阱和多量子阱半導(dǎo)體激光器，包括η個(gè)量子阱層的多量子阱半導(dǎo)體激光器的輸出功率是單量子阱的η倍；4)壽命長(zhǎng)、可靠性高。本實(shí)用新型的多量子阱半導(dǎo)體激光器具有壽命長(zhǎng)、可靠性高、穩(wěn)定性高和體型小的特點(diǎn)。5)本實(shí)用新型提供的多量子阱半導(dǎo)體激光器的制備方法，充分考慮了各種實(shí)際因素，保證了電光轉(zhuǎn)換效率及可靠性，從而在實(shí)踐上真正實(shí)現(xiàn)了大功率、高可靠的激光輸出。

圖I為傳統(tǒng)的雙量子講芯片結(jié)構(gòu)不意圖；圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例一的雙量子阱半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例一的量子阱層局部示意圖；圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例一所制備的808nm雙量子阱半導(dǎo)體激光器封裝后LIV測(cè)試結(jié)果;圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例一所制備的808nm雙量子阱半導(dǎo)體激光器封裝后光譜測(cè)試結(jié)果；圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例二的三量子阱半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本實(shí)用新型實(shí)施例二的量子阱層局部示意圖。圖8為本實(shí)用新型實(shí)施例二所制備的808nm三量子阱半導(dǎo)體激光器封裝后LIV測(cè)試結(jié)果；圖9為本實(shí)用新型實(shí)施例二所制備的808nm三量子阱半導(dǎo)體激光器封裝后光譜測(cè)試結(jié)果；其中，I為芯片襯底，2為η緩沖層，3為上限制層，4為上波導(dǎo)層，5為第一量子阱 層，6為勢(shì)壘層，7為第二量子阱層，8為下波導(dǎo)層，9為下限制層，10為P頂層，11為歐姆接觸層，12為勢(shì)壘層，13為第三量子阱層。
具體實(shí)施方式
目前，多量子阱半導(dǎo)體激光器的多個(gè)量子阱層間隔很小，各量子阱層的發(fā)光區(qū)發(fā)熱量很大，因此制約了其輸出功率、效率及可靠性的進(jìn)一步提高。目前常見(jiàn)的多量子阱半導(dǎo)體激光器，如圖I所示，其各量子阱層的發(fā)光區(qū)在豎直方向上重疊，導(dǎo)致各量子阱層之間發(fā)生熱串?dāng)_現(xiàn)象，明顯增加了器件熱阻，降低了輸出功率及光電效率。本實(shí)用新型提出了一種新型的多量子阱半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，通過(guò)使各量子阱層的發(fā)光區(qū)上下相互錯(cuò)開(kāi)，降低了各量子阱層之間熱串?dāng)_的影響，大大提高了多量子阱半導(dǎo)體激光器的輸出功率、電光轉(zhuǎn)換效率及可靠性。本實(shí)用新型的關(guān)鍵技術(shù)是使同一量子阱層中部分區(qū)域?yàn)榘l(fā)光區(qū)，而部分區(qū)域?yàn)榉前l(fā)光區(qū)。本實(shí)用新型采用了掩模離子注入技術(shù)，離子注入的量子阱層區(qū)域由于結(jié)構(gòu)成分改變，不再產(chǎn)生受激輻射，而且離子注入的量子阱層區(qū)域的折射率小于非離子注入的量子阱層區(qū)域，從而在側(cè)向?qū)す膺M(jìn)行了限制。
以下結(jié)合附圖以示例的形式詳細(xì)介紹本實(shí)用新型。給出的兩個(gè)實(shí)施例僅作為本實(shí)用新型的優(yōu)選方案示例，而不應(yīng)視為對(duì)本實(shí)用新型保護(hù)范圍的限制。實(shí)施例一如圖2及圖3所示，雙量子阱半導(dǎo)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(dǎo)層4，GaInAsP第一量子阱層5，InGaP勢(shì)壘層6，GaInAsP第二量子阱層7，InGaP下波導(dǎo)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(fā)光區(qū),52為第一量子講層5中非發(fā)光區(qū)；71為第二量子阱層7中的發(fā)光區(qū)，72為第二量子阱層中7非發(fā)光區(qū)。第一量子阱層的發(fā)光區(qū)51與第二量子阱層的發(fā)光區(qū)71相互錯(cuò)開(kāi)。下面介紹根據(jù)該雙量子阱半導(dǎo)體激光器的制造方法。首先在通過(guò)金屬有機(jī)化學(xué)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(zhǎng)N+-GaAs緩沖層2，N-AlGaAs上限制層3，InGaP上波導(dǎo)層4，GaInAsP第一量子阱層5。通過(guò)離子注入的方法，使第一量子阱層5的部分區(qū)域形成非發(fā)光區(qū)52，非發(fā)光區(qū)52之間的區(qū)域?yàn)榘l(fā)光區(qū)51，從而在同一量子阱層形成發(fā)光區(qū)-非發(fā)光區(qū)的周期分布。然后，依次生長(zhǎng)InGaP勢(shì)壘層6，GaInAsP第二量子阱層7，并且通過(guò)離子注入的方法使第二量子阱層7中的區(qū)域72形成非發(fā)光區(qū)，非發(fā)光區(qū)72之間的區(qū)域71為第二量子阱層的發(fā)光區(qū)，第一量子阱層的發(fā)光區(qū)51與第二量子阱層的發(fā)光區(qū)71恰好相互錯(cuò)開(kāi)。然后，繼續(xù)在第二量子阱層7上面依次生長(zhǎng)InGaP下波導(dǎo)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(dǎo)體激光器件能夠抑制不同量子阱層5和7發(fā)光區(qū)的熱串?dāng)_，從而降低芯片的熱阻，提高半導(dǎo)體的輸出功率、效率及可靠性。圖4及圖5給出了按照實(shí)施例一的制備方法得到的808nm雙量子阱半導(dǎo)體激光器封裝后LIV及光譜測(cè)試結(jié)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(dá)500W (占空比O. 1%)。中心波長(zhǎng)為808. 5nm，光譜寬度(FffHM)為2. 8nm。實(shí)施例二 如圖6及圖7所示，三量子阱半導(dǎo)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(dǎo)層4，GaInAsP第一量子阱層5，InGaP勢(shì)壘層6，GaInAsP第二量子阱層7，InGaP勢(shì)壘層12，GaInAsP第三量子阱層13，InGaP下波導(dǎo)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(fā)光區(qū)，52為第一量子阱層5中非發(fā)光區(qū)；71為第二量子阱層7中的發(fā)光區(qū)，72為第二量子阱層中7非發(fā)光區(qū)；131為第二量子阱層7中的發(fā)光區(qū)，132為第二量子阱層中7非發(fā)光區(qū)。第一量子阱層的發(fā)光區(qū)51與第二量子阱層的發(fā)光區(qū)71相互錯(cuò)開(kāi)；第二量子阱層的發(fā)光區(qū)71與第三量子阱層的發(fā)光區(qū)131相互錯(cuò)開(kāi)。下面介紹該三量子阱半導(dǎo)體激光器的制造方法。首先在N+-GaAs襯底I上依次生長(zhǎng)N+-GaAs緩沖層2，N-AlGaAs上限制層3，InGaP上波導(dǎo)層4，GaInAsP第一量子阱層5。通過(guò)離子注入的方法，使第一量子阱層5的部分區(qū)域形成非發(fā)光區(qū)52，非發(fā)光區(qū)52之間的區(qū)域?yàn)榘l(fā)光區(qū)51，從而在同一量子阱層形成發(fā)光區(qū)-非發(fā)光區(qū)的周期分布。然后，依次生長(zhǎng)InGaP勢(shì)壘層6，GaInAsP第二量子阱層7，并且通過(guò)離子注入的方法使第二量子阱層7中的區(qū)域72形成非發(fā)光區(qū)，非發(fā)光區(qū)72之間的區(qū)域71為第二量子阱層的發(fā)光區(qū)，第一量子阱層的發(fā)光區(qū)51與第二量子阱層的發(fā)光區(qū)71恰好相互錯(cuò)開(kāi)。然后，在第二量子阱上面生長(zhǎng)InGaP勢(shì)壘層12，GaInAsP第三量子阱層13，并且通過(guò)離子注入的方法使第三量子阱層13中的區(qū)域132形成非發(fā)光區(qū)，非發(fā)光區(qū)132之間的區(qū)域131為第三量子阱層的發(fā)光區(qū)，第三量子阱層的發(fā)光區(qū)131與第二量子阱層的發(fā)光區(qū)71相互錯(cuò)開(kāi)。然后，繼續(xù)在第三量子阱層13上面依次生長(zhǎng)InGaP下波導(dǎo)層8，P_AlGaAs下限制層9，P-GaAs頂層10，P++_GaAs歐姆接觸層11。經(jīng)封裝后LIV及光譜測(cè)試(圖8及圖9)，在230A的電流下，輸出峰值功率可達(dá)670W(占空比O. 1%)，具有很好的光電性能，達(dá)到了本實(shí)用新型的預(yù)期效果。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)于三個(gè)以上量子阱層的實(shí)施方式，若保持各層的發(fā)光區(qū)均相互錯(cuò)開(kāi)，可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)光區(qū)之間的間距過(guò)大，填充因子過(guò)低，而造成總輸出功率下降；因此，僅保持相鄰兩個(gè)量子阱層的發(fā)光區(qū)互相錯(cuò)開(kāi)較為適宜。
權(quán)利要求1.多量子阱半導(dǎo)體激光器，包括多個(gè)量子阱層以及設(shè)置于各量子阱層之間的勢(shì)壘層，其特征在于每個(gè)量子阱層設(shè)置有一個(gè)或多個(gè)發(fā)光區(qū)，相鄰量子阱層的發(fā)光區(qū)相互錯(cuò)開(kāi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多量子阱半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述多量子阱半導(dǎo)體激光器由依次設(shè)置的N+-GaAs襯底、N+-GaAs緩沖層、N-AlGaAs上限制層、InGaP上波導(dǎo)層、多個(gè)所述GaInAsP量子講層及相應(yīng)的InGaP勢(shì)魚(yú)層、InGaP下波導(dǎo)層、P-AlGaAs下限制層、P-GaAs頂層、P —GaAs歐姆接觸層組成。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型提供了一種多量子阱半導(dǎo)體激光器，具有較高的散熱效率，實(shí)現(xiàn)大功率、高可靠的激光輸出。該多量子阱半導(dǎo)體激光器，包括多個(gè)量子阱層以及設(shè)置于各量子阱層之間的勢(shì)壘層，其特殊之處在于每個(gè)量子阱層設(shè)置有一個(gè)或多個(gè)發(fā)光區(qū)，相鄰量子阱層的發(fā)光區(qū)相互錯(cuò)開(kāi)。本實(shí)用新型采用量子阱層發(fā)光區(qū)相互交錯(cuò)的方式，降低了有源區(qū)熱串?dāng)_，減小了系統(tǒng)熱阻；可實(shí)現(xiàn)激光大功率輸出。
文檔編號(hào)H01S5/343GK202712685SQ20122041133
公開(kāi)日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月3日
發(fā)明者張普, 劉興勝, 熊玲玲, 王貞福, 劉暉, 聶志強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所