專利名稱：帶有錐形增益區(qū)的脊型波導(dǎo)高功率半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，特別是指一種帶有錐形增益區(qū)的脊型波導(dǎo)高功率半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光器是指以半導(dǎo)體材料為工作物質(zhì)的一類激光器，亦稱半導(dǎo)體激光二極管，或簡(jiǎn)稱激光二極管，英文縮寫為L(zhǎng)D。其基本結(jié)構(gòu)包括三個(gè)部分組成，即能高效率產(chǎn)生受激發(fā)射的工作物質(zhì)(有源介質(zhì))、提供光學(xué)反饋的諧振腔和驅(qū)動(dòng)電源。由于半導(dǎo)體激光器的諧振腔長(zhǎng)度(即有源介質(zhì)的長(zhǎng)度)很短，因而要在半導(dǎo)體激光器的有源介質(zhì)中獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)以形成受激光發(fā)射，只能靠有效地注入濃度高的電子以及將注入的電子和復(fù)合產(chǎn)生的光子有效地限制在有源區(qū)內(nèi)。而同時(shí)半導(dǎo)體激光器的有源區(qū)也很窄，一般為10nm左右，因此半導(dǎo)體激光器的功率密度很大，發(fā)熱嚴(yán)重。
普通窄條半導(dǎo)體激光器的發(fā)射功率受到功率密度的限制，當(dāng)輸出功率大于200mW時(shí)，腔內(nèi)某區(qū)域的折射率隨其溫度增加而增加，產(chǎn)生寄生光波導(dǎo)，破壞該區(qū)的側(cè)向模式，器件側(cè)向光模式不是單模，產(chǎn)生光束扭曲。同時(shí)，在強(qiáng)受激發(fā)射條件下，在有源層的中心區(qū)由于載流子的大量消耗而出現(xiàn)載流子分布的空間“燒孔”，使中心區(qū)的折射率高于其兩側(cè)區(qū)域的折射率，致使光能量向中心匯聚，產(chǎn)生自聚焦。另外，當(dāng)輸出功率較高時(shí)，在激光器腔面會(huì)發(fā)生災(zāi)變光學(xué)損傷。以上這些效應(yīng)都會(huì)極大的影響激光器的性能。
多年來，人們?cè)谠龃蠊夤β屎透纳乒馐|(zhì)量方面做了很多工作。從原理上分析，增大光模式體積可以同時(shí)減小結(jié)溫和光功率密度，可以有效避免自聚焦和光束扭曲。單純的增大條寬可以減小光束寬度增大光功率，但是容易產(chǎn)生多側(cè)模，這對(duì)半導(dǎo)體激光器的最大輸出功率和光束質(zhì)量產(chǎn)生很大限制。因此，人們考慮設(shè)計(jì)帶有大光腔的寬接觸器件，在器件設(shè)計(jì)中使用錐形增益區(qū)可以有效改善光束質(zhì)量制作出具有近衍射極限光束的半導(dǎo)體激光器。此種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有減小功率密度、抑制出光面的災(zāi)變光損傷、減弱引起光束質(zhì)量下降的非線性效應(yīng)、有效防止自聚焦產(chǎn)生、有效改善器件飽和特性等優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種帶有錐形增益區(qū)的脊型波導(dǎo)高功率半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，具有更大的輸出功率、更高的飽和電流，并可得到近衍射極限光束，減小功率密度、抑制出光面的災(zāi)變光損傷、減弱引起光束質(zhì)量下降的非線性效應(yīng)、有效防止自聚焦產(chǎn)生、有效改善器件飽和特性等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明一種帶有錐形增益區(qū)的脊型波導(dǎo)高功率半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中包括一襯底；一鋁鎵砷層，該鋁鎵砷層制作在襯底上；一鋁鎵銦砷有源層，該鋁鎵銦砷鋁鎵銦砷有源層制作在鋁鎵砷上；一鋁銦砷層，該鋁銦砷鋁銦砷層制作在鋁鎵銦砷有源層上；一銦磷層，該銦磷層制作在鋁銦砷層上，該銦磷層的面積小于鋁銦砷層的面積；一銦鎵砷層，該銦鎵砷層制作在銦磷層上；該銦磷層和銦鎵砷層形成一脊型區(qū)域；一層介質(zhì)膜，該層介質(zhì)膜制作在脊型區(qū)域的兩側(cè)及鋁銦砷層上；一層P面電極，該P(yáng)面電極制作在脊型區(qū)域的上面及介質(zhì)膜上；一N面電極，該N面電極制作在襯底的下面。
其中所述的脊型區(qū)域分為三段單模區(qū)1、錐形增益區(qū)和平坦區(qū)。
其中襯底為銦磷材料。
其中鋁鎵砷層為N型摻雜。
其中鋁銦砷層為P型摻雜。
其中脊型區(qū)域設(shè)計(jì)的形狀為線性形狀，為了保證低損耗傳輸，錐形增益區(qū)的角度要小于基模衍射角，小于6度。
其中銦磷層為P型摻雜。
其中銦鎵砷層為P型摻雜。
其中鋁鎵銦砷有源層為分別限制應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)，激射波長(zhǎng)為14xxnm。
其中介質(zhì)膜材料為二氧化硅，P面電極材料為鈦鉑金，將其減薄到100μm，N面電極的材料為金鍺鎳，增透膜反射率為5％，增反膜反射率為95％。


為進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖詳細(xì)說明如下，其中圖1是本發(fā)明提出的帶有錐形增益區(qū)的脊型波導(dǎo)高功率半導(dǎo)體激光器脊區(qū)俯視剖面圖；圖2是本發(fā)明提出的帶有錐形增益區(qū)的脊型波導(dǎo)高功率半導(dǎo)體激光器管芯總圖；圖3是本發(fā)明提出的帶有錐形增益區(qū)的脊型波導(dǎo)高功率半導(dǎo)體激光器管芯端面圖。
具體實(shí)施例方式
請(qǐng)參閱圖1、圖2及圖3所示，本發(fā)明一種帶有錐形增益區(qū)的脊型波導(dǎo)高功率半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中包括一襯底9，該襯底9為銦磷材料；一鋁鎵砷層8，該鋁鎵砷層8制作在襯底9上，該鋁鎵砷層8為N型摻雜；一鋁鎵銦砷有源層12，該鋁鎵銦砷鋁鎵銦砷有源層12制作在鋁鎵砷8上，該鋁鎵銦砷有源層12為分別限制應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)，激射波長(zhǎng)為14xxnm；一鋁銦砷層7，該鋁銦砷鋁銦砷層7制作在鋁鎵銦砷有源層12上，該鋁銦砷層7為P型摻雜；一銦磷層6，該銦磷層6制作在鋁銦砷層7上，該銦磷層6的面積小于鋁銦砷層7的面積，該銦磷層6為P型摻雜；一銦鎵砷層5，該銦鎵砷層5制作在銦磷層6上，銦鎵砷層5為P型摻雜；該銦磷層6和銦鎵砷層5形成一脊型區(qū)域20；該脊型區(qū)域20分為三段單模區(qū)1、錐形增益區(qū)2和平坦區(qū)3，脊型區(qū)域20設(shè)計(jì)的形狀為線性形狀，為了保證低損耗傳輸，錐形增益區(qū)2的角度要小于基模衍射角，小于6°；一層介質(zhì)膜11，該層介質(zhì)膜11制作在脊型區(qū)域20的兩側(cè)及鋁銦砷層7上，該介質(zhì)膜11材料為二氧化硅；一層P面電極4，該P(yáng)面電極4制作在脊型區(qū)域20的上面及介質(zhì)膜11上，該P(yáng)面電極材料4為鈦鉑金，將其減薄到100μm；-N面電極10，該N面電極10制作在襯底9的下面，該N面電極10的材料為金鍺鎳，增透膜反射率為5％，增反膜反射率為95％。
請(qǐng)?jiān)賲㈤唸D1，其中陰影區(qū)是脊型波導(dǎo)激光器的脊型區(qū)域。本發(fā)明提出的帶有錐形增益區(qū)的脊型波導(dǎo)高功率半導(dǎo)體激光器脊型區(qū)域由單模區(qū)(Singlemode section)1、錐形增益區(qū)(Tapered gain section)2和平坦區(qū)(Flatten region)3三個(gè)部分組成。出光方向如圖所示。其中，單模區(qū)1起到模式過濾作用，保證激光器基橫模工作；錐形增益區(qū)2起到功率放大作用；后面的平坦區(qū)3可以保證在相同錐形角度下錐形增益區(qū)面積減小，出光孔徑小，有效調(diào)整器件發(fā)散角改善遠(yuǎn)場(chǎng)特性，有利于光纖耦合。錐形增益區(qū)2形狀分為線性、拋物線型、指數(shù)型、余弦型等幾種，本發(fā)明結(jié)構(gòu)中為線性形狀，為了保證低損耗傳輸，設(shè)計(jì)中錐形增益區(qū)2的角度要小于基模衍射角。
采用設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)制作了14xxnm(1400nm-1520nm)AlGaInAs/AlInAs/InP脊型波導(dǎo)應(yīng)變量子阱激光器。采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)外延生長(zhǎng)技術(shù)生長(zhǎng)出高質(zhì)量的AlGaInAs/AlInAs/InP大功率半導(dǎo)體激光器外延片。材料生長(zhǎng)順序如圖3所示。在InP襯底9上生長(zhǎng)一層AlGaAs 8，接著在AlGaAs 8層上生長(zhǎng)AlGaInAs有源層12，然后在AlGaInAs有源層12上生長(zhǎng)一層AlInAs 7，然后在AlInAs 7層上生長(zhǎng)一層InP 6，最后在InP 6上生長(zhǎng)一層InGaAs 5。
材料生長(zhǎng)完后，按著脊型波導(dǎo)激光器制備工藝制備激光器管芯，通過光刻、腐蝕工藝腐蝕出脊型臺(tái)面，臺(tái)面形狀如圖1、圖2所示。腐蝕好臺(tái)面后在脊型區(qū)生長(zhǎng)圖3中介質(zhì)膜11，然后制作圖3中P面電極4，制作完P(guān)面電極4后將外延片減薄，制作圖3中N面電極10，解理成Bar，最后解理成一定腔長(zhǎng)的管芯。為獲得高的單面輸出功率，對(duì)器件進(jìn)行鍍膜，出光面鍍?cè)鐾改ぃ硪粋€(gè)端面鍍?cè)龇茨?，最后采取To3封裝方式進(jìn)行封裝。我們制作的1200μm腔長(zhǎng)的器件基橫模最大輸出功率達(dá)到440mW以上，飽和電流3A以上，垂直方向遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角為38°左右，平行方向遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角為15 °，激射波長(zhǎng)為14xxnm。
權(quán)利要求
1.一種帶有錐形增益區(qū)的脊型波導(dǎo)高功率半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中包括一襯底；一鋁鎵砷層，該鋁鎵砷層制作在襯底上；一鋁鎵銦砷有源層，該鋁鎵銦砷鋁鎵銦砷有源層制作在鋁鎵砷上；一鋁銦砷層，該鋁銦砷鋁銦砷層制作在鋁鎵銦砷有源層上；一銦磷層，該銦磷層制作在鋁銦砷層上，該銦磷層的面積小于鋁銦砷層的面積；一銦鎵砷層，該銦鎵砷層制作在銦磷層上；該銦磷層和銦鎵砷層形成一脊型區(qū)域；一層介質(zhì)膜，該層介質(zhì)膜制作在脊型區(qū)域的兩側(cè)及鋁銦砷層上；一層P面電極，該P(yáng)面電極制作在脊型區(qū)域的上面及介質(zhì)膜上；一N面電極，該N面電極制作在襯底的下面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有錐形增益區(qū)的脊型波導(dǎo)高功率半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中所述的脊型區(qū)域分為三段單模區(qū)1、錐形增益區(qū)和平坦區(qū)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有錐形增益區(qū)的脊型波導(dǎo)高功率半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中襯底為銦磷材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有錐形增益區(qū)的脊型波導(dǎo)高功率半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中鋁鎵砷層為N型摻雜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有錐形增益區(qū)的脊型波導(dǎo)高功率半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中鋁銦砷層為P型摻雜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有錐形增益區(qū)的脊型波導(dǎo)高功率半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中脊型區(qū)域設(shè)計(jì)的形狀為線性形狀，為了保證低損耗傳輸，錐形增益區(qū)的角度要小于基模衍射角，小于6度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有錐形增益區(qū)的脊型波導(dǎo)高功率半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中銦磷層為P型摻雜。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有錐形增益區(qū)的脊型波導(dǎo)高功率半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中銦鎵砷層為P型摻雜。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有錐形增益區(qū)的脊型波導(dǎo)高功率半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中鋁鎵銦砷有源層為分別限制應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)，激射波長(zhǎng)為14xxnm。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有錐形增益區(qū)的脊型波導(dǎo)高功率半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中介質(zhì)膜材料為二氧化硅，P面電極材料為鈦鉑金，將其減薄到100μm，N面電極的材料為金鍺鎳，增透膜反射率為5％，增反膜反射率為95％。
全文摘要
一種帶有錐形增益區(qū)的脊型波導(dǎo)高功率半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，其中包括一襯底；一鋁鎵砷層，該鋁鎵砷層制作在襯底上；一鋁鎵銦砷有源層，該鋁鎵銦砷鋁鎵銦砷有源層制作在鋁鎵砷上；一鋁銦砷層，該鋁銦砷鋁銦砷層制作在鋁鎵銦砷有源層上；一銦磷層，該銦磷層制作在鋁銦砷層上，該銦磷層的面積小于鋁銦砷層的面積；一銦鎵砷層，該銦鎵砷層制作在銦磷層上；該銦磷層和銦鎵砷層形成一脊型區(qū)域；一層介質(zhì)膜，該層介質(zhì)膜制作在脊型區(qū)域的兩側(cè)及鋁銦砷層上；一層P面電極，該P(yáng)面電極制作在脊型區(qū)域的上面及介質(zhì)膜上；一N面電極，該N面電極制作在襯底的下面。
文檔編號(hào)H01S5/30GK1681176SQ200410032559
公開日2005年10月12日 申請(qǐng)日期2004年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月9日
發(fā)明者張洪波, 韋欣, 朱曉鵬, 王國(guó)宏, 馬驍宇 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所