專利名稱：高效率非對稱光場分布垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體激光器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及高效率非對稱光場分布的垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器。
背景技術(shù)：
垂直腔面發(fā)射激光器是一種垂直表面出光的半導(dǎo)體激光器，它具有閾值低，發(fā)散角小，激光功率密度高，易于單片集成，熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在醫(yī)療、傳感、顯示技術(shù)、信息存儲、空間通訊和衛(wèi)星導(dǎo)航上有著極其重要的應(yīng)用。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，對面發(fā)射激光器性能的要求也越來越高，如何提高垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的效率是近年來研究的熱點?，F(xiàn)有的垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)由下至上依次包括N面電極、襯底、緩沖層、N型DBR(分布布拉格反射鏡)、有源區(qū)、氧化限制層、P型DBR、蓋層和P面電極；P面電極放置在蓋層的頂面上，并且電連接到蓋層，N面電極位于襯底的背面，并且電連接到襯底； 由于面發(fā)射半導(dǎo)體激光器在有源區(qū)兩側(cè)的N型DBR和P型DBR材料結(jié)構(gòu)是一致的，這種對稱性的結(jié)構(gòu)會使得器件工作時內(nèi)部光場強(qiáng)度在P型DBR和N型DBR具有相近的分布形式。 而P型DBR具有較高的摻雜濃度，產(chǎn)生大的光學(xué)損耗和較多的熱量，使得激光器的轉(zhuǎn)換效率受到限制。降低摻雜濃度可以在一定程度上減小P型DBR的光學(xué)損耗，然而這會引起器件串聯(lián)電阻的增加，內(nèi)腔接觸式的面發(fā)射半導(dǎo)體激光器可以有效提高器件的轉(zhuǎn)換效率，然而其應(yīng)用局限于小口徑的面發(fā)射激光器，并且制作工藝復(fù)雜，對設(shè)備精度要求高。因而迫切需要一種簡單實用的方法來有效提高垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的轉(zhuǎn)換效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是解決現(xiàn)有的垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器光場在P型DBR —側(cè)的高損耗、激光器的轉(zhuǎn)換效率受到限制的問題。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供高效率非對稱光場分布的垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，該激光器由下至上依次為N面電極、N型襯底、N型緩沖層、N型分段DBR、有源區(qū)、氧化限制層、P型分段DBR、P型蓋層和P面電極；所述P面電極放置在P型蓋層的頂面上且電連接到P型蓋層，所述N面電極位于N型襯底的背面且電連接到N型襯底，所述有源區(qū)位于 N型分段DBR與P型分段DBR之間，有源區(qū)內(nèi)引入增益介質(zhì)層，所述N型分段DBR和P型分段DBR采用分段結(jié)構(gòu)，N型分段DBR的高、低折射率材料層交替周期性分布，在靠近有源區(qū)的前六至八對N型DBR的高、低折射率材料對的折射率差小于后面的N型DBR的高、低折射率材料對的折射率差；P型分段DBR的高、低折射率材料層交替周期性分布，在靠近有源區(qū)的前六至八對P型DBR的高、低折射率材料對的折射率差大于后面的P型DBR的高、低折射率材料對的折射率差。本發(fā)明有益效果本發(fā)明面發(fā)射半導(dǎo)體激光器N型分段DBR和P型分段DBR采用分段式結(jié)構(gòu)，它利用靠近有源區(qū)的前六至八對DBR對整個器件內(nèi)部的光場分布情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得工作時器件的內(nèi)部光場向N型分段DBR —側(cè)偏離，P型分段DBR —側(cè)的光場強(qiáng)度比普通的面發(fā)射半導(dǎo)體激光器要小，因此可有效改善激光器內(nèi)部光學(xué)損耗以及P型分段DBR 的自產(chǎn)熱效應(yīng)。通過設(shè)計有源區(qū)的光學(xué)厚度為λ/2的整數(shù)倍(λ為出光波長)，多量子阱增益材料處在有源區(qū)中心，使得有源區(qū)處在光場強(qiáng)度最大處，可以使得光場獲得最大的光增益，提高轉(zhuǎn)換效率。這種激光器制作工藝簡單，可適用于各種結(jié)構(gòu)的面發(fā)射激光器件。相比于傳統(tǒng)面發(fā)射激光器利用內(nèi)腔接觸等復(fù)雜工藝方法制作的高效率面發(fā)射激光器來說，它僅僅對有源區(qū)兩側(cè)的六至八對DBR結(jié)構(gòu)做一下改進(jìn)即可有效提高器件的工作性能；還可在有源區(qū)引入多個周期性增益結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高器件的輸出功率；有源區(qū)兩側(cè)的前六至八對 DBR可以采用三元材料AlGaAs，或者多元材料InAlGaAs或者AlGaInP，材料設(shè)計靈活性大， 有利于針對不同工作指標(biāo)進(jìn)行分析優(yōu)化，可減小內(nèi)部產(chǎn)熱，降低閾值電流，提高轉(zhuǎn)換效率。 總之，這種非對稱光場分布的面發(fā)射半導(dǎo)體激光器具有內(nèi)部損耗小，電光轉(zhuǎn)換效率高，熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在高效率大功率垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。


圖I為本發(fā)明的高效率非對稱光場分布垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的低損耗高效率垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)折射率分布示意圖；圖3(a)、3(b)、3(c)為實施實例I的折射率分布，內(nèi)部光場分布，功率-電流曲線示意圖；圖4為是實施實例2的折射率分布示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖I所示，本發(fā)明提供高效率非對稱光場分布垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，該激光器由下至上依次為N面電極9、N型襯底I、N型緩沖層2、N型分段DBR3、有源區(qū)4、氧化限制層5、P型分段DBR 6、P型蓋層7、P面電極8。P面電極8在P型蓋層7的頂面上， 并且電連接到P型蓋層7，N面電極9位于N型襯底I的背面，并且電連接到N型襯底I ;有源區(qū)4位于N型分段DBR3與氧化限制層5之間；N型分段DBR3采用N型摻雜多層高、低折射率材料周期分布的布拉格反射鏡，且采用分段結(jié)構(gòu)；P型分段DBR6采用P型摻雜多層高、 低折射率材料周期分布的布拉格反射鏡，且采用分段結(jié)構(gòu)。如圖2所示，為本發(fā)明的高效率非對稱光場垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的折射率分布圖。N型分段DBR3由N型摻雜的高、低折射率層周期性排列組成；P型分段DBR6由P 型摻雜的高、低折射率層周期性排列組成。每個周期包含一高折射率層、一低折射率層，高、 低折射率層的光學(xué)厚度分別等于出射波長的1/4 ;靠近有源區(qū)的前6-8對N型DBR3a與后面的N型DBR3b的材料組成不同，組成前6-8對N型DBR3a的周期性材料折射率差比組成后面的N型DBR3b的周期性材料折射率差??；靠近有源區(qū)的前6-8對P型DBR6a與后面的 P型DBR6b的材料組成不同，組成前6-8對P型DBR6a的周期性材料折射率差比組成后面的P型DBR6b的周期性材料折射率差大。有源區(qū)4位于N型分段DBR3與P型分段DBR6之間，它的光學(xué)厚度為二分之一出光波長的整數(shù)倍，增益介質(zhì)層4a —般處于有源區(qū)4內(nèi)部，它位于整個激光器光場強(qiáng)度分布最大處。N型襯底I可為N型高摻雜的任何常用的III-V族化合物，比如GaAs和InP等，用于在其上外延生長激光器各層材料。由于外延層材料需與襯底晶格匹配或近似匹配，因此襯底的選擇取決于設(shè)計的激射波長，本發(fā)明主要采用N型高摻雜GaAs襯底。N型緩沖層2生長在N型襯底I上，為N型高摻雜材料，通常選擇與N型襯底I相同的材料。本發(fā)明中采用GaAs襯底，緩沖層選擇N型高摻雜的GaAs，其目的是有效的掩埋襯底的缺陷，形成高質(zhì)量的外延表面，以利于其它各層材料的生長。N型分段DBR 3生長在N型緩沖層2上，它由m對N型摻雜的高折射率材料層和低折射率材料層周期性排列組成，每層材料帶隙寬度均大于有源層帶隙寬度。在本發(fā)明中采用GaAs材料N型襯底I的情形下，N型分段DBR 3高折射率材料層和低折射率材料層選擇不同鋁組分的三元材料AlGaAs或多元材料InAlGaAs、AlGaInP等，高折射率材料鋁組分低于低折射率材料。且靠近有源區(qū)4的前6-8對N型DBR 3a所選取的高折射率材料層與低折射率材料層跟后面的N型DBR3b不一樣，折射率差較小。N型分段DBR 3的高、低折射率層的周期對數(shù)、每層的厚度和組分需精心設(shè)計，使其中心波長為所需的出光波長，靠近有源區(qū)部分的各層材料不摻雜或低摻雜以減小光吸收損耗。有源區(qū)4生長在N型分段DBR 3上，位于N型DBR 3與氧化限制層5之間，通常不摻雜或低摻雜。增益介質(zhì)4a位于有源區(qū)4中，其帶隙對應(yīng)于所希望的發(fā)光波長，可以為單層或多層量子阱(QWs)、量子點(QDs)、量子線等，其目的在于作為激光器的增益區(qū)，在電注入時產(chǎn)生激光并提供足夠的光增益。另外可以設(shè)計成多發(fā)光區(qū)周期性增益介質(zhì)結(jié)構(gòu)，在有源區(qū)內(nèi)部駐波場分布的幾個波峰位置插入增益介質(zhì)形成多發(fā)光區(qū)，以提高輸出功率。在本發(fā)明中采用GaAs材料N型襯底I的情形下，增益介質(zhì)主要采用InGaAs/GaAsP應(yīng)變量子阱材料。氧化限制層5生長在有源區(qū)4之上，氧化層材料采用高Al組分的Ala98Gaatl2As,厚度為幾十納米，氧化深度為30 μ m左右。這樣就可以有效的限制載流子的擴(kuò)散，降低閾值電流。P型分段結(jié)構(gòu)DBR 6生長在氧化限制層5上。它由η對P型摻雜的高、低折射率材料周期性排列構(gòu)成，選擇不同招組分的三元材料AlGaAs或多元材料InAlGaAs、AlGaInP 等，各層材料的晶格常數(shù)與N型襯底I及下面的生長材料相近，并且材料的帶隙寬度要大于有源區(qū)增益介質(zhì)的帶隙寬度，摻雜P型雜質(zhì)。本發(fā)明中靠近有源區(qū)4的前6-8對P型DBR 6a與后面的P型DBR6b不同。前6_8對P型DBR6a處的DBR材料折射率差要比后面的P 型DBR6b處的大，以使得P型分段DBR 6內(nèi)部的駐波場強(qiáng)度得到有效降低。而后面的P型 DBR6b處的DBR材料與后面的N型DBR3b處的DBR材料類型相一致。P型蓋層7生長在P型分段DBR 6上，通常選擇與N型襯底I相同的材料，重?fù)诫s P型雜質(zhì)，以利于歐姆接觸。在本發(fā)明中采用GaAs襯底的情形下，P型蓋層選擇P型重?fù)?GaAs材料。金屬電極由多層金屬依次堆疊制成，通常P面電極8采用鈦-鉬-金(Ti-Pt-Au) 材料或者鈦-金(Ti-Au)材料，N面電極9采用金-鍺-鎳(Au-Ge-Ni)材料。實施例I如圖3(a)、3(b)、3(c)所示，為一種頂發(fā)射的非對稱光場分布垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的折射率分布、駐波場分布及輸出功率與注入電流關(guān)系。該結(jié)構(gòu)中N型分段DBR3 總的周期性材料對數(shù)為33對，P型分段DBR6總的周期性材料對數(shù)為22對?？拷性磪^(qū)的前6對N型DBR和P型DBR分別采用低折射率差和高折射率差周期性材料。從圖3 (b)中器件內(nèi)部光場強(qiáng)度分布可以看出，本發(fā)明中面發(fā)射激光器內(nèi)部駐波場在N型分段DBR3 —側(cè)的分布比P型分段DBR6中要強(qiáng)，即光場向N型分段DBR3 —側(cè)偏移，因此，相比傳統(tǒng)的對稱光場分布式的垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，本發(fā)明減小了 P型分段DBR6對光場的吸收，從圖3(c)可以看出，相比于傳統(tǒng)的對稱式DBR結(jié)構(gòu)，在相同的注入電流下，非對稱光場分布的面發(fā)射半導(dǎo)體激光器具有更高的輸出功率，而閾值電流并沒有增加，因此，器件轉(zhuǎn)換效率得到了有效的提高，我們模擬的出光口徑為IOym的該結(jié)構(gòu)器件，將對稱形式的激光器結(jié)構(gòu)改為非對稱結(jié)構(gòu)后，其轉(zhuǎn)換效率提高了 10%。實施例2如圖4所示，與實施例I相比，該結(jié)構(gòu)中有源區(qū)4內(nèi)引入多個周期性增益介質(zhì)結(jié)構(gòu) 4a、4b和4c，這種結(jié)構(gòu)可以使得光場在內(nèi)部震蕩時獲得大的增益，從而得到高的輸出功率。 該結(jié)構(gòu)的特點為有源區(qū)4厚度很大，駐波場在有源區(qū)4內(nèi)部有多個震蕩峰，在各個相應(yīng)的峰值位置處插入增益介質(zhì)，提高了增益介質(zhì)層對注入電流的利用效率，并且整個結(jié)構(gòu)的光增益大大增強(qiáng)，從而進(jìn)一步提高出光功率。
權(quán)利要求
1.高效率非對稱光場分布垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，該激光器由下至上依次為N面電極(9)、N型襯底⑴、N型緩沖層(2)、N型分段DBR(3)、有源區(qū)(4)、氧化限制層(5)、P 型分段DBR(6)、P型蓋層(7)和P面電極⑶；所述P面電極⑶放置在P型蓋層(7)的頂面上且電連接到P型蓋層(7)，所述N面電極(9)位于N型襯底(I)的背面且電連接到N型襯底(1)，所述有源區(qū)⑷位于N型分段DBR(3)與P型分段DBR(6)之間，有源區(qū)⑷內(nèi)引入增益介質(zhì)層(4a)，其特征在于，所述N型分段DBR(3)和P型分段DBR(6)采用分段結(jié)構(gòu)， N型分段DBR(3)的高、低折射率材料層交替周期性分布，在靠近有源區(qū)(4)的前六至八對N 型DBR(3a)的高、低折射率材料對的折射率差小于后面的N型DBR(3b)的高、低折射率材料對的折射率差；P型分段DBR(6)的高、低折射率材料層交替周期性分布，在靠近有源區(qū)(4) 的前六至八對P型DBR(6a)的高、低折射率材料對的折射率差大于后面的P型DBR(6b)的高、低折射率材料對的折射率差。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高效率非對稱光場分布垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其特征在于，所述有源區(qū)(4)光學(xué)厚度為出射波長λ/2的整數(shù)倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高效率非對稱光場分布垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其特征在于，所述有源區(qū)(4)引入多個周期性增益結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高效率非對稱光場分布垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其特征在于，所述增益介質(zhì)層(4a)為單層量子阱、多層量子阱、量子點或量子線。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高效率非對稱光場分布垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其特征在于，所述N型襯底(I)采用N型高摻雜的GaAs或InP #型緩沖層(2)選擇N型高摻雜的GaAs或InP ；N型分段DBR(3)的高折射率層和低折射率層選擇不同鋁組分的三元材料 AlGaAs或多元材料，P型分段DBR(6)的高折射率層和低折射率層選擇不同鋁組分的三元材料AlGaAs或多元材料；氧化限制層(5)選擇高鋁組分AlGaAs材料；P型蓋層(7)選擇P型重?fù)诫sGaAs或InP材料。
全文摘要
高效率非對稱光場分布垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，屬于半導(dǎo)體激光器技術(shù)領(lǐng)域，為解決現(xiàn)有的垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器光場在P型DBR一側(cè)的高損耗、激光器的轉(zhuǎn)換效率受到限制的問題，本發(fā)明提供高效率非對稱光場分布的垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，該激光器由下至上依次為N面電極、N型襯底、N型緩沖層、N型分段DBR、有源區(qū)、氧化限制層、P型分段DBR、P型蓋層和P面電極；所述N型分段DBR在靠近有源區(qū)的前6-8對N型DBR的高、低折射率材料對的折射率差小于后面的高、低折射率材料對的折射率差；P型分段DBR在靠近有源區(qū)的前6-8對P型DBR的高、低折射率材料對的折射率差大于后面的高、低折射率材料對的折射率差。本發(fā)明電光轉(zhuǎn)換效率高具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號H01S5/323GK102611000SQ201210079120
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月23日
發(fā)明者劉云, 寧永強(qiáng), 張建偉, 曾玉剛, 王立軍, 秦莉 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所