專利名稱：帶有非吸收窗口的大功率半導(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)體激光器設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種帶有非吸收窗口的大功率半導(dǎo)體激光器。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光器以其波長選擇范圍廣、體積小、功耗小、效率高、繼承性好、成本低等優(yōu)點成為最重要的半導(dǎo)體光電子器件之一。其中大功率半導(dǎo)體激光器在激光存儲、激光顯示、激光打印、材料加工、激光打標(biāo)、生物醫(yī)學(xué)、醫(yī)療器械、空間光通信等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，同時在軍事領(lǐng)域它也可應(yīng)用于激光打靶、激光制導(dǎo)、激光夜視、激光雷達(dá)、激光引信、激光武器、戰(zhàn)爭模擬等。大功率半導(dǎo)體激光器技術(shù)涵蓋了幾乎所有光電子領(lǐng)域，研制高性能大功率激光器需要從激光器外延片結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料生長、器件制作、腔面光學(xué)鍍膜、器件封裝、光束整形與耦合等多方面協(xié)調(diào)合作，但無疑半導(dǎo)體激光器外延片和芯片的制作是最核心技術(shù)。
隨著實際應(yīng)用的不斷拓展，對大功率半導(dǎo)體激光器的性能參數(shù)要求也不斷提高，同時高的輸出功率、長的器件壽命也促進(jìn)著大功率半導(dǎo)體激光器在工業(yè)技術(shù)和國防安全中更為廣泛的使用。但是隨著要求更大的工作電流和輸出功率，普通結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器其電流-功率特性常會出現(xiàn)光學(xué)災(zāi)變損傷、扭折、熱飽和、快速退化等不良現(xiàn)象，激光器的光輸出功率、壽命和可靠性常常受到限制。光學(xué)災(zāi)變損傷是限制大功率半導(dǎo)體激光器輸出功率的主要原因之一，當(dāng)半導(dǎo)體激光器的輸出功率超過某個臨界值時，光學(xué)災(zāi)變損傷就會發(fā)生并導(dǎo)致激光器的腔面融化和快速重結(jié)晶，而且對激光器工作效率的影響是瞬間的、嚴(yán)重的、完全破壞性的。光學(xué)災(zāi)變損傷屬于不可恢復(fù)性損傷，一旦出現(xiàn)了光學(xué)災(zāi)變損傷，整個器件都將完全失效。除了可通過改進(jìn)材料生長技術(shù)、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計、器件制作工藝等手段來提高半導(dǎo)體激光器的發(fā)光特性和功率特性外，還可采用量子阱混雜技術(shù)改變激光器腔面附近區(qū)域的結(jié)構(gòu)和特性來改善其最大光學(xué)災(zāi)變損傷輸出功率。采用量子阱混雜技術(shù)或材料結(jié)構(gòu)的無序化可改變腔面附近的材料帶隙，在大功率激光器腔面附近制作成非吸收窗口來減少腔面處的光吸收，有效改善輸出功率，或是消除光學(xué)災(zāi)變損傷效應(yīng)而產(chǎn)生器件熱飽和這種非致命性損傷。現(xiàn)有技術(shù)利用雜質(zhì)擴散誘導(dǎo)量子阱混雜技術(shù)制作的非吸收窗口雖然集中于激光器兩端的腔面處，其結(jié)構(gòu)主要是長方體形，該結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，制作方便，但由于量子阱混雜時引入的雜質(zhì)吸收能級分布比較均勻，而基模激光光斑能量分布則呈高斯分布，具有一定的不均勻性，因此會對光斑中心區(qū)域外造成額外的光吸收，從而降低激光器的輸出功率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種帶有非吸收窗口的大功率半導(dǎo)體激光器，解決了現(xiàn)有技術(shù)中由于量子阱混雜時引入的雜質(zhì)吸收能級分布比較均勻，會對光斑中心區(qū)域外造成額外的光吸收，從而降低激光器的輸出功率的問題。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種帶有非吸收窗口的大功率半導(dǎo)體激光器，非吸收窗口位于激光器的脊型或者條形上方，且非吸收窗口分布在激光器腔面兩端，呈半柱形結(jié)構(gòu)分布，其平面部分即為激光器的出光腔面，其弧面部分位于激光器的腔長內(nèi)部；非吸收窗口的深度應(yīng)超過激光器有源區(qū)的上波導(dǎo)層。本發(fā)明的有益效果是，I)由于非吸收窗口區(qū)域的禁帶寬度變寬，該區(qū)域相對激光器內(nèi)部的輸出光幾乎不吸收，這將大大增加激光器的光學(xué)災(zāi)變損傷閾值，有效提高半導(dǎo)體激光器的輸出功率。2)相比長方體結(jié)構(gòu)的非吸收窗口，本發(fā)明半柱形分布的非吸收窗口的雜質(zhì)吸收能級具有一定的不均勻性，這和基模激光光斑能量分布相吻合，不均勻分布還可以有效減小雜質(zhì)能級引起的光吸收。3)由于半柱形分布非吸收窗口形成的反波導(dǎo)作用，使得腔面處的光斑有一定擴散作用，這也會降低腔面的光場密度，提升激光器的最大輸出功率。4)非吸收窗口可采用量子阱混雜技術(shù)或者生長新材料制成，制作工藝簡單易行， 制作非吸收窗口后也不影響激光器的腔面鍍膜工藝，不會增加額外成本，具有規(guī)模化生產(chǎn)特征。


圖I為本發(fā)明實施例I的脊型波導(dǎo)670nm非吸收窗口的大功率半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實施例2的條形區(qū)域808nm非吸收窗口的大功率半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，I.襯底，2.緩沖層，3.下限制層，4.下波導(dǎo)層，5.量子阱和量子壘區(qū)，6.上波導(dǎo)層，7.上限制層，8.上接觸層，9.脊型波導(dǎo)，10.非吸收窗口，11.條形區(qū)域，12.平面部分，13.弧面部分。
具體實施例方式參照圖I、圖2，本發(fā)明的帶有非吸收窗口的大功率半導(dǎo)體激光器，非吸收窗口 10位于激光器的脊型或者條形上方，且非吸收窗口 10分布在激光器腔面兩端，呈半柱形結(jié)構(gòu)分布，其平面部分即為激光器的出光腔面，其弧面部分位于激光器的腔長內(nèi)部；非吸收窗口的深度應(yīng)超過激光器有源區(qū)的上波導(dǎo)層；脊型波導(dǎo)激光器結(jié)構(gòu)中，非吸收窗口的直徑大于等于I微米、且小于20微米；或者，在條形激光器結(jié)構(gòu)中，非吸收窗口的直徑大于等于3微米、且小于900微米。非吸收窗口區(qū)域?qū)?yīng)的折射率小于激光器有源區(qū)發(fā)光區(qū)域，非吸收窗口在激光器的出光腔面處形成了禁帶寬度變寬的兩個半柱形區(qū)域，非吸收窗口區(qū)域?qū)?yīng)的禁帶寬度大于激光器有源區(qū)發(fā)光區(qū)域。實施例I參照圖I，為本發(fā)明實施例I的670nm非吸收窗口的大功率半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖，非吸收窗口 10分布在激光器外延片結(jié)構(gòu)的上表面，外延片截面結(jié)構(gòu)是，從下到上依次設(shè)置有襯底I、外延生長的緩沖層2、下限制層3、下波導(dǎo)層4、量子阱和量子壘區(qū)5、上波導(dǎo)層6、上限制層7和上接觸層8，上接觸層8的縱向中心線上設(shè)置有脊型波導(dǎo)9和半柱形的非吸收窗口 10，非吸收窗口 10包括半柱形的平面部分12和半柱形的弧面部分13，平面部分12用于充當(dāng)激光器的出光面，弧面部分13作為非吸收區(qū)域和正常區(qū)域的界面；非吸收窗口 10的中心區(qū)域和脊型波導(dǎo)9中心區(qū)域重合，非吸收窗口 10的直徑為脊型波導(dǎo)9寬度的2倍，非吸收窗口 10的深度依次穿過上接觸層8、上限制層7、上波導(dǎo)層6、量子阱和量子壘區(qū)5和下波導(dǎo)層4。半柱形結(jié)構(gòu)的非吸收窗口 10選用雜質(zhì)擴散誘導(dǎo)、無雜質(zhì)空位誘導(dǎo)、光吸收誘導(dǎo)、離子注入誘導(dǎo)或者低溫生長誘導(dǎo)等量子阱混雜技術(shù)來實現(xiàn)，這些方法都可實現(xiàn)。在本實施例I中，采用鋅擴散誘導(dǎo)量子阱混雜技術(shù)的方式來制作非吸收窗口。在制作非吸收窗口之前，首先選取N型砷化鎵作為襯底1 ，采用金屬有機化學(xué)氣相沉積法生長砷化鎵緩沖層2、鋁銦磷下限制層3、鋁鎵銦磷下波導(dǎo)層4、鋁鎵銦磷\鎵銦磷量子阱和量子壘區(qū)5、鋁鎵銦磷上波導(dǎo)層6、鋁銦磷上限制層7、砷化鎵上接觸層8，經(jīng)過以上外延生長形成670nm大功率半導(dǎo)體激光器的外延片結(jié)構(gòu)。然后，利用閉管鋅擴散誘導(dǎo)量子阱混雜方式來形成非吸收窗口 10，包括以下步驟在激光器外延片上表面生長一層致密的氮氧硅介質(zhì)薄膜；利用光刻技術(shù)形成非吸收窗口 10的擴散區(qū)，用氫氟酸溶液腐蝕出擴散窗口 ；采用濕法腐蝕的方法去掉窗口區(qū)的砷化鎵上接觸層8，并控制好腐蝕深度；將外延片和砷化鋅擴散源放入石英管中，抽成真空后燒結(jié)密封；將石英管放入擴散爐內(nèi)，在高溫下進(jìn)行鋅擴散誘導(dǎo)量子阱混雜來改變非吸收窗口區(qū)域的禁帶寬度。非吸收窗口制作完成后腐蝕掉氮氧硅介質(zhì)薄膜，清洗好外延片，然后再按照常規(guī)的脊型波導(dǎo)半導(dǎo)體激光器的制作工藝流程來制作670nm非吸收窗口的大功率半導(dǎo)體激光器。后一工藝步驟中需要注意的是脊型波導(dǎo)制作中必須嚴(yán)格和非吸收窗口區(qū)域套刻對準(zhǔn)。實施例I中，整個半導(dǎo)體激光器尺寸為300微米寬、4微米厚、400微米長，其中的N型砷化鎵襯底I的厚度為10微米，外延生長的砷化鎵緩沖層2的厚度為10納米，鋁銦磷下限制層3的厚度為300納米，鋁鎵銦磷下波導(dǎo)層4的厚度為50納米，量子阱和量子壘區(qū)5為3個厚度8納米鎵銦磷量子阱和2個厚度8納米鋁鎵銦磷量子壘構(gòu)成，鋁鎵銦磷上波導(dǎo)層6的厚度為50納米，鋁銦磷上限制層7的厚度為300納米，砷化鎵上接觸層8的厚度為10納米。脊型波導(dǎo)9位于激光器中部，其寬度為3微米，長度為400微米。非吸收窗口 10位于激光器芯片腔面兩端，其中半柱形的平面部分12的直徑為6微米，中心深度為1550納米。本發(fā)明實施例I中的非吸收窗口，在激光器的出光腔面處形成了禁帶寬度變寬的兩個半柱形區(qū)域，該區(qū)域?qū)す馄鲀?nèi)部的輸出光幾乎不吸收，不均勻分布的非吸收窗口還可以有效減小雜質(zhì)能級引起的光吸收，同時該區(qū)域形成的反波導(dǎo)作用，使得腔面處的光斑有一定擴散作用，這也會降低腔面的光場密度。采用該結(jié)構(gòu)的非吸收窗口將大大增加激光器的光學(xué)災(zāi)變損傷閾值，有效提高激光器的輸出功率。實施例2參照圖2，為本發(fā)明實施例2的808nm非吸收窗口的大功率半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖，與實施例I不同的是，本實施例2的激光器為條形結(jié)構(gòu)，其條形區(qū)域的寬度為60微米。非吸收窗口 10分布在激光器外延片結(jié)構(gòu)的表面，所述的外延片結(jié)構(gòu)從下到上依次設(shè)置有襯底I、外延生長的緩沖層2、下限制層3、下波導(dǎo)層4、量子阱和量子壘區(qū)5、上波導(dǎo)層6、上限制層7和上接觸層8，上接觸層8的縱向中心線上設(shè)置有條形區(qū)域11和非吸收窗口 10，非吸收窗口 10包括半柱形的平面部分12和半柱形的弧面部分13，半柱形的平面部分12充當(dāng)激光器的出光面，半柱形的弧面部分13作為非吸收區(qū)域和正常區(qū)域的界面；非吸收窗口10的中心區(qū)域和條形區(qū)域11中心區(qū)域重合,非吸收窗口 10的直徑和條形區(qū)域11寬度相等，非吸收窗口 10的深度依次穿過上接觸層8、上限制層7、上波導(dǎo)層6、量子阱和量子壘區(qū)5和下波導(dǎo)層4。實施例2中的N型砷化鎵襯底I厚度為10微米，外延生長的砷化鎵緩沖層2厚度為10納米，鋁鎵砷下限制層3厚度為500納米，鋁鎵砷下波導(dǎo)層4厚度為70納米，量子阱和量子壘區(qū)5為I個厚度9納米鋁鎵銦砷量子阱和2個厚度4納米鋁鎵砷量子壘構(gòu)成，鋁鎵砷上波導(dǎo)層6厚度為70納米，鋁鎵砷上限制層7厚度為550納米，砷化鎵上接觸層8厚度為10納米。整個半導(dǎo)體激光器尺寸為600微米寬、4微米厚、900微米長。條形區(qū)域11位于激光器中部，其寬度為60微米,長度為900微米。非吸收窗口 10位于激光器芯片腔面兩端，其中半柱形的平面部分12的直徑為60微米，中心深度為1810納米。在實施例2中，非吸收窗口的制作工藝基本同實施例I，僅需要注意根據(jù)半導(dǎo)體激 光器芯片的材料結(jié)構(gòu)不同，改變閉管鋅擴散誘導(dǎo)量子阱混雜的工藝條件。上述兩個實施例的大功率半導(dǎo)體激光器均是在砷化鎵襯底材料上生長制作而成，該大功率半導(dǎo)體激光器的材料還可以選用砷化鎵系材料、磷化銦系材料、氮化鎵系材料或銻化鎵系材料，以及還可以選用有機半導(dǎo)體、納米材料或低維材料。本發(fā)明的非吸收窗口的大功率半導(dǎo)體激光器，由于非吸收窗口區(qū)域的禁帶寬度變寬，該區(qū)域相對激光器內(nèi)部的輸出光幾乎不吸收，這將大大增加激光器的光學(xué)災(zāi)變損傷閾值，有效提高激光器的輸出功率。同時，相比長方體結(jié)構(gòu)的非吸收窗口，這種半柱形分布的非吸收窗口的雜質(zhì)吸收能級具有一定的不均勻性，這和基模激光光斑能量分布相吻合，不均勻分布還可以有效減小雜質(zhì)能級引起的光吸收。此外，由于半柱形分布非吸收窗口形成的反波導(dǎo)作用，使得腔面處的光斑有一定擴散作用，這也會降低腔面的光場密度，提升激光器的最大輸出功率。最后，非吸收窗口可采用量子阱混雜技術(shù)或者生長新材料制成，制作工藝簡單易行，制作非吸收窗口后也不影響激光器的腔面鍍膜工藝，不會增加額外成本，具有規(guī)模化生產(chǎn)特征。
權(quán)利要求
1.一種帶有非吸收窗口的大功率半導(dǎo)體激光器，其特征在于非吸收窗口(10)位于激光器的脊型或者條形上方，且非吸收窗口( 10)分布在激光器腔面兩端，呈半柱形結(jié)構(gòu)，其平面部分即為激光器的出光腔面，其弧面部分位于激光器的腔長內(nèi)部；非吸收窗口的深度應(yīng)超過激光器有源區(qū)的上波導(dǎo)層。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的帶有非吸收窗口的大功率半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述的脊型波導(dǎo)激光器結(jié)構(gòu)中，非吸收窗口的直徑大于等于I微米、且小于20微米； 或者，在條形激光器結(jié)構(gòu)中，非吸收窗口的直徑大于等于3微米、且小于900微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的帶有非吸收窗口的大功率半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述的非吸收窗口(10)分布在激光器外延片結(jié)構(gòu)的上表面，外延片截面結(jié)構(gòu)是，從下到上依次設(shè)置有襯底(I)、外延生長的緩沖層(2)、下限制層(3)、下波導(dǎo)層(4)、量子阱和量子壘區(qū)(5)、上波導(dǎo)層(6)、上限制層(7)和上接觸層(8)，上接觸層(8)的縱向中心線上設(shè)置有脊型波導(dǎo)(9)和半柱形的非吸收窗口(10)，非吸收窗口(10)包括半柱形的平面部分(12)和半柱形的弧面部分(13);非吸收窗口(10)的中心區(qū)域和脊型波導(dǎo)(9)中心區(qū)域重合，非吸收窗口(10)的深度依次穿過上接觸層(8)、上限制層(7)、上波導(dǎo)層(6)、量子阱和量子壘區(qū)(5)和下波導(dǎo)層(4)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的帶有非吸收窗口的大功率半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述的半導(dǎo)體激光器為條形結(jié)構(gòu)，非吸收窗口( 10)分布在激光器外延片結(jié)構(gòu)的表面，所述的外延片結(jié)構(gòu)從下到上依次設(shè)置有襯底(I)、外延生長的緩沖層(2)、下限制層(3)、下波導(dǎo)層(4)、量子阱和量子壘區(qū)(5)、上波導(dǎo)層(6)、上限制層(7)和上接觸層(8)，上接觸層(8)的縱向中心線上設(shè)置有條形區(qū)域(11)和非吸收窗口(10)，非吸收窗口(10)包括半柱形的平面部分(12)和半柱形的弧面部分(13);非吸收窗口(10)的中心區(qū)域和條形區(qū)域(11)中心區(qū)域重合，非吸收窗口(10)的深度依次穿過上接觸層(8)、上限制層(7)、上波導(dǎo)層(6)、量子阱和量子壘區(qū)(5)和下波導(dǎo)層(4)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種帶有非吸收窗口的大功率半導(dǎo)體激光器，非吸收窗口位于激光器的脊型或者條形上方，且非吸收窗口分布在激光器腔面兩端，呈半柱形結(jié)構(gòu)分布，其平面部分即為激光器的出光腔面，其弧面部分位于激光器的腔長內(nèi)部；非吸收窗口的深度應(yīng)超過激光器有源區(qū)的上波導(dǎo)層；脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，非吸收窗口的直徑大于等于1微米、且小于20微米；或者條形激光器結(jié)構(gòu)中，非吸收窗口的直徑大于等于3微米、且小于900微米。本發(fā)明的激光器，大大增加激光器的光學(xué)災(zāi)變損傷閾值，有效提高激光器的輸出功率，有效減小雜質(zhì)能級引起的光吸收，提升激光器的最大輸出功率，工藝簡單易行，具有規(guī)模化生產(chǎn)特征。
文檔編號H01S5/34GK102891435SQ20121036176
公開日2013年1月23日 申請日期2012年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月25日
發(fā)明者林濤, 張浩卿, 馬新尖, 李超, 林楠 申請人:西安理工大學(xué)