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(zhǎng)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(diǎn)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(chǔ)、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(shí)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(zhēng)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(jì)、材料生長(zhǎng)、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(shí)際應(yīng)用的不斷拓展，對(duì)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(shí)高的輸出功率、長(zhǎng)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(guó)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(huì)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(gè)臨界值時(shí)，光學(xué)災(zāi)變損傷就會(huì)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(duì)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(gè)器件都將完全失效。除了可通過改進(jìn)材料生長(zhǎng)技術(shù)、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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?，F(xiàn)有技術(shù)利用雜質(zhì)擴(kuò)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(zhǎng)方體形，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，制作方便，但由于量子阱混雜時(shí)引入的雜質(zhì)吸收能級(jí)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(huì)對(duì)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(shí)引入的雜質(zhì)吸收能級(jí)分布比較均勻，會(huì)對(duì)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(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)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(jí)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(jí)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(kuò)散作用，這也會(huì)降低腔面的光場(chǎng)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(zhǎng)新材料制成，制作工藝簡(jiǎn)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(huì)增加額外成本，具有規(guī)?；a(chǎn)特征。


圖I為本發(fā)明實(shí)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(shí)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(shí)施例方式參照?qǐng)DI、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(zhǎng)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(gè)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(shí)施例I參照?qǐng)DI，為本發(fā)明實(shí)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(zhǎng)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(kuò)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(zhǎng)誘導(dǎo)等量子阱混雜技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，這些方法都可實(shí)現(xiàn)。在本實(shí)施例I中，采用鋅擴(kuò)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(jī)化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)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(zhǎng)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(kuò)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(zhǎng)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(kuò)散區(qū)，用氫氟酸溶液腐蝕出擴(kuò)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(kuò)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(kuò)散爐內(nèi)，在高溫下進(jìn)行鋅擴(kuò)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(duì)準(zhǔn)。實(shí)施例I中，整個(gè)半導(dǎo)體激光器尺寸為300微米寬、4微米厚、400微米長(zhǎng)，其中的N型砷化鎵襯底I的厚度為10微米，外延生長(zhǎng)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(gè)厚度8納米鎵銦磷量子阱和2個(gè)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(zhǎng)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(shí)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(gè)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(jí)引起的光吸收，同時(shí)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(kuò)散作用，這也會(huì)降低腔面的光場(chǎng)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(shí)施例2參照?qǐng)D2，為本發(fā)明實(shí)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(shí)施例I不同的是，本實(shí)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(zhǎng)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(shí)施例2中的N型砷化鎵襯底I厚度為10微米，外延生長(zhǎng)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(gè)厚度9納米鋁鎵銦砷量子阱和2個(gè)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(gè)半導(dǎo)體激光器尺寸為600微米寬、4微米厚、900微米長(zhǎng)。條形區(qū)域11位于激光器中部，其寬度為60微米,長(zhǎng)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(shí)施例2中，非吸收窗口的制作工藝基本同實(shí)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(kuò)散誘導(dǎo)量子阱混雜的工藝條件。上述兩個(gè)實(shí)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(zhǎng)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(jī)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(duì)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(shí)，相比長(zhǎng)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(jí)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(jí)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(kuò)散作用，這也會(huì)降低腔面的光場(chǎng)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(zhǎng)新材料制成，制作工藝簡(jiǎn)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(huì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(jí)引起的光吸收，提升激光器的最大輸出功率，工藝簡(jiǎn)單易行，具有規(guī)模化生產(chǎn)特征。
文檔編號(hào)H01S5/34GK102891435SQ20121036176
公開日2013年1月23日 申請(qǐng)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(qǐng)人:西安理工大學(xué)