一種具有耦合波導結構的GaAs基大功率激光器外延片及其制備方法技術

本發明專利技術提供一種具有耦合波導結構的GaAs基大功率激光器外延片及其制備方法。本發明專利技術外延片由下至上依次包括：襯底、緩沖層、N限制層、Al

【技術實現步驟摘要】
一種具有耦合波導結構的GaAs基大功率激光器外延片及其制備方法


[0001]本專利技術涉及一種具有耦合波導結構的GaAs基大功率激光器外延片及其制備方法，屬于光電子


技術介紹

[0002]半導體激光器具有質量輕、體積小、可靠性高、價格較低廉、壽命長等優點。近年來，隨著輸出功率的不斷提高，半導體激光器在越來越多的應用領域逐漸取代了傳統固體激光器和氣體激光器的主導地位。大功率半導體激光器是大多數高性能激光系統的泵浦源，其光電轉換效率較高、易于制造。以大功率半導體激光器為基礎的工業和軍事應用在全球范圍內迅猛發展，涵蓋了材料加工、通信、醫療、激光打印、激光顯示、自動化控制及軍事國防裝備等方面。盡管近年來半導體激光器輸出功率和光束質量均有大幅度的提升，但是隨著工業需求的提高，半導體激光器的輸出功率和光束質量仍需要進一步提升。
[0003]提升半導體激光器輸出功率有效手段之一就是優化外延結構，傳統的外延結構優化手段例如：優化P型波導層的厚度和摻雜梯度，可以起到提升輸出功率的作用，但是該方式會導致發散角變大，光束質量降低；采用窄波導結構，可以顯著降低光斑尺寸，提升光束質量，但是輸出功率較低；采用大光腔結構，該方式也是使用頻率最高的一種優化手段，減小了激光器的垂直發散角，優化了光束質量，功率也有所提升，但是容易引入高階模的激射，導致COD的產生，影響可靠性。
[0004]中國專利文獻CN111817137A提供了一種限制增強型GaN基深紫外激光器，自下往上依次是N型電極、襯底、N型下限制層、N型Al
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Ga1?
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N下波導層、有源區、P型Al
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Ga1?
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N上波導層、P型電子阻擋層、P型上限制層、P型GaN歐姆接觸層和P型電極；所述N型Al
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N下波導層和P型Al
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N上波導層均為Al組分漸變型，利用N型Al
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Ga1?
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N下波導層和P型Al
x
Ga1?
x
N上波導層中的Al組分漸變設計引導光場靠近有源區，降低光學損耗，增強量子阱對載流子的限制，抑制電子泄露，改善閾值和輸出功率。該專利中N型波導層Al組分由0.6漸變至0.5，P型波導層Al組分由0.5漸變至0.6，采用的是波導層整體漸變的方式，使得無法將光場進一步向N側偏移，導致光吸收較大，效率較低，并且該專利由于采用對稱結構，造成P側厚度較厚，串聯電阻變大，引起的廢熱過多，使器件的輸出功率、COD穩定性、使用壽命等參數較差。
[0005]中國專利文獻CN107732656A公開了一種低閾值小發散角半導體激光器外延結構，包括順次連接的襯底(1)、緩沖層(2)、n型下限制層(3)、n型下模式擴展層(4)、n型下低折射率層(5)、漸變下波導層(6)、下勢壘層(7)、有源層(8)、上勢壘層(9)、漸變上波導層(10)、p型上低折射率層(11)、p型上模式擴展層(12)、p型上限制層(13)和歐姆接觸層(14)；通過優化設計低折射率層(5)和(11)，以及模式擴展層(4)和(12)。通過上述方式，本專利技術設計了一種新型的外延結構，引入了低折射率層和模式擴展層來降低激光器垂直發散角，能夠獲得激光器小發散角，同時具有較小的閾值電流密度。該專利采用了N側和P側的對稱結構，且對稱結構由于P側的組分跟厚度與N側基本一致，使得其雖然通過波導層進行了光的擴展，但
是光場向N側進行偏移，這就無法解決P側空穴對光的吸收，導致的效率下降，并且由于P側的厚度較厚，串聯電阻較大，不僅電壓會較大，而且產生的多余廢熱會進一步降低器件的輸出功率、COD功率、老化壽命。
[0006]現如今大功率半導體激光器的需求越來越大，對功率和光束質量有更高的要求，尋找一種可以兼顧輸出功率和光束質量的外延結構至關重要。

技術實現思路

[0007]針對現有技術的不足，本專利技術提供了一種具有耦合波導結構的GaAs基大功率激光器外延片及其制備方法。
[0008]本專利技術的技術方案如下：
[0009]一種具有耦合波導結構的GaAs基大功率激光器外延片，由下至上依次包括：襯底、緩沖層、N限制層、Al
x2
Ga1?
x2
As低Al內置波導層、Al
x3
Ga1?
x3
As高Al內置波導層、Al
x4
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As第一Al組分漸變波導層、In
y1
Ga1?
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As量子阱層、Al
y2
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As第二Al組分漸變波導層、P限制層和歐姆接觸層。
[0010]根據本專利技術優選的，所述襯底為GaAs襯底。
[0011]根據本專利技術優選的，所述緩沖層為摻雜硅原子的GaAs材料，厚度為100
?
300nm，硅原子的摻雜濃度為2
×
10
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?5×
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18
個原子/cm3。優選的，緩沖層的厚度為300nm；硅原子的摻雜濃度為3
×
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18
個原子/cm3。
[0012]根據本專利技術優選的，所述N限制層為摻雜硅原子的Al
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Ga1?
x
1As材料，0.2≤x1≤0.4，厚度為1
?
1.8μm，硅原子的摻雜濃度為5
×
10
17
?2×
10
18
個原子/cm3。優選的，N限制層的厚度為1.5μm，x1＝0.3，硅原子的摻雜濃度為1
×
10
18
個原子/cm3。
[0013]根據本專利技術優選的，所述Al
x2
Ga1?
x2
As低Al內置波導層的厚度為0.1
?
0.2μm，0.1≤x2≤0.3，硅原子的摻雜濃度為5
×
10
17
?2×
10
18
個原子/cm3。優選的，所述Al
x2
Ga1?
x2
As低Al內置波導層的厚度為0.1μm，x2＝0.2，硅原子的摻雜濃度為1
×
10
18
個原子/cm3。
[0014]根據本專利技術優選的，所述Al
x3
Ga1?
x3
As高Al內置波導層的厚度為0.05
?
0.07μm，0.7≤x3≤0.9；優選的，所述Al
x3
Ga1?
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As高Al內置波導層的厚度為0.06μm，x3＝0.8。
[0015]根據本專利技術優選的，所述Al
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【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種具有耦合波導結構的GaAs基大功率激光器外延片，由下至上依次包括：襯底、緩沖層、N限制層、Al
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Ga1?
x2
As低Al內置波導層、Al
x3
Ga1?
x3
As高Al內置波導層、Al
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Ga1?
x4
As第一Al組分漸變波導層、In
y1
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As量子阱層、Al
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Ga1?
y2
As第二Al組分漸變波導層、P限制層和歐姆接觸層。2.如權利要求1所述的具有耦合波導結構的GaAs基大功率激光器外延片，其特征在于，包括以下條件中的一項或多項：i、所述襯底為GaAs襯底；ii、所述緩沖層為摻雜硅原子的GaAs材料，厚度為100
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300nm，硅原子的摻雜濃度為2
×
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?5×
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個原子/cm3；優選的，緩沖層的厚度為300nm；硅原子的摻雜濃度為3
×
10
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個原子/cm3；iii、所述N限制層為摻雜硅原子的Al
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Ga1?
x
1As材料，0.2≤x1≤0.4，厚度為1
?
1.8μm，硅原子的摻雜濃度為5
×
10
17
?2×
10
18
個原子/cm3；優選的，N限制層的厚度為1.5μm，x1＝0.3，硅原子的摻雜濃度為1
×
10
18
個原子/cm3。3.如權利要求1所述的具有耦合波導結構的GaAs基大功率激光器外延片，其特征在于，包括以下條件中的一項或多項：i、所述In
y1
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As量子阱層的厚度為5
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10nm，0.1≤y1≤0.2；優選的，所述In
y1
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As量子阱層的厚度為7nm，y1＝0.15；ii、所述P限制層為摻雜碳原子的Al
y3
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As材料，0.7≤y3≤0.9，厚度為1
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3μm，碳原子的摻雜濃度為1
×
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個原子/cm3；優選的，P限制層的厚度為1.5μm，y3＝0.8，碳原子的摻雜濃度為2
×
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18
個原子/cm3；iii、所述歐姆接觸層為摻雜碳原子的GaAs材料，厚度為100
?
300nm，碳原子的摻雜濃度為9
×
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?5×
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19
個原子/cm3；優選的，歐姆接觸層的厚度為300nm；硅原子的摻雜濃度為5
×
10
19
個原子/cm3。4.如權利要求1所述的具有耦合波導結構的GaAs基大功率激光器外延片，其特征在于，所述Al
x2
Ga1?
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As低Al內置波導層的厚度為0.1
?
0.2μm，0.1≤x2≤0.3，硅原子的摻雜濃度為5
×
10
17
?2×
10
18
個原子/cm3；優選的，所述Al
x2
Ga1?
x2
As低Al內置波導層的厚度為0.1μm，x2＝0.2，硅原子的摻雜濃度為1
×
10
18
個原子/cm3。5.如權利要求1所述的具有耦合波導結構的GaAs基大功率激光器外延片，其特征在于，所述Al
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Ga1?
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As高Al內置波導層的厚度為0.05
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0.07μm，0.7≤x3≤0.9；優選的，所述Al
x3
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As高Al內置波導層的厚度為0.06μm，x3＝0.8。6.如權利要求1所述的具有耦合波導結構的GaAs基大功率激光器外延片，其特征在于，所述Al
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As第一Al組分漸變波導層的厚度為0.1
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0.2μm，x4由0.7漸變至0.1；優選的，所述Al
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As第一Al組分漸變波導層的厚度為0.1μm，x4由0.6漸變至0.2。7.如權利要求1所述的具有耦合波導結構的GaAs基大功率激光器外延片，其特征在于...

【專利技術屬性】
技術研發人員：趙凱迪，朱振，張東東，
申請(專利權)人：山東華光光電子股份有限公司，
類型：發明
國別省市：