一次外延生长双波长半导体激光器的制作方法

本发明属于半导体激光领域，尤其涉及一次外延生长双波长半导体激光器。

背景技术：

半导体激光器作为光电子领域的核心器件之一，具有尺寸小，易于集成等优点。在激光通信和泵浦源领域得到广泛应用。随着制备工艺的完善，半导体激光器的各向性能得到大幅度提升，其中具有较高集成效果可以实现两种波长激射的半导体激光器尤为引人关注。这种易于集成的半导体激光器可以实现双波长的激射，激射波长可自由选择，两种波长激射功率可以根据需要调整。其中，980nm和1064nm的激光可同时应用在医疗领域，利用不同的波长特性和功率实现激光切割手术、皮肤缝合手术等作用。双波长或多波长可应用在光通信领域、激光雷达、气体探测等方面，1064nm波长激光在军事领域尤为重要。其他方法实现双波长激射，往往需要二次外延过程，或者需要结合键合工艺进行处理，半导体键合工艺良品率比较低，受到的影响因素比较多，最简单如键合过程带来的污染问题，键合工艺对温度有较高的控制要求，热应力和应变的影响产生较多的缺陷。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种一次外延生长双波长半导体激光器，基于该激光器结构，可以实现单片集成双波长的激射。

为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：

一次外延生长双波长半导体激光器，包括泵浦光垂直腔、被激发垂直腔及GaAs衬底，泵浦垂直腔同时产生上下方向出光功率可调的激光，上方向出射的激光作为泵浦光进入被激发垂直腔中，光泵浦被激发垂直腔的激射，从而实现了集成垂直腔双波长激射，使得双波长激光从集成垂直腔的上下两个方向出射，所述集泵浦光垂直腔、被激发垂直腔均在GaAs衬底上通过一次外延生长完成。

作为一种优选，被激发垂直腔为1064nm的垂直腔。

作为一种优选，其中1064nm的垂直腔自上而下依次包括1064nm上DBR反射镜、1064nm 多量子阱有源区、1064nm下DBR反射镜，泵浦光源垂直腔自上而下依次包括泵浦光垂直腔的上DBR反射镜、泵浦光垂直腔的多量子阱有源区、泵浦光垂直腔的下DBR反射镜。

作为一种优选，泵浦光的波长满足1064nm下DBR的特定透射条件。

作为一种优选，泵浦光的波长为：980nm、958nm或936nm。

作为一种优选，泵浦光垂直腔的有源区采用InyGa1-yAs材料体系，其中0.1<y<0.25。

作为一种优选，泵浦光垂直腔、被激发垂直腔的DBR具有相同的材料体系 GaAs/AlxGa1-xAs，在同一种DBR结构中的Al组分保持一致，其中0.6<x<0.9。

作为一种优选，泵浦光垂直腔的有源区采用多量子阱结构，量子阱数目x，2<x<5。

作为一种优选，泵浦光的上DBR反射镜和泵浦光的下DBR反射镜的上下反射率大于 99.5％，为了实现泵浦光的上、下DBR反射镜的反射率相同，泵浦光的上、下DBR反射镜的数目一致，以达到出光功率相等。

作为一种优选，泵浦光的上DBR反射镜和泵浦光的下DBR反射镜的上下反射率大于 99.5％，为了实现泵浦光的上DBR反射率大于泵浦光的下DBR反射镜反射率，泵浦光的上 DBR反射镜的数目大于泵浦光的下DBR反射镜数目，以达到上方向出光功率小于下方向。

作为一种优选，泵浦光的上DBR反射镜和泵浦光的下DBR反射镜的上下反射率大于 99.5％，为了实现泵浦光的上DBR反射率小于泵浦光的下DBR反射镜反射率，泵浦光的上 DBR反射镜的数目小于泵浦光的下DBR反射镜数目，以达到上方向出光功率大于下方向。

作为一种优选，1064nm的垂直腔的下DBR反射镜的反射率大于99.9％，1064nm垂直腔的上DBR反射镜反射率大于99.5％。

作为一种优选，1064nm多量子阱有源区采用InxGa1-xAs材料体系，其中0.30<x<0.32。

作为一种优选，1064nm多量子阱有源区采用多量子阱结构，量子阱数目,x，2<x<5。

作为一种优选，泵浦光垂直腔的P型电极镀在1064nm下DBR反射镜上，并对1064nm 下DBR反射镜进行P型掺杂。

与现有技术相比，本发明有益的技术效果为：

针对泵浦光垂直腔和1064nm的集成垂直腔结构，通过泵浦驱动的泵浦光垂直腔结构，对于确定的1064nm垂直腔结构，选择特定的波长的光作为泵浦光源，优化设计泵浦光垂直腔的上下DBR参数实现上下出光功率可控，针对不同波长的泵浦光源，需要设计不同的DBR 周期、厚度等参数。实现出光功率的可控性，上方向光源进入到1064nm垂直腔中，作为泵浦光实现1064nm的激射出光，且由于1064nm下DBR的全反作用，1064nm波长的出光方向向上。

本方案采用一次外延生长过程即可实现完整结构，降低制作难度，提高器件的成品率。其中一种波长是通过光泵浦产生激光，没有电流的注入，不会有较高的热量产生，且有较高的光束质量。光泵浦结构不需要进行PN型掺杂，提高了激光器外延晶体质量。

附图说明

图1为一类集成垂直腔双波长半导体激光器结构图。

图2为1064nm垂直腔的下DBR透射率。

图3为980nm垂直腔半导体激光器光谱图。

图4为980nm垂直腔半导体激光器的下DBR反射率。

图5为980nm上DBR与1064nm下DBR的整体反射率。

图6为980nm垂直腔半导体激光器上下出光功率和总功率。

图7为936nm垂直腔半导体激光器光谱图。

图8为936nm垂直腔的半导体激光器下DBR反射率图。

图9为936nm上DBR与1064nm下DBR整体反射率。

图10为936nm垂直腔半导体激光器上下出光功率和总功率图。

图11为模拟的泵浦光垂直腔与1064nm下DBR整体结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1所示，本实施例公开了一次外延生长双波长半导体激光器，自上而下依次包括 1064nm的垂直腔、集成泵浦光源垂直腔、GaAs衬底，其中1064nm的垂直腔自上而下依次包括1064nm上DBR反射镜1、1064nm的多量子阱有源区2、1064nm下DBR反射镜3，集成泵浦光源垂直腔自上而下依次包括泵浦光垂直腔的上DBR反射镜4、泵浦光垂直腔的多量子阱有源区5、泵浦光垂直腔的下DBR反射镜6。有源区量子阱的数目和组分含量有变化，采用的DBR为GaAs/AlxGa1-xAs材料体系，优化泵浦光垂直腔上下DBR的数目，改变上下 DBR的反射率，有效的提高出射功率，且上下出光功率比例可根据需要调整。

所述的一次外延生长双波长半导体激光器设计方案，采用MOCVD依次生长泵浦光垂直腔结构和1064nm垂直腔结构，且按照设计要求进行生长实验，例如掺杂浓度、分层厚度组分。由于两种垂直腔可以在GaAs衬底上通过一次外延生长形成，所以不需要键合工艺过程进行键合处理。由于上垂直腔采用光泵浦激射，所以1064nm垂直腔在生长的过程不需要进行掺杂，不需要镀电极，避免电流注入效应，采用刻蚀的方式可以实现如上图1所示结构，整个器件的下部分需要包括正负电极部分，因此需要将1064nm垂直腔结构的外部刻蚀去除，为了减小刻蚀深度，露出一定大小的台阶，以便在该部分镀正电极。将泵浦光垂直腔的P型电极镀在1064nm垂直腔的下DBR上，为此需要对该DBR进行P型掺杂，

露出1064nm垂直腔的下DBR部分，采用磁控溅射的方式镀电极，对于GaAs衬底采用减薄的方法减小厚度，降低电阻，提高出光效率。

为了使下垂直腔出射的光通过1064nm的下DBR反射镜，并进入到1064nm垂直腔的有源区中，采用的泵浦光波长需要满足特定值，如980nm、958nm、936nm。因为该波长的透射率大于70％。如图2所示。

以下公式为泵浦光和激发光功率计算公式。

Plaser＝(Ppump-Pth)ηdiff (1)

ηdiff＝ηoutηquantηabs (2)

Plaser为激射功率，Pth为阈值泵浦功率，Rtop是上DBR反射率，Rbot是下DBR反射率， Tloss是传输因子，ηabs是泵浦吸收系数，λpump是泵浦光波长，λlaser是激射光波长。当泵浦功率大于阈值泵浦功率，且泵浦波长小于激射波长，提供足够的跃迁能量时满足激射条件。

实施例一

本实施例中，泵浦光垂直腔、被激发垂直腔分别采用980nm垂直腔和1064nm垂直腔相结合的集成垂直腔结构，980nm的垂直腔包括两部分GaAs/Al0.9GaAs的DBR，AlGaAs间隔层，InGaAs/GaAs多量子有源区，氧化限制层。1064nm的垂直腔包括上下两部分 GaAs/Al0.9GaAs的DBR，AlGaAs间隔层，InGaAs/GaAs多量子有源区，为了使980nm的垂直腔上下方向同时出光，因此设计下DBR为22对，反射率为99.86％，考虑1064nm垂直腔的下DBR对于980nm光的反射影响，因此在利用Crosslight软件模拟时，将1064nm垂直腔的下DBR加到模拟结构中，如图11所示，优化980nm垂直腔的上DBR的数目，确定该DBR 数目为17对，使两种DBR整体反射率在99.57％,如图5所示，实现上下出光的效果，上下出光功率如图6所示。在驱动电流140mA时，上方向出光功率约为52mW。下方向出光功率约 17.4mW。其中上方向的52mW功率为进入到1064nm垂直腔有源区中的功率，用来泵浦 1064nm的垂直腔，产生出射方向向上的1064nm激射波长。

实施例二

本实施例中，泵浦光垂直腔、被激发垂直腔分别采用936nm垂直腔和1064nm垂直腔相结合的集成垂直腔结构，936nm的垂直腔包括两部分GaAs/Al0.9GaAs的DBR，AlGaAs间隔层，InGaAs/GaAs多量子有源区，氧化限制层。1064nm的垂直腔包括上下两部分 GaAs/Al0.9GaAs的DBR，间隔层，InGaAs/GaAs多量子有源区，针对不同波长的泵浦光源设计的DBR对数不同，为了使936nm垂直腔上下方向同时出光，因此下DBR数目设计为21 对，反射率为99.835％，并且考虑1064nm垂直腔的下DBR对于936nm的光的反射影响，在模拟时将1064nm垂直腔的下DBR也加入到模拟结构中，如图11所示。优化936nm上DBR 的数目，确定该DBR数目为19对，使两种DBR整体反射率在99.74％，如图9所示，可以产生上下出光的效果，上下出光功率如图10所示，在驱动电流150mA时，上方向出光功率约为52mW，下方向出光功率约13.5mW。其中上方向出光功率52mW为进入到1064nm垂直腔有源区中的功率，用来泵浦1064nm的垂直腔结构，产生出射方向向上的1064nm激射波长。

此以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应当视为本发明的保护范围。