用于产生激光辐射的装置的制作方法

1.本发明涉及一种用于产生激光辐射的装置。


背景技术：

2.一般来讲，边缘发射激光二极管(二极管激光器)具有嵌入在半导体层中的有源层，这些半导体层由于其带隙、折射率和掺杂而彼此不同。有源层下面和上面的层尤其由于导电类型(n或p)而不同。除了保证将电子和空穴传输到有源层(在那里它们以受激方式重新结合并产生激光辐射)外，这些层还用于垂直地引导激光。与有源层相邻的层称为波导层，而与波导层相邻的层称为包覆层。通常，有源层的折射率大于波导层的折射率，而波导层的折射率大于包覆层的折射率[e.kapon(编辑):“semiconductor lasers i:fundamentals”,academic press 1998]。然而，其他构型也是可能的(例如，vertical arrow[h.wenzel等人:“high
‑
power diode lasers with small vertical beam divergence emitting at 808nm”,electronics letters,第37卷,(2001)]，光子能带晶体[m.v.maximum等人:“longitudinal photonic bandgap crystal laser diodes with ultra
‑
narrow vertical beam divergence”,proc.spie,第6115卷,(2006)])。
[0003]
边缘发射二极管激光器的外延生长的半导体层结构由大面积金属n触头和限定的金属p触头电接触。在两个触头之间施加电压，其方式使得电流在两个触头之间流动，由此将空穴和电子注入到有源层中。n触头的宽度通常与激光器芯片的宽度相同。根据期望的发射孔选择p触头的尺寸。由于p触头和有源层之间的电流路径的横向加宽，电泵浦表面总是比p触头宽。所谓的电流路径加宽首先且最主要发生在重掺杂接触层中，但也发生在下面的p掺杂层中。
[0004]
de102008014093a1公开了一种激光二极管，其适于产生具有减小的光束发散的激光辐射。
[0005]
然而，不利的是，由于窄的p触头导致高电阻和低热导率。另外，由于相对窄的p接触层，从外部施加的机械张力可能产生晶体缺陷。


技术实现要素：

[0006]
因此，本发明的目的是实现p触头的低电阻，而不管低光束发散度。
[0007]
根据本发明，这些目的通过权利要求1(装置)和权利要求12(方法)的特征来实现。本发明的有利构型包括在从属权利要求中。
[0008]
根据本发明的二极管激光器包括：第一n型功能层；金属n触头；有源层，该有源层适于产生电磁辐射并布置在第一功能层上；第二p型功能层，该第二p型功能层布置在有源层上，其中第二功能层包括第一p型层和第二p型层；金属p触头；电流阻挡层，该电流阻挡层布置在第一p型层和第二p型层之间；至少一个小平面，所述至少一个小平面用于沿第一轴线耦合出电磁辐射，其中第一功能层、有源层和第二功能层沿第二轴线堆叠，其中电流阻挡层沿第三轴线延伸，其中电流阻挡层具有至少一个开口，并且开口沿第三轴线的第一宽度
小于金属p触头沿第三轴线的第二宽度。
[0009]
本发明的思想是将电流阻挡层引入二极管激光器中，使得金属p触头的接触表面的尺寸和位于金属p触头下面的第二p型层的厚度可以增加。这样做的优点是，较大p接触表面可以显著降低电阻，而不会对光束特性产生负面影响，并且较厚的第二p型层可以允许更容易地减轻机械张力，这对激光器的使用寿命和光束质量有积极的影响。
[0010]
电流阻挡层优选地仅引入到第一p型层的部分区域中。
[0011]
第一n型功能层优选地包括n包覆层、n波导层和n接触层，甚至更优选地，第一n型功能层恰好由一个n包覆层、一个n波导层和一个n接触层组成。
[0012]
第一p型层优选地包括p波导层和p包覆层，甚至更优选地，第一p型层恰好由一个p波导层和一个p包覆层组成。
[0013]
第二p型层优选地包括p接触层，甚至更优选地，第二p型层恰好由一个p接触层组成。
[0014]
第一p型层的厚度优选地小于第二p型层的厚度。这是有利的，因为半导体层的机械张力因此可以被减轻。
[0015]
在优选实施方案中，电流阻挡层的开口沿第二轴线的投影与金属p触头完全重叠。这样做的优点是电流扩展减小，并且因此激光器变得更有效。
[0016]
根据本发明的另外的实施方案，电流阻挡层具有多个开口，其中开口沿第二轴线的投影与金属p触头完全重叠。这是有利的，因为光学激光束场的成形以及因此光束质量的改善可以通过调制电流密度以及因此调制有源层中注入的电荷载流子来实现。
[0017]
电流阻挡层中的所有开口优选地是等宽的。这防止了有源层中电流密度的不一致性，从而导致光束质量的附加优点。
[0018]
电流阻挡层的开口沿横向(第三)轴线的均匀分布是进一步优选的。这保证了尽可能完全地利用有源区。
[0019]
在根据本发明的另外的实施方案中，优选地提供至少两个有源层，所述至少两个有源层被配置为沿第二轴线彼此相距一定距离，并且其中提供至少两个电流阻挡层(也就是说，对于至少两个有源层，沿第二轴线彼此相距一定距离的至少两个电流阻挡层)。这使得可以将用于两个频率的二极管激光器或在相同电流下具有两倍输出功率的二极管激光器与电流阻挡层的优点相结合。在这种情况下，堆叠两个发射极。
[0020]
在根据本发明的另外的实施方案中，优选地提供至少两个有源层，所述至少两个有源层被配置为沿第二轴线彼此相距一定距离，其中仅提供一个电流阻挡层。该实施方案的优点是更简单的生产，因为只需要配置一个电流阻挡层。
[0021]
根据本发明的另外的实施方案，提供至少两个电流阻挡层，所述至少两个电流阻挡层沿第一轴线彼此相距一定距离。因此，进一步尽可能完全地利用有源区，并且改善了激光器的光束特性。
[0022]
在根据本发明的实施方案中，电流阻挡层的开口的宽度沿第一轴线变化。这里，激光束特性可以经由第一轴线改变。
[0023]
根据另外的实施方案，在小平面的区域中沿第一轴线提供电流阻挡层。
[0024]
金属p触头的第二宽度和电流阻挡层的开口的第一宽度之间的差异优选地大于1μm，甚至更优选地大于5μm，甚至更优选地大于20μm，甚至更优选地大于50μm。随着金属p触头
的第二宽度与电流阻挡层的开口的第一宽度之间的差异增大，由于较宽的金属p触头而实现了较低的电阻，并且散热变得更有效，其中同时防止了电流扩展。
[0025]
电流阻挡层的开口的第一宽度优选地大于0.5μm，更优选地大于2μm，更优选地大于5μm，更优选地大于10μm，更优选地大于30μm，更优选地大于50μm，更优选地大于100μm，更优选地大于200μm并且甚至更优选地大于400μm。由于电流阻挡层中的较大开口，电流被更有效地传导通过阻挡层，但不接受电流扩展。
[0026]
电流阻挡层的厚度优选地大于0.10μm，更优选地大于0.15μm，甚至更优选地大于0.20μm，甚至更优选地大于0.25μm，甚至更优选地大于0.30μm，甚至更优选地大于0.40μm，甚至更优选地大于0.50μm并且甚至更优选地大于1.00μm。由于较厚的电流阻挡层，导电性变得更具抵抗力。
[0027]
电流阻挡层与有源层的距离优选地小于1μm，更优选地小于0.5μm，更优地选小于0.2μm，更优选地小于0.1μm，甚至更优选地小于0.01μm。通过电流阻挡层距有源层的较小距离可以更好地防止电流扩展。
[0028]
第一p型层的厚度优选地小于5μm，更优选地小于2μm，更优选地小于1μm，更优选地小于0.5μm，更优选地小于0.2μm并且甚至更优选地小于0.1μm。通过第一p型层的更小的层厚度可以促进电流阻挡层的引入。
[0029]
第二p型层的厚度优选地大于0.05μm，更优选地大于0.1μm，更优选地大于0.5μm，更优选地大于1μm，甚至更优选地大于5μm。由于第二p型层的更大的层厚度，导致晶体缺陷的机械应力可以更好地减轻。
[0030]
第二p型层的厚度与第一p型层的厚度的商优选地大于0.1，更优选地大于0.2，更优选地大于1，更优选地大于2，甚至更优选地大于10。这产生的优点是在电流穿过电流阻挡层之后电流扩展被最小化。
[0031]
二极管激光器优选地被配置为边缘发射二极管激光器。二极管激光器优选地被配置为光学放大器。这导致激光二极管可以尽可能容易地构造的优点。
[0032]
优选提供承载衬底(例如，gaas、inp、gasb或gan)，在该承载衬底上构造所示的层结构。
[0033]
第一n型功能层优选地布置在有源层的面向承载衬底的一侧上，而第二p型功能层布置在有源层的背离承载衬底的一侧上。
[0034]
金属n触头优选地布置在承载衬底的背离第一n型功能层的一侧上。
[0035]
电流阻挡层优选地具有显著大于所用的层结构的比电阻(以下称为σ
c
，例σ
c
＝5.5
×
10
‑5ω
‑
cm2)的比电阻。电阻元件的比电阻优选地大于2σ
c
(例如，1.1
×
10
‑4ω
‑
cm2)，进一步优选地大于10σ
c
(例如，5.5
×
10
‑4ω
‑
cm2)，进一步优选地大于102σ
c
(例如，5.5
×
10
‑3ω
‑
cm2)，进一步优选地大于103σ
c
(例如，5.5
×
10
‑2ω
‑
cm2)，进一步优选地大于104σ
c
(例如，5.5
×
10
‑1ω
‑
cm2)，进一步优选地大于105σ
c
(例如，5.5ω
‑
cm2)，进一步优选地大于106σ
c
(例如，5.5
×
101ω
‑
cm2)，进一步优选地大于107σ
c
(例如，5.5
×
102ω
‑
cm2)，进一步优选地大于108σ
c
(例如，5.5
×
103ω
‑
cm2)，以及特别优选地大于109σ
c
(例如，5.5
×
104ω
‑
cm2)。
[0036]
在进一步优选的构型中，电流阻挡层的比电阻相对于所使用的层结构的比电阻的比率大于2，进一步优选地大于10，进一步优选地大于102，进一步优选地大于103，进一步优选地大于104，进一步优选地大于105，进一步优选地大于106，进一步优选地大于107，进一步
优选地大于108，并且特别优选地大于109。
[0037]
第一p型层和第二p型层优选地由不同材料组成。
[0038]
进一步优选地，电流阻挡层和第一p型层由相同的基材组成，其中电流阻挡层被配置为掺杂有外来原子。
[0039]
本发明的另一方面涉及一种用于生产激光二极管的方法。
[0040]
指示的用于生产激光二极管的方法包括以下方法步骤：配置第一n型功能层，配置适于产生电磁辐射且布置在第一功能层上的有源层，配置有源层上的第一p型层，将外来原子引入第一p型层中以便配置电流阻挡层，随后配置第一p型层上的第二p型层，配置第一n型功能层下的金属n触头以及配置第二p型层上的金属p触头，其中外来原子仅被引入到第一p型层的部分区域中，其中第一p型层的没有引入外来原子的部分区域的宽度小于金属p触头的宽度。
[0041]
在优选实施方案中，借助结构化掩模来引入外来原子，该掩模更优选地在引入外来原子之前配置在第一p型层上，并且在将外来原子引入第一p型层之后再次去除。这使得容易通过例如注入或扩散将外来原子引入到第一p型层中。
[0042]
优选地将硅、氧、铁或硒作为外来原子引入到第一p型层中，以便配置电流阻挡层。这产生了长期稳定且具有抵抗性的电流阻挡层。
[0043]
第一n型功能层、有源层、第一p型层和第二p型层优选地借助外延工艺来配置。
[0044]
在该方法中，第一p型层的厚度优选地被配置为小于第二p型层的厚度。
[0045]
在该方法中，电流阻挡层的厚度优选地被配置为大于0.10μm，更优选地大于0.15μm，甚至更优选地大于0.20μm，甚至更优选地大于0.25μm，甚至更优选地大于0.30μm，甚至更优选地大于0.40μm，甚至更优选地大于0.50μm并且甚至更优选地大于1.00μm。由于较厚的电流阻挡层，导电性变得更具抵抗力。
[0046]
较宽的金属p触头降低了电阻，从而导致激光器更有效的操作。在激光器的p底部安装期间的热耗散通过更大的接触表面而被附加地改善。较厚的第二p型层增大了从金属p触头到有源层的距离，并且因此允许小平面涂层和p底部安装的更大的公差。通过半导体层中的安装引入的机械张力经由较厚第二p型层得到更好的减轻，其结果是在有源层附近产生较少的晶体缺陷，这提高了使用寿命。较厚的第二p型层还对偏振度和热透镜的形式具有正面影响，并且因此对光束质量具有正面影响。
[0047]
除非在个别情况中另有说明，否则本技术案中所指示的本发明的各种实施方案及方面可有利地彼此组合。特别地，关于该方法的优选配置和实施方案的表示和描述可以相应地不断地转移到装置，反之亦然。
附图说明
[0048]
以下在示例性实施方案中参考相关联的附图解释本发明，其中：
[0049]
图1以示意性截面图示出了根据本发明的激光二极管，
[0050]
图2以示意性截面图示出了根据本发明的另一个激光二极管，
[0051]
图3a以示意性截面图示出了根据本发明的又一个激光二极管，
[0052]
图3b以示意性截面图示出了根据本发明的又一个激光二极管，
[0053]
图4示出了根据本发明的来自图1的激光二极管的顶视图的示意性表示，
[0054]
图5示出了根据本发明的来自图2的激光二极管的顶视图的示意性表示，
[0055]
图6示出了根据本发明的来自图1的激光二极管的变型的顶视图的示意性表示，
[0056]
图7示出了根据本发明的来自图1的激光二极管的又一变型的顶视图的示意性表示，并且
[0057]
图8示出了根据本发明的来自图1的激光二极管的又一变型的顶视图的示意性表示。
具体实施方式
[0058]
图1以示意性截面图示出了根据本发明的激光二极管的第一实施方案。激光二极管具有层构造，该层构造具有金属n型触头1，布置在金属n型触头上的第一n型功能层2(包括n型承载衬底)，布置在第一n型功能层上的有源层3，布置在有源层上的第一p型层4，电流阻挡层5，布置在电流阻挡层5上的第二p型层7和布置在第二p型层7上的金属p型触头8，其中在第一p型层4和第二p型层7之间配置边界表面6。在图1的实施方案中，电流阻挡层5被配置为第一p型层4的注入外来原子的部分，其中第一p型层4的未注入部分被配置为具有第一厚度h1，电流阻挡层5被配置为具有厚度d1，并且第二p型层7被配置为具有第二厚度h2。电流阻挡层5配置有具有第一宽度w1的开口，并且金属p触头被配置为具有第二宽度w2。金属n触头的宽度被配置为对应于激光二极管芯片的第三宽度w3。在该实施方案中，利用具有开口的电流阻挡层5来限制电流路径。电流从金属p触头8在有源层3的方向上流过电流阻挡层5的开口。电流阻挡层5抵消电流的扩展。这保证了可以利用宽的p触头8。由于电流扩展被抵消，第二p型层7也可以在它们的层厚度上扩展，而对电流扩展没有负面影响。
[0059]
在用于产生具有920nm波长的激光辐射的优选示例性实施方案中，有源层3例如优选地由in
y
ga1‑
y
as配置，其具有7nm的厚度和10％的in摩尔比例y。第一n型功能层2、第一p型层4、电流阻挡层5和第二p型层7由al
x
ga1‑
x
as产生。第一n型功能层2优选地由al在al
x
ga1‑
x
as中的摩尔比率x为35％且层厚度为1.5μm的n包覆层、层厚度为2.5μm的n波导层组成，其中在与n包覆层的边界处35％的al摩尔比例下降到在与有源层3的下边界处的20％。具有层厚度h3的第一p型层4由具有0.25μm的层厚度的p型波导层(其中在与有源层3的边界处20％的al摩尔比例增加到70％)和具有0.6μm的层厚度和70％的al摩尔比例的邻接p包覆层组成。具有1μm的厚度h2的第二p型层7中的al摩尔比例为0％。
[0060]
图2以示意性截面图示出了根据本发明的激光二极管的另一实施方案。在该实施方案中，作为示例，电流阻挡层5被配置为具有宽度为w11、w12、w13和w14的四个开口。这实现了电流密度的调制，并且因此实现了有源层中沿第三轴线x注入的电荷载流子的调制，其结果是光学激光束场被成形并且可以实现光束质量的改善。在优选实施方案中，电流屏蔽的开口的宽度w11、w12、w13和w14具有相同的尺寸，其结果是实现了沿第二轴线y的特别均匀的功率分布。
[0061]
图3a以示意性截面图示出了根据本发明的激光二极管的另一实施方案。在该实施方案中，激光二极管沿第二轴线y配置有两个堆叠的发射极a、b，其中为每个发射极配置电流阻挡层5a、5b。两个发射极优选地通过隧道二极管10彼此分离。在该实施方案中，通过恒定地利用电流阻挡层5a、5b以抵消电流的扩展，可以由触头1、8以相同的电流产生两倍的光输出。
[0062]
图3b以示意性截面图示出了根据本发明的激光二极管的另一实施方案。在具有沿第二轴线y堆叠的两个发射极a、b的激光二极管的该实施方案中，电流的扩展仅由最低发射极的电流阻挡层5a阻止。该实施方案相对于图3a的优点是生产更加简单，因为只需要配置一个电流阻挡层。
[0063]
图4示出了根据本发明的来自图1的激光二极管的顶视图的示意性表示。金属p触头8以透明的方式描绘为波形图案，以便不隐藏电流阻挡层5的下面的开口。在该实施方案中，电流阻挡层5具有开口。开口的宽度w1以不变的方式在第一轴线z的方向上延伸。
[0064]
图5示出了根据本发明的来自图2的激光二极管的顶视图的示意性表示。在该实施方案中，电流阻挡层5具有宽度为w11、w12、w13和w14的四个开口。开口的宽度w11、w12、w13、w14在第一轴线z的方向上保持恒定。在优选实施方案中，电流屏蔽的开口的宽度w11、w12、w13和w14具有相同的尺寸，其结果是实现了沿第二轴线y的特别均匀的功率分布。
[0065]
图6示出了根据本发明的来自图1的激光二极管的另外的实施方案的顶视图的示意性表示。在该实施方案中，六个电流阻挡层5沿第一轴线z彼此间隔距离l1、l2、l3、l4和l5。这些电流阻挡层中的每个电流阻挡层具有开口，这些开口具有相同的宽度w1并且相对于第三轴线x位于相同的位置。在优选实施方案中，电流阻挡层5的距离是等距的，即距离l1、l2、l3、l4和l5具有相同的尺寸。因此，实现了电流密度的周期性调制，并且因此实现了有源层中沿第一轴线z注入的电荷载流子的周期性调制，其结果是光学激光束场同样被周期性调制。这可以抑制宽条纹激光器中的成丝现象(filamentation)，从而提高光束质量。
[0066]
图7示出了根据本发明的来自图1的激光二极管的另外的实施方案的顶视图的示意性表示。在该实施方案中，存在具有开口的电流阻挡层5。开口在第三轴线x的方向上的宽度沿第一轴线z变化(从w1r到w1f)。这可用于沿第一轴线z改变光学功率密度。
[0067]
图8示出了根据本发明的来自图1的激光二极管的另外的实施方案的顶视图的示意性表示。在该实施方案中，电流阻挡层还沿着小平面21、22的区域以沿第一轴线z扩展lf和lr进行延伸。这会缩短激光器的使用寿命。
[0068]
附图标记列表
[0069]1ꢀꢀ
金属n触头
[0070]2ꢀꢀ
包括n型承载衬底的第一n型功能层
[0071]3ꢀꢀ
有源层
[0072]4ꢀꢀ
第一p型功能层
[0073]5ꢀꢀꢀꢀ
承载衬底
[0074]6ꢀꢀꢀꢀ
第一p型功能层和第二p型功能层之间的边界表面
[0075]7ꢀꢀꢀꢀ
第二p型功能层
[0076]8ꢀꢀꢀꢀ
金属p触头
[0077]
x
ꢀꢀꢀꢀ
第三轴线
[0078]
y
ꢀꢀꢀꢀ
第二轴线
[0079]
z
ꢀꢀꢀꢀ
第一轴线
[0080]
h1
ꢀꢀꢀ
电流阻挡层与有源层的距离(第一p型层的未注入部分的厚度)
[0081]
d1
ꢀꢀꢀ
电流阻挡层的厚度
[0082]
h2
ꢀꢀꢀ
第二p型层的厚度
[0083]
h3
ꢀꢀꢀ
第一p型层的厚度
[0084]
w1
ꢀꢀꢀ
电流阻挡层的开口的第一宽度
[0085]
w2
ꢀꢀꢀ
金属p触头的第二宽度
[0086]
w3
ꢀꢀꢀ
金属n触头的第三宽度
[0087]
w11
‑
w14
ꢀꢀ
电流阻挡层中的开口的宽度
[0088]
w1a
ꢀꢀ
第一电流阻挡层的开口的宽度
[0089]
w1b
ꢀꢀ
第二电流阻挡层的开口的宽度
[0090]
w1r
ꢀꢀ
第一小平面上的电流阻挡层的开口的宽度
[0091]
w1f
ꢀꢀ
第二小平面上的电流阻挡层的开口的宽度
[0092]
l
ꢀꢀꢀꢀꢀ
小平面的距离(谐振器的长度)
[0093]
l1
‑
l5 电流阻挡层的距离
[0094]
10
ꢀꢀꢀꢀ
隧道二极管
[0095]
21
ꢀꢀꢀꢀ
第一小平面
[0096]
22
ꢀꢀꢀꢀ
第二小平面
[0097]
2a
‑
7a 第一激光器的层
[0098]
2b
‑
7b 第二激光器的层