专利名称：带有倒v型耦合光波导小发散角半导体激光器结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种小发散半导体量子阱激光器结构，特别是一种带有倒V型耦合光 波导小发散角半导体激光器结构。
背景技术：
大功率半导体激光器广泛应用于泵浦固体激光器，激光加工，激光医疗，光纤通信 系统等领域。具有小垂直发散角的半导体激光器在激光泵浦、光纤耦合、光学存储以及光互 连等许多实际应用中有着十分重要的意义。尤其对于掺铒光纤放大器用980nm半导体激光 泵浦源，要求与单模光纤耦合，其小的光束发散角对于提高光纤耦合效率则显得更加重要。 但是对于传统的半导体激光器，由于发光面积狭长，在平行于结的方向为几十到数百微米， 而垂直于结方向只有10纳米到100纳米，它不仅会使端面出光功率密度高，而且由于垂直 于结方向的发光尺寸小于激射波长而产生衍射效应，导致半导体激光器垂直方向发散角很 大，通常垂直方向为35度-60度，而水平方向为8度-12度，水平和垂直方向不对称性不利 于器件光束的高效耦合，而且过大的垂直发散角对光束聚集、准直、整形以及与光纤的耦合 都有很大影响。在降低量子阱激光器垂直发散角方面，已经有许多研究者进行了相关的研究。他 们采用宽波导、大光腔等结构来减小激光器的垂直发散角，虽然这些方法可以将垂直方向 发散角降低到20度左右，但是在大功率情况下对于宽波导结构需要把波导层加厚到3 u m 左右，这在工艺实现上存在一定的困难。大光腔结构在减小发散角的同时引入了高阶模式 激射的因素，不能将垂直发散角继续减小，同时，这种结构的光限制因子因为光场的拓展而 减小，致使阈值电流密度上升。另外一些研究者通过极窄波导结构和非对称波导结构减小 半导体激光器近场光斑以得到小的垂直发散角，但这些设计结构都使阈值电流密度大大增 加，同时发光面积较一般半导体激光器更小，因而光强更加集中，对端面光功率密度过高引 起的端面光学灾变性毁坏(COD)只有加重没有改善。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带有倒V型耦合光波导小发散角半导体激光器结构， 它能将激光器有源区的光场适当地耦合到倒V型的低掺杂光波导区附近，扩展有源区的光 场，大大减小激光器垂直方向发散角，增加近场光斑的对称性，改善激光器的光束质量，提 高激光器与光纤的耦合效率；同时增加了垂直方向上的近场光斑尺寸，降低了端面的光功
率密度。为实现上述目的，本发明一种带有倒V型耦合光波导小发散角半导体激光器结 构，其特征在于，其中包括一衬底，该衬底用于在其上生长激光器各外延层材料；—缓冲层，该缓冲层制作在衬底上；一第一 N型下限制层，该第一 N型下限制层制作在缓冲层上；
一倒V型耦合光波导层，该倒V型耦合光波导层制作在第一 N型下限制层上；一第二 N型下限制层，该第二 N型下限制层制作在倒V型耦合光波导层上；一下波导层，该下波导层制作在第二 N型下限制层上；一有源区，该有源区制作在下波导层上；一上波导层，该上波导层制作在有源区上；一 P型上限制层，该P型上限制层制作在上波导层上；一过渡层，该过渡层制作在P型上限制层上；一电极接触层，该电极接触层制作在过渡层上。其中第一 N型下限制层和第二 N型下限制层为N型铝镓砷材料。其中倒V型耦合光波导层为N型铝镓砷材料。其中下波导层为N型铝镓砷材料。其中有源区为铟镓砷材料。其中上波导层为P型铝镓砷材料。其中P型上限制层为P型铝镓砷材料。其中有源区为量子阱结构。其中上波导层和下波导层为铝组分缓变的铝镓砷材料，产生的折射率缓变波导能 减小激光器的阈值电流和远场发散角。在第一 N型下限制层和第二 N型下限制层中间引入折射率呈倒V型分布的倒V 型耦合光波导层，将激光器有源区的光场耦合到倒V型耦合光波导层附近，扩展有源区的 光场，降低激光器的垂直发散角，增加了垂直方向上的近场光斑尺寸，降低端面的光功率密度。本发明所涉及的倒V型耦合光波导小发散角半导体激光器其上波导层和下波导 层为组分缓变的铝镓砷材料，适当的折射率缓变波导能减小激光器的阈值电流和远场发散 角，提高光束质量，在N型限制层或波导层中引入折射率分布呈倒V型的低掺杂光波导结 构，将激光器有源区的光场适当地耦合到倒V型的低掺杂光波导区附近，扩展有源区光场， 使垂直发散角得到有效降低，增加了垂直方向上的近场光斑尺寸，降低了端面的光功率密 度。
以下通过结合附图对具体实施例的详细描述，进一步说明本发明的结构、特点和 技术内容，其中图1为本发明提出的带有倒V型耦合光波导小发散角半导体激光器结构的外延生 长结构图。
具体实施例方式请参阅图1所示，本实施例一种带有倒V型耦合光波导小发散角半导体激光器的 结构包括-衬底1，该衬底1用于在其上进行激光器各层材料外延生长，衬底1是(100)面 的N型镓砷材料，这样有利于电子的注入，减小衬底材料的串联电阻；
-缓冲层2，该缓冲层2制作在衬底1上，为N型镓砷材料，其目的是形成高质量的 外延表面，减小衬底1与其它各层的应力，消除衬底1的缺陷，防止缺陷向其它各层传播，以 利于器件其它各层材料的生长；-第一N型下限制层3，该第一 N型下限制层3制作在缓冲层2上，为高掺杂的N 型铝镓砷材料，其目的是限制光场横模向缓冲层2和衬底1扩展，减小光的损耗，同时也限 制载流子的扩散，减小空穴漏电流，以降低器件的阈值电流，提高效率；-倒V型耦合光波导层4，该倒V型耦合光波导层4制作在第一N型下限制层3上， 为低掺杂的N型铝镓砷材料，该材料中铝组分是由高到低再由低到高的V型结构变化，因此 折射率呈现倒V型分布，它能将后叙的有源区7的光场适当地耦合到倒V型光波导层4附 近，扩展有源区7的光场，有效降低垂直发散角，增加垂直方向上近场光斑尺寸，降低端面 的光功率密度；-第二N型下限制层5，该第二 N型下限制层5制作在倒V型耦合光波导层4上， 为高掺杂的N型铝镓砷材料，其目的是限制光场横模向倒V型耦合光波导层4扩展，减小光 的损耗；-下波导层6，该下波导层6制作在第二N型下限制层5上，为低掺杂的N型铝镓 砷材料，其目的是加强对光场的限制，该材料中铝组分是缓变的，能减小激光器的阈值电流 和远场发散角，提高光束质量，采用低掺杂是为了减少该层对光的吸收损耗；-有源区7，该有源区7制作在下波导层6上，为非掺杂的铟镓砷材料，为量子阱结 构，其作用是作为激光器的有源层，提供足够的光增益，并决定器件的激射波长；-上波导层8，该上波导层8制作在有源区7上，为低掺杂的P型铝镓砷材料，其目 的是加强对光场的限制，该材料中铝组分是缓变的，能减小激光器的阈值电流和远场发散 角，提高光束质量，采用低掺杂是为了减少该层对光的吸收损耗；-P型上限制层9，该P型上限制层9制作在上波导层8上，为高掺杂的P型铝镓砷 材料，其优点在于有源区7与上波导层8和P型上限制层9之间能够形成较大的导带带阶， 能够有效阻碍导带电子向P型上限制层9的扩散和漂移，从而限制电子向该P型上限制层 9的扩散，减小电子漏电流，以降低器件的阈值电流，提高转换效率；-过渡层10，该过渡层10制作在P型上限制层9上，为高掺杂的P型镓砷材料，其 目的是为了减小P型上限制层9与后叙的电极接触层11的应力，实现从P型上限制层9与 电极接触层11的过渡；-电极接触层11，该电极接触层11制作在过渡层10上，为重掺杂的P型镓砷材料， 其目的是实现良好的欧姆接触，采用重掺杂是为了减小串联电阻，提高器件的转换效率。本发明提出的一种带有倒V型耦合光波导小发散角半导体激光器的结构，以低铝 组分的铝镓砷材料作为波导层，高铝组分的铝镓砷材料作为限制层，这样有源区与上波导 层和上限制层形成具有较大导带带阶的异质结，能够有效阻碍导带电子向上限制层的扩散 和漂移，从而减小器件的漏电流，提高激光器的注入效率。另外由于现有的铝镓砷材料系的 外延生长技术成熟，容易得到高质量的外延片，有助于激光器性能的提高。同时，本发明一种带有倒V型耦合光波导小发散角半导体激光器结构中，引入了 倒V型耦合光波导层，扩展了有源区光场，大大减小激光器垂直发散角，增加了垂直方向上 的近场光斑尺寸，降低了端面的光功率密度。而缓变波导层能减小激光器的阈值电流和远场发散角，因而能获得高质量小发散角的半导体激光器。 上述实施例仅是为了方便说明而举例而已，本发明所主张的权利范围自应以权利 要求范围所述为准，而非仅限于上述实施例。
权利要求
一种带有倒V型耦合光波导小发散角半导体激光器结构，其特征在于，其中包括一衬底，该衬底用于在其上生长激光器各外延层材料；一缓冲层，该缓冲层制作在衬底上；一第一N型下限制层，该第一N型下限制层制作在缓冲层上；一倒V型耦合光波导层，该倒V型耦合光波导层制作在第一N型下限制层上；一第二N型下限制层，该第二N型下限制层制作在倒V型耦合光波导层上；一下波导层，该下波导层制作在第二N型下限制层上；一有源区，该有源区制作在下波导层上；一上波导层，该上波导层制作在有源区上；一P型上限制层，该P型上限制层制作在上波导层上；一过渡层，该过渡层制作在P型上限制层上；一电极接触层，该电极接触层制作在过渡层上。
2.根据权利要求1所述的带有倒V型耦合光波导小发散角半导体激光器结构，其特征 在于，其中第一 N型下限制层和第二 N型下限制层为N型铝镓砷材料。
3.根据权利要求1所述的带有倒V型耦合光波导小发散角半导体激光器结构，其特征 在于，其中倒V型耦合光波导层为N型铝镓砷材料。
4.根据权利要求1所述的带有倒V型耦合光波导小发散角半导体激光器结构，其特征 在于，其中下波导层为N型铝镓砷材料。
5.根据权利要求1所述的带有倒V型耦合光波导小发散角半导体激光器结构，其特征 在于，其中有源区为铟镓砷材料。
6.根据权利要求1所述的带有倒V型耦合光波导小发散角半导体激光器结构，其特征 在于，其中上波导层为P型铝镓砷材料。
7.根据权利要求1所述的带有倒V型耦合光波导小发散角半导体激光器结构，其特征 在于，其中P型上限制层为P型铝镓砷材料。
8.根据权利要求1所述的带有倒V型耦合光波导小发散角半导体激光器结构，其特征 在于，其中有源区为量子阱结构。
9.根据权利要求1所述的带有倒V型耦合光波导小发散角半导体激光器结构，其特征 在于，其中上波导层和下波导层为铝组分缓变的铝镓砷材料，产生的折射率缓变波导能减 小激光器的阈值电流和远场发散角。
10.根据权利要求1或5所述的带有倒V型耦合光波导小发散角半导体激光器结构， 其特征在于，在第一 N型下限制层和第二 N型下限制层中间引入折射率呈倒V型分布的倒 V型耦合光波导层，将激光器有源区的光场耦合到倒V型耦合光波导层附近，扩展有源区的 光场，降低激光器的垂直发散角，增加了垂直方向上的近场光斑尺寸，降低端面的光功率密 度。
全文摘要
一种带有倒V型耦合光波导小发散角半导体激光器结构，其中包括一衬底，该衬底用于在其上生长激光器各外延层材料；一缓冲层，该缓冲层制作在衬底上；一第一N型下限制层，该第一N型下限制层制作在缓冲层上；一倒V型耦合光波导层，该倒V型耦合光波导层制作在第一N型下限制层上；一第二N型下限制层，该第二N型下限制层制作在倒V型耦合光波导层上；一下波导层，该下波导层制作在第二N型下限制层上；一有源区，该有源区制作在下波导层上；一上波导层，该上波导层制作在有源区上；一P型上限制层，该P型上限制层制作在上波导层上；一过渡层，该过渡层制作在P型上限制层上；一电极接触层，该电极接触层制作在过渡层上。
文档编号G02B6/12GK101841123SQ200910080070
公开日2010年9月22日 申请日期2009年3月18日 优先权日2009年3月18日
发明者刘素平, 崇锋, 熊聪, 王俊, 马骁宇 申请人:中国科学院半导体研究所