专利名称：半导体激光二极管发光单元及器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及微电子与光学技术领域，尤其涉及一种大功率的半导体激光二极管发 光单元和半导体激光二极管器件。
背景技术：
现有技术中，808nm大功率半导体激光二极管阵列(High Power Laser Diode Array，简称HP LDA)考虑到其光电特性的影响，波导厚度一般在几十个纳米左右。在实现本发明的过程中，发明人意识到现有技术存在如下技术缺陷较薄的波导 层使得808-HP LDA在恶劣工作环境下的可靠性相对较弱。可靠性较弱主要体现在光灾变 损伤(Catastrophic Optical Damage，简称COD)阈值较低，可容忍的额定电流波动不大； 而808-HP LDA的工作寿命会由于COD的发生而显著降低。
发明内容
(一 )要解决的技术问题为解决上述缺陷，本发明提供了一种半导体激光二极管发光单元和器件，以提高 半导体激光二极管器件的COD阈值。( 二 )技术方案根据本发明的一个方面，提供了一种半导体激光二极管发光单元。该发光单元输 出激光的功率大于0. 2W，其结构自下往上包括第一限制层、第一波导层、量子阱层、第二 波导层和第二限制层，其中第一限制层和第二限制层，用于形成PN结进行载流子输入；第 一波导层和第二波导层的厚度均介于400 600nm之间，用于形成激光传输的通路；量子阱 层，用于作为有源区产生激光。优选地，本发明发光单元中，第一限制层、第一波导层、量子阱层、第二波导层和第 二限制层为在衬底上依次外延生长的薄膜层。优选地，本发明发光单元中，构成第一波导层和第二波导层的材料为III-V族半 导体化合物。优选地，本发明发光单元中，第一限制层为N型限制层，第二限制层为P型限制层， N型限制层和P型限制层的厚度均介于1 2 μ m之间，其材料为III-V族半导体化合物，构 成N型限制层和P型限制层的III-V族半导体化合物的禁带宽度大于构成第一波导层和第 二波导层的III-V族半导体化合物的禁带宽度。优选地，本发明发光单元中，构成第一波导层和第二波导层的材料为铝镓砷，构成 N型限制层和P型限制层的材料为铝镓砷，其中，构成第一波导层和第二波导层的铝镓砷中 铝镓摩尔比小于构成N型限制层和P型限制层的铝镓砷中铝镓摩尔比。优选地，本发明发光单元中，量子阱层的厚度为5 50nm，其材料为铝镓铟砷。优选地，本发明发光单元中，构成第一波导层和第二波导层的铝镓砷中，Al Ga =0.35 0.65 ；构成N型限制层和P型限制层的铝镓砷中，铝镓的摩尔比为Al Ga =0. 55 0. 45。优选地，本发明发光单元中，发光单元输出激光的波长为808nm，第一波导层和第 二波导层的厚度均为540nm，N型限制层和P型限制层的厚度均为1. 5 μ m，量子阱层的厚度 为 IOnm0根据本发明的另一个方面，提供了一种半导体激光二极管发光器件。该器件包括 上文中的半导体激光二极管发光单元。优选地，本发明发光器件中，各发光单元的宽度为80 140μπι，发光单元的填充 密度介于15% 25%之间。(三)有益效果本发明通过采用厚波导层的半导体激光二极管结构，能够有效地提高激光二极管 的COD阈值，同时考虑到不以牺牲器件的其他光电特性为代价，合理的优化波导层的厚度。
图1为本发明实施例半导体激光二极管发光单元的结构示意图；图2为本发明实施例半导体激光二极管发光器件的结构示意图；图3为不同波导层厚度的LDA器件的COD阈值情况。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种的半导体激光二极管发光单元。该 发光单元输出激光的功率大于0. 2W。图1为本发明实施例半导体激光二极管发光单元的 结构示意图。如图1所示，发光单元的结构自下往上包括第一限制层、第一波导层、量子阱 层、第二波导层和第二限制层，其中第一限制层和第二限制层，用于形成PN结进行载流子 输入；第一波导层和第二波导层的厚度均介于400 600nm之间，用于形成激光传输的通 路；量子阱层，用于作为有源区产生激光。优选地，第一限制层、第一波导层、量子阱层、第二 波导层和第二限制层为在衬底上依次外延生长的薄膜层。本实施例发光单元中，通过增加发光单元中波导层的厚度，形成厚波导层(较常 规波导层厚的波导层，业内也成为宽波导层)，能够有效地提高半导体激光二极管的COD阈 值。该发光单元的输出激光波长介于650 900nm之间，其功率大于0. 2W，优选的为大于 0. 5W，最优的，大于1W。在本发明进一步的实施例中，构成第一波导层和第二波导层的材料为铝镓砷。第 一限制层为N型限制层，第二限制层为P型限制层，N型限制层和P型限制层的厚度均介于 1 2μπι之间，其材料为铝镓砷。并且构成第一波导层和第二波导层的铝镓砷中铝镓摩尔 比小于构成N型限制层和P型限制层的铝镓砷中铝镓摩尔比。量子阱层的厚度为5 50nm， 其材料为铝镓铟砷。本发明以铝镓砷材料为例进行说明，实际上，构成波导层和限制层的材 料也可以为其他的III-V族半导体化合物，只要其满足以下条件即可构成限制层的III-V 族半导体化合物的禁带宽度大于构成波导层的III-V族半导体化合物的禁带宽度。在本发明的一个具体的实施例中，发光单元输出激光的波长为808nm，第一波导层和第二波导层的厚度均为M0nm，N型限制层和P型限制层的厚度均为1. 5 μ m，量子阱层的 厚度为lOnm。构成第一波导层和第二波导层的铝镓砷中，Al Ga = 0. 35 0.65;构成N 型限制层和P型限制层的铝镓砷中，铝镓的摩尔比为Al Ga = 0. 55 0. 45。该结构的半 导体激光二极管发光单元表现出良好的综合光学特性，将在下文中进行说明。综上所述，为了提高808-HP LDA的器件特性和可靠性，提高激光二极管的COD阈 值，本发明在808-HP LDA的外延结构中引入了一个特殊的波导层，该波导层比常规波导层 要厚，称之为厚波导层。激光二极管的外延结构如图1所示，其中Wwe > 400nm。根据本发明的另一个方面，还提供了一种半导体激光二极管发光器件。该发光器 件包括若干个上文提到的半导体激光二极管发光单元。优选地，该发光器件中，发光单元的 宽度为80 140 μ m，各半导体激光二极管发光单元以沟槽隔离，沟槽的深度至发光单元的 下波导层，发光单元的填充密度介于15% 25%之间。图2为本发明实施例半导体激光二极管发光器件的结构示意图。该发光器件的 制备过程可以包括首先沉积二维的如图1所示的外延结构；然后，对该结构进行等离子刻 蚀，刻蚀出如图2所示的沟槽，用于隔离不同的发光单元，其中沟槽的深度优选为至图1所 示的下波导层。以下将以20W808-HP LDA器件为例，进行了实验分析。进行分析的样本器 件基本参数为发光单元的宽度为100 μ m，阵列条宽1cm，发光单元19个，填充密度20%， 腔长1500 μ m,标准CS封装。图3为不同波导层厚度的LDA器件的COD阈值情况。从图中可以看出，随着波导 层厚度的增加，COD阈值逐渐增大；但是，波导厚度小于400nm，C0D阈值提高不明显，而波导 厚度大于540nm时，COD阈值开始随着厚度的增加出现饱和现象。表1为不同厚度波导结构的20W 808-HP LDA器件(CS封装)的特性参数。表1中 比较了波导层厚度大于400nm时，激光器的其他特性参数。表1中显示阈值电流随着波导 的厚度增加而增大，斜率电阻也会因为波导的增厚而略微变大；但是，厚波导层结构的斜率 效率和电光转换效率与窄波导结构的相比，都一些明显的提高，而其他特性参数变化不是 很大。仔细比较^Onm和590nm厚度的波导结构，其器件的工作效率基本接近，但是590nm 的阈值电流却比MOnm的大。一般来说，较厚的波导层对外延生长也是一个挑战。因此，综 合比较激光器的特性参数，约MOnm厚的厚波导层结构是一个较为合理的选择对于本发明实施例采用MOnm的厚波导层的半导体激光二极管发光器件1)与窄 波导比较，有效提高了 20W 808-HP LDA器件的COD阈值，COD阈值提高了约75% ；2)在维 持其他特性参数变化不大的情况下，斜率效率和电光转换效率都有所提高；幻这个厚度尽 可能降低了生长厚波导层时引入的外延质量问题，从而影响到器件的最终特性。表1不同厚度波导结构的20W 808-HP LDA器件的特性参数
权利要求
1.一种半导体激光二极管发光单元，其特征在于，该发光单元输出激光的功率大于 0. 2W，其结构自下往上包括第一限制层、第一波导层、量子阱层、第二波导层和第二限制 层，其中所述第一限制层和第二限制层，用于形成PN结进行载流子输入；所述第一波导层和第二波导层的厚度均介于400 600nm之间，用于形成激光传输的 通路；所述量子阱层，用于作为有源区产生激光。
2.根据权利要求1所述的发光单元，其特征在于，所述第一限制层、第一波导层、量子 阱层、第二波导层和第二限制层为在衬底上依次外延生长的薄膜层。
3.根据权利要求2所述的发光单元，其特征在于，构成所述第一波导层和第二波导层 的材料为III-V族半导体化合物。
4.根据权利要求3所述的发光单元，其特征在于，所述第一限制层为N型限制层，所述 第二限制层为P型限制层，所述N型限制层和所述P型限制层的厚度均介于1 2μπι之间， 其材料为III-V族半导体化合物，构成所述N型限制层和所述P型限制层的III-V族半导 体化合物的禁带宽度大于构成所述第一波导层和第二波导层的III-V族半导体化合物的 禁带宽度。
5.根据权利要求4所述的发光单元，其特征在于，构成所述第一波导层和第二波导层 的材料为铝镓砷，构成所述N型限制层和所述P型限制层的材料为铝镓砷，其中，构成所述第一波导层和第二波导层的铝镓砷中铝镓摩尔比小于构成所述N型限制层 和所述P型限制层的铝镓砷中铝镓摩尔比。
6.根据权利要求5所述的发光单元，其特征在于，所述量子阱层的厚度为5 50nm，其 材料为铝镓铟砷。
7.根据权利要求6所述的发光单元，其特征在于，构成所述第一波导层和第二波导层 的铝镓砷中，Al Ga = 0. 35 0. 65 ；构成所述N型限制层和所述P型限制层的铝镓砷中， 铝镓的摩尔比为Al Ga = O. 55 0.45。
8.根据权利要求6所述的发光单元，其特征在于，所述发光单元输出激光的波长为 808nm，所述第一波导层和第二波导层的厚度均为MOnm，所述N型限制层和所述P型限制层 的厚度均为1.5 μ m，所述量子阱层的厚度为10nm。
9.一种半导体激光二极管发光器件，其特征在于，该器件包括若干个权利要求1-8中 任一项所述的半导体激光二极管发光单元，各半导体激光二极管发光单元以沟槽隔离。
10.根据权利要求9所述的发光器件，其特征在于，该发光器件中，各发光单元的宽度 为80 140 μ m，发光单元的填充密度介于15% 25%之间。
全文摘要
本发明公开了一种半导体激光二极管发光单元及器件。该发光单元输出激光的功率大于0.2W，其结构自下往上包括第一限制层、第一波导层、量子阱层、第二波导层和第二限制层，其中第一限制层和第二限制层，用于形成PN结进行载流子输入；第一波导层和第二波导层的厚度均介于400～600nm之间，用于形成激光传输的通路；量子阱层，用于作为有源区产生激光。本发明通过增加发光单元中波导层的厚度，能够有效地提高半导体激光二极管的COD阈值。
文档编号H01S5/343GK102130423SQ20111003377
公开日2011年7月20日 申请日期2011年1月31日 优先权日2011年1月31日
发明者熊聪, 王俊, 郑凯, 马骁宇 申请人:中国科学院半导体研究所