带内置光栅半导体激光器的制作方法

本发明属于激光器领域，具体涉及一种带内置光栅半导体激光器。

背景技术：

随着输出光功率的逐渐提高，808nm大功率半导体激光器在激光切割、激光焊接和激光熔覆改性等工业加工领域的应用日趋扩大。从应用方式上讲，半导体激光器在工业加工中的应用分为两类：第一类是直接将半导体激光器输出的激光作用于被加工材料，为了得到高的输出功率可以采用列阵条结构、列阵条堆叠的面阵结构或多个线阵合束整形的结构；第二类是将半导体激光器作为固体激光器泵浦源，从而解决半导体激光器固有的光谱特性和远场特性差的问题。采用808nm大功率半导体激光器泵浦的固体激光器具有泵浦效率高、可靠性好、小型化等优点，已经广泛应用于测距、照射、光电对抗等军事和民用领域。

目前常用的大功率半导体激光器为法布里-珀罗(F-P)结构，光谱半宽约为3nm，波长随温度漂移系数由材料增益峰随温度的漂移决定，约为0.3～0.5nm/℃。因此对于Nd:YAG激光器而言，如果采用(F-P)结构808nm激光器进行泵浦，则必须将激光二极管温度控制在约10℃的范围内，以保证泵浦波长位于晶体吸收峰内。为了实现严格的温度控制，需要采用循环水冷、半导体致冷器等主动散热方式，这将导致固体激光器系统具有较大的温控功耗，同时体积也难以减小，不适合工程应用系统小型化的发展趋势。

技术实现要素：

本发明提供一种带内置光栅半导体激光器，以解决目前激光器泵浦源波长随温度漂移系数较大，以及由此引起的功耗和体积较大的问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种内置光栅半导体激光器，包括由下至上依次设置的衬底、下包层、下波导层、有源层、上波导层、上包层和顶层，其中所述上波导层包括第一上波导层和第二上波导层，所述第一上波导层为所述有源层的上一层，所述第二上波导层为所述上包层的下一层，且所述第一上波导层与所述第二上波导层之间设置有光栅层。

在一种可选的实现方式中，所述有源层采用InGaAsP化合物材料制成，且所述有源层的厚度为组分In、Ga的摩尔分数依次为0～0.25、0.75～1，组分As、P的摩尔分数依次为0.7～0.9、0.1～0.3。

在另一种可选的实现方式中，所述第一上波导层、第二上波导层和下波导层都采用不掺杂的InGaP化合物材料制成，组分In、Ga的摩尔分数都依次为0.49和0.51，厚度都为0.2～0.4μm。

在另一种可选的实现方式中，所述第一上波导层、第二上波导层和下波导层的厚度都为0.4μm。

在另一种可选的实现方式中，所述上包层包括由下至上依次设置的第一上包层、第二上包层和第三上包层，其中所述第一上包层为所述第二波导层的上一层，所述第三上包层为所述顶层的下一层。

在另一种可选的实现方式中，所述第一上包层与所述第二上包层之间设置有第一过渡层，且所述第二上包层与所述第三上包层之间设置有第二过渡层。

在另一种可选的实现方式中，所述第一上包层、第三上包层和下包层都采用InGaAlP化合物材料制成，所述第二上包层采用GaAlAs化合物材料制成，所述第一上包层和所述下包层中组分In、Ga、Al的摩尔分数依次为0.5、0.25和0.25，所述第二上包层中组分Al的摩尔分数为0.85，所述第三上包层中组分In、Ga、Al的摩尔分数依次为0.5、0.45和0.05，所述第一上包层和第二上包层的厚度都为0.1μm，所述第三上包层和下包层的厚度都为1.25μm，所述第三上包层的带隙能量低于所述第一上包层。

在另一种可选的实现方式中，所述第一过渡层和所述第二过渡层都采用GaAlAs化合物材料制成，且组分Al的摩尔分数都为0.1，厚度都为

在另一种可选的实现方式中，所述顶层的掺杂浓度大于10¹⁹cm^-3，厚度为0.2μm。

在另一种可选的实现方式中，激光器的KL取值范围为0.2-0.3，其中K为0.0625/mm，L表示激光器腔长。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过在第一上波导层与第二上波导层之间设置光栅层，可以大大提高半导体激光器的光谱质量和温度稳定性，并且可以降低激光器的功耗和体积；

2、本发明通过采用无Al的InGaAsP化合物材料制作有源层，避免了含Al有源层因Al氧化造成的器件退化，从而提高了激光器的工作寿命，使激光器具有更高的可靠性；通过对有源层的厚度以及各个组分的摩尔分数取值进行设计，可以优化激光传递的效率，并且可以避免有源层过厚时造成制备材料的浪费；

3、本发明通过采用InGaP化合物材料制作波导层，可以避免对波导层和有源层进行掺杂，从而可以解决光吸收增加，电光转换降低的问题；通过使第一上波导层151、第二上波导层152和下波导层130都采用不掺杂的InGaP化合物材料制成，并使三者中组分In、Ga的摩尔分数都依次为0.49和0.51，三者的厚度都为0.2～0.4μm，由此可以保证有源层与波导层之间的能隙差ΔE_c适中，不仅可减少载流子的泄漏，从而提高量子效率和降低阈值，还可以避免造成有源层与波导层之间异质结晶格失配，形成更多的界面态，从而影响内量子效率η_i；

4、本发明通过使第一上波导层、第二上波导层和下波导层的厚度都为0.4μm，可以进一步有效提高激光输出功率，降低垂直发散角；

5、本发明通过采用与波导层InGaP具有很好的材料匹配性的InGaAlP作为包层，我们在两个InGaAlP包层间加入高含Al量的GaAlAs包层，形成三包层结构，以弥补InGaP和InGaAlP两种材料导带能量差较小，从而导致波导区的载流子泄漏的问题；

6、本发明通过在第一上包层与第二上包层之间，以及第二上包层与第三上包层之间分别加入由GaAlAs化合物制成的过渡层，可望减小不同材料的生长界面对器件性能产生的不利影响；

7、本发明通过使下包层的厚度为1.25μm，可以在保证载流子扩散的同时，减小下包层的热阻；通过使第一上包层的厚度为0.1μm，可以使第二上包层能相当接近波导区以有效限制载流子；通过使第二上包层的厚度为0.1μm，可以在提供有效的导带能量补偿的同时，防止其电阻过大；通过使第三上包层的带隙能量低于第一上包层，可以使第三上包层的Al组分含量低于第一上包层，热阻和串联电阻降低，从而可以保证第三上包层具有良好的热学、电学传导性，以将激光稳定输出至顶层；

8、本发明通过使第一过渡层和第二过渡层中组分Al的摩尔分数都为0.1，且厚度都为可以使第一上包层与第二上包层以及第二上包层与第一上包层的材料更加匹配，且过渡层的影响更小；

9、本发明通过使顶层的掺杂浓度大于10¹⁹cm^-3，厚度为0.2μm，可以提高激光器的工作性能；

10、本发明通过使激光器的KL取值范围为0.2-0.3，可以提高激光器的工作性能。

附图说明

图1是本发明内置光栅半导体激光器的一个实施例结构示意图；

图2是本发明KL取值为0.25时激光器光场分布的一个实施例示意图；

图3是本发明KL取值为1.5时激光器光场分布的另一个实施例示意图；

图4是本发明不同光栅层厚度与耦合系数的关系示意图；

图5是本发明内置光栅半导体激光器的管芯示意图；

图6是本发明内置光栅半导体激光器的P-I和电光转换效率曲线示意图；

图7是本发明内置光栅半导体激光器的光谱特性曲线。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参见图1，为本发明内置光栅半导体激光器的一个实施例结构示意图。该内置光栅半导体激光器可以包括由下至上依次设置的衬底110、下包层120、下波导层130、有源层140、上波导层150、上包层160和顶层170，其中所述上波导层150可以包括第一上波导层151和第二上波导层152，所述第一上波导层151为所述有源层140的上一层，所述第二上波导层152为所述上包层160的下一层，且所述第一上波导层151与所述第二上波导层152之间设置有光栅层180。

本实施例中，由于光栅具有选模特性，因此在第一上波导层与第二上波导层之间设置光栅层，可以使半导体激光器泵浦源的中心波长一致性获得提升；同时，由于光栅的周期和材料折射率随温度的变化非常小，因此采用光栅后半导体激光器泵浦源的波长随温度漂移系数将大大降低，本发明设计的内置光栅激光二极管泵浦源波长随温度漂移系数约为0.09nm/℃，光谱半宽约0.5nm，其光谱半宽不到(F-P)结构大功率激光器的1/4，而温度漂移系数也低于(F-P)结构大功率激光器的1/3。窄的光谱半宽和更好的波长稳定性，不但使泵浦系统的功耗和体积大幅度降低，而且也利于工程化应用适应性大幅度提高。由此可见，本发明通过在第一上波导层与第二上波导层之间设置光栅层，可以大大提高半导体激光器的光谱质量和温度稳定性，并且可以降低激光器的功耗和体积。

在设计有源层时，目前通常采用GaAlAs化合物材料制成有源层140，但是采用GaAlAs化合物材料制成有源层140具有以下几个缺点：GaAlAs的氧化使进一步的再生长和器件制作变得困难，高的生长温度不适于单片集成；暗线缺陷和断层的迁移，使器件性能退化。经研究发现，这些问题都是因有Al元素的存在。四元系的InGaAsP晶格与GaAs匹配，是一种非常诱人的GaAlAs/GaAs替代品。它们具有更高的可靠性，InGaAsP作为有源层，有效阻止了缺陷的形成，InGaAsP/GaAs激光器比GaAlAs/GaAs激光器的DLD(暗线缺陷)形成的功率阈值至少高1～2个数量级。由于InGaAsP比GaAlAs具有明显低的复合速率使激光器腔面温度明显降低，InGaAsP作为有源层的器件，其灾变损坏的功率密度至少是GaAlAs作有源层的器件的两倍。换句话说，用同样的几何结构，有源层采用InGaAsP制成的激光器的稳定工作功率是GaAlAs有源层的两倍，从而大大提高了激光器的腔面损伤阈值。由此可见，本发明通过采用无Al的InGaAsP化合物材料制作有源层，避免了含Al有源层因Al氧化造成的器件退化，从而提高了激光器的工作寿命，使激光器具有更高的可靠性。

此外，根据波长计算公式(1)、等效带隙E_eff计算公式(2)和线性插值法进行计算，有源层140的厚度可以取组分In、Ga的摩尔分数的取值范围分别为：0～0.25、0.75～1，组分As、P的摩尔分数的取值范围分别为：0.7～0.9、0.1～0.3，由于发射波长与有源层材料组分的摩尔分数和阱宽(即有源层厚度)相关联，波长一定，两者是一一对应的，本实施例中，取有源层140的厚度为可得组分In、Ga、As、P的摩尔分数分别为：0.14、0.86、0.78、0.22。需要注意的是：由于In和Ga为III族原子，As和P为V族原子，因此在计算组分的摩尔分数时，以同族原子为单位分别计算摩尔分数，例如III族原子In、Ga的摩尔分数分别为0.14、0.86，两者之和等于1。

波长计算公式：

λ＝hc/hv≈1.24/E_eff (1)

式中h为普朗克常数，c为真空中光速，ν为光子频率。

等效带隙E_eff计算公式：

式中E_g为In1-XGaXAsYP_1-Y体材料禁带宽度，是普郎克常数，m_e、m_hh分别为电子和空穴有效质量，d_W为阱层厚度。由此，本发明通过对有源层的厚度以及各个组分的摩尔分数取值进行设计，可以优化激光传递的效率，并且可以避免有源层过厚时造成制备材料的浪费。

在设计波导层时，从理论上讲，增大有源层140与波导层150之间的能隙差ΔE_c，可减少载流子的泄漏，从而提高量子效率和降低阈值，但过高的能隙差ΔE_c，势必造成有源区与波导区之间异质结晶格失配，形成更多的界面态，从而影响内量子效率η_i；此外，目前通常采用AIGaAs化合物材料制作波导层，但随着波导的加宽，会导致串联电阻和热阻增加，在宽波导结构中，往往采用波导掺杂的方式，但这会带来光吸收增加，电光转换降低的问题。经研究发现，InGaP较AIGaAs有更好的热学、电学传导性，其内损耗系数α_i可近似表示为：

α_i＝α_fcΓ+α_fc.x(1-Γ) (3)

式中Г为光场限制因子，α_fc为自由载流子吸收损耗，α_fc.x为阱层外的自由载流子吸收损耗。α_fc与初始载流子浓度N(对GaAs材料掺杂)有如下近似关系：

α_fc＝0.5×10^-17N (4)

当有源区掺杂浓度在10¹⁸cm^-3以下时，α_fc恒定不变为10cm^-1，而达到10¹⁸cm^-3时，吸收系数按(4)式随掺杂浓度增加。对α_fc.x具有上述与α_fc相同的关系，由于本发明中激光器采用量子阱结构，有源层140很薄，即便有源层140和波导层150不掺杂，向有源层中注入较少的电流也可以实现粒子数的反转。由此，本发明通过采用InGaP化合物材料制作波导层，可以避免对波导层和有源层进行掺杂，从而可以解决光吸收增加，电光转换降低的问题。

此外，本实施例中，第一上波导层151、第二上波导层152和下波导层130都采用不掺杂的InGaP化合物材料制成，且三者中组分In、Ga的摩尔分数都依次为0.49和0.51，三者的厚度都为0.2～0.4μm，由此可以保证有源层140与波导层150之间的能隙差ΔE_c适中，不仅可减少载流子的泄漏，从而提高量子效率和降低阈值，还可以避免造成有源层与波导层之间异质结晶格失配，形成更多的界面态，从而影响内量子效率η_i。在一种可选的实现方式中，第一上波导层151、第二上波导层152和下波导层130的厚度可以为0.4μm，由此可以有效提高激光输出功率，降低垂直发散角；该光栅层180可以位于第一波导层151与第二波导层152的正中间，由此可以便于材料生长时InGaP和GaAs之间的切换。

在设计包层时，为保证包层对光场有良好的限制以及防止载流子泄漏，必须保证包层与波导区有一个能隙差ΔE_c。研究发现，InGaAlP比GaAlAs更适合作为InGaP材料的包层，InGaAlP的Al组分摩尔分数低于0.3时为直接带隙材料，因此，比GaAlAs有更低的电阻，而高于0.3则为间接带隙，其电阻将明显增加，故，一般取值不超过0.3，但这又会使其与波导层的导带能量差较小，从而导致波导区的载流子泄漏，使量子效率和特征温度降低，本发明采用三个上包层以解决这个问题。本实施例中，上包层160包括由下至上依次设置的第一上包层161、第二上包层162和第三上包层163，其中所述第一上包层161为所述第二波导层152的上一层，所述第三上包层163为所述顶层170的下一层，且第一上包层161、第三上包层163和下包层120都可以采用InGaAlP化合物材料制成，所述第二上包层162可以采用GaAlAs化合物材料制成。

一般载流子扩散长度为1μm左右，所以包层不宜做得太厚；同时，减小包层厚度还可以减小热阻，因此，下包层120的厚度可以为1.25μm，组分In、Ga、Al的摩尔分数分别为0.5、0.25和0.25；第一上包层161与下包层120中组分In、Ga、Al的摩尔分数一样，厚度取0.1μm，这样使第二上包层162能相当接近波导区以有效限制载流子；第二上包层162的Al组分取0.85，这是为了能提供一个有效的导带能量补偿，但由于其电阻较大，我们取其厚度为0.1μm；第三上包层163的带隙能量低于第一上包层161，In、Ga、Al组分mol分数分别为0.5、0.45和0.05，厚度为1.25μm。本发明通过使第三上包层的带隙能量低于第一上包层，可以使第三上包层的Al组分含量低于第一上包层，热阻和串联电阻降低，从而可以保证第三上包层具有良好的热学、电学传导性，以将激光稳定输出至顶层。由此，本发明通过采用与波导层InGaP具有很好的材料匹配性的InGaAlP作为包层，我们在两个InGaAlP包层间加入高含Al量的GaAlAs包层，形成三包层结构，以弥补InGaP和InGaAlP两种材料导带能量差较小，从而导致波导区的载流子泄漏的问题。

由于第一上包层161和第三上包层163的制成材料为InGaAlP，位于第一上包层161与第三上包层163之间的第二上包层162的制成材料为GaAlAs，InGaAlP和GaAlAs材料明显不同，它们之间不完美的生长界面将对器件的性能产生不利影响。因此，本实施例中，所述第一上包层161与所述第二上包层162之间设置有第一过渡层191，且所述第二上包层162与所述第三上包层163之间设置有第二过渡层192，所述第一过渡层191和所述第二过渡层192都采用GaAlAs化合物材料制成。本发明通过在第一上包层与第二上包层之间，以及第二上包层与第三上包层之间分别加入由GaAlAs化合物制成的过渡层，可望减小不同材料的生长界面对器件性能产生的不利影响。此外，为了使第一上包层与第二上包层以及第二上包层与第一上包层的材料更加匹配，过渡层中的Al组分应尽量选低，并且为了降低过渡层的影响，过渡层的厚度应尽量薄。在本实施例中，第一过渡层和第二过渡层中组分Al的摩尔分数都为0.1，且厚度都为

在设计顶层时，从金属与半导体(M-S)接触的理论可知，M-S接触一般类似于理想的肖特基接触，其间的势垒高度与金属的性质和半导体表面的掺杂有关，金属与半导体接触的好坏通常用特征电阻率R_c表示。理论计算结果表明，随着掺杂浓度的增加，可减小半导体中空间电荷区宽度，对于重掺杂半导体，如果掺杂浓度很大(N＞10¹⁹cm^-3)，则M-S接触的势垒宽度变得非常薄，电子的隧穿几率大大增加，R_c强烈地依赖掺杂水平和隧穿电子有效质量，在实际的器件制作中，除尽量选择接触势垒低的金属作接触金属外，更主要是在半导体表面制备一层均匀简并化(即重掺杂)半导体。以保证M-S接触是低电阻的欧姆接触，而不是整流特性的肖特基势垒。本发明设计顶层掺杂浓度大于10¹⁹cm^-3，InGaAsP/GaAs激光器的顶层厚度为0.2μm。

在设计光栅层时，经理论计算，并采用LASTIP软件进行光场模拟，取值条件如下：腔长选择4mm，注入电流密度为30A/mm²，相当在0.1×4mm²面积内注入电流12A(芯片的工作电流和注入区面积)，前后端面的反射率分别取0.001和0.95，模拟结果发现，当且仅当KL(L为光栅层腔长)取0.25和1.5时能得到较好的收敛光场图，也就是能实现波长锁定，其光场分布如图2和3所示。由图中可以看出：在kL为0.25时，光场分布变化均匀，中间无突起，取值合理；在KL为1.5时，也能快速实现波长锁定，但光场分布变化不均匀，中间有突起，取值过高，中间容易发生“烧孔”效应，大注入电流工作条件，KL应在0.2-0.3范围。我们采用KL为0.25的一阶光栅，取4mm激光器腔长，K应为0.0625/mm。

我们采用Rsoft Beamprop软件进行模拟，得到不同厚度的光栅的耦合系数如图4所示，从图中可以看出：当得光栅层厚度为20nm时，K约为0.0625/mm，我们采用光栅层厚度为20nm，并取到有源层的距离为0.2μm，通过计算，光栅周期为113.2nm，取占空比为1:1。

其中，图1中所示各层的材料参数如下：

衬底：GaAs〈100〉Si掺杂浓度为1～4×10¹⁸cm^-3，厚度100±5μm，EPD＜500cm^-2；

第一层：In_0.5(Ga_0.5Al_0.5)_0.5P下包层，n(Si)掺杂浓度为1～3×10¹⁸cm^-3，1.25μm；

第二层：In_0.49Ga_0.51P下波导层，未掺杂，0.4μm

第三层：In_0.14Ga_0.86As_0.78P_0.22有源层，未掺杂，

第四层：In_0.49Ga_0.51P第一上波导层，未掺杂，0.2μm；

第五层:GaAs光栅层，未掺杂，20nm；

第六层：In_0.49Ga_0.51P第二上波导层，未掺杂，0.2μm；

第七层：In_0.5(Ga_0.5Al_0.5)_0.5P第一上包层，p(Zn)掺杂浓度为2×10¹⁷cm^-3，0.1μm；

第八层：Ga_0.9Al_0.1As第一过渡层，p(Zn)掺杂浓度为2×10¹⁷cm^-3，

第九层：Ga_0.15Al_0.85As第二上包层，p(Zn)掺杂浓度为2×10¹⁷cm^-3，0.1μm；

第十层：Ga_0.9Al_0.1As第二过渡层，p(Zn)掺杂浓度为2×10¹⁷cm^-3，

第十一层：In_0.5(Ga_0.9Al_0.1)_0.5P第三上包层，p(Zn)掺杂浓度为2×10¹⁷cm^-3，1.25μm；

第十二层：GaAs顶层，p(Zn)重掺杂，浓度为>1×10¹⁹cm^-3，0.2μm；

发光条宽设计为100μm。

另外，该发明设计的808nm多包层结构大功率半导体激光器管芯示意图如图5所示。通过测试，该结构大功率半导体激光器的主要光电性能参数为：中心波长：808±1nm；光谱半宽：≤0.5nm；中心波长温度漂移系数：≤0.1nm/℃；输出功率：≥12W；发光条宽度：100μm，其激光器P-I和电光转换效率曲线如图6所示，激光器的光谱特性曲线如图7所示。该发明尽管设计的是单发光点的激光器，但该结构完全适用于激光器阵列bar条，只是阵列bar条由若干个同样结构的单发光点的激光器构成。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。