中红外GaSb基半导体碟片激光器的制作方法

本公开涉及半导体激光技术技术领域，尤其涉及一种中红外gasb基半导体碟片激光器。

背景技术：

2-4μm是非常重要的大气窗口波段，工作在这个波段的激光器在医疗器械、空间光通信、红外光电对抗等民用和军用领域也有着非常广泛的用途。半导体激光器以其独有的体积小，光电转换效率高，波长覆盖广的优势，也逐渐成为2-4μm激光器不可替代的存在。在常见的半导体激光器材料中，锑化物材料因其能带带隙位置的优势，激光性能在2-4μm处于优势地位。

目前，电泵gasb基半导体激光器已经表现出相对优异的性能。然而，应用于气体光谱，自由空间光通信，红外对抗等领域的激光器在需要高功率的同时还需要良好的光束质量。而传统的电泵半导体激光器虽然可以获得较高的功率输出，但是受到光束质量的限制。而半导体面发射激光器(vcsel)虽然可以实现圆对称的激光输出但是输出功率较低。光泵浦半导体碟片激光器兼顾了半导体面发射激光器(vcsel)与二极管泵浦全固态激光器(dpss)的优点，可以实现高光束质量的高功率激光输出。

与工作在2-4μm波段的其他激光器相比，光泵浦gasb基半导体碟片激光器具有很大优势。与传统的光纤和固态激光器相比，光泵浦gasb基半导体碟片激光器可以通过半导体能带工程调节外延增益材料组分以及量子阱的结构进行激射波长的设计。与电泵vcsel相比，gasb基半导体碟片激光器没有p-n结结构，降低了材料内部自由载流子吸收引起的内损耗，能够实现高功率输出。此外，由于gasb基半导体碟片激光器具有稳定的光学外腔结构，还可以通过在腔内插入非线性光学晶体和可饱和吸收体(sesam)等光学元件的方式进行腔内倍频、波长调谐和锁模等光学调节。然而，目前gasb基半导体碟片激光器还存在量子阱增益不足，外延芯片内部横向激光损耗和存在热饱和现象等问题。

公开内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种中红外gasb基半导体碟片激光器，以缓解现有技术中gasb基半导体碟片激光器还存在量子阱增益不足，外延芯片内部横向激光损耗和存在热饱和现象等技术问题。

(二)技术方案

本公开提供一种中红外gasb基半导体碟片激光器，包括：

铜热沉，该铜热沉上有一凹槽；

tec散热模块，位于所述铜热沉下，用于加电流之后控制热沉的温度；

芯片模块，对应所述凹槽设置于所述铜热沉上部，包括一外延芯片，以及分别键合于所述外延芯片上下表面的sic散热片；

铜模块，包覆于所述芯片模块外，其上表面有一锥形的凹槽，并包括一个圆形的透光口；

泵浦源，该泵浦源为商用激光器；

聚焦准直系统，该聚焦准直系统可以将泵浦源的光聚焦在外延芯片上表面；以及

输出耦合镜，位于外延芯片上面的轴线处；其为平凹镜，其凹面镀高反膜，平面镀增透膜。

在本公开实施例中，所述外延芯片，由下至上依次包括：

gasb衬底；

dbr外延层；

有源区，由多量子阱结构组成；

窗口层；以及

帽层。

在本公开实施例中，所述的有源区由数字合金结构的多量子阱和渐变势垒组成，其量子阱是由inas层，gaas层，insb层，gasb层周期性生长组成为inxga1-xasysb1-y(0.1<x<0.3,0<y<0.05)的结构。

在本公开实施例中，所述量子阱包括两个三量子阱结构，两个双阱结构和两个单阱结构。

在本公开实施例中，所述量子阱位于谐振腔内驻波场的波腹位置形成共振周期增益的多量子阱结构。

在本公开实施例中，所述渐变势垒包括al0.3ga0.7as0.02sb0.97—gasb的外延渐变层和gasb—al0.3ga0.7as0.02sb0.97的外延渐变层，在al0.3ga0.7as0.02sb0.97中势垒中插入含al组分较高的al0.5ga0.5as0.04sb0.96势垒层。

在本公开实施例中，所述窗口层由al0.85ga0.15as0.06sb0.94外延层组成，厚度为λ/4的光学长度。

在本公开实施例中，所述帽层是由gasb材料组成的薄层。

在本公开实施例中，通过机械裂片的方式，破坏外延芯片的解理面，从而破坏横向激光需要的平面内腔。

在本公开实施例中，sic散热片由表面镀介质膜的透明的sic片组成，sic片的厚度为400um。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开中红外gasb基半导体碟片激光器至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)能有效的束缚有源区内的载流子提高量子阱的增益；

(2)能有效的减少芯片内部的损耗机制；

(3)能有效的进行散热。

附图说明

图1是本公开实施例的中红外gasb基半导体碟片激光器的结构示意图。

图2是本公开实施例的外延芯片的结构示意图。

图3是本公开实施例的外延芯片中量子阱的结构示意图。

图4是本公开实施例的外延芯片的能带示意图。

图5是图3所示的外延芯片中量子阱的能带示意图。

图6是图3所示的外延芯片中量子阱生长时阀门的开关示意图。

图7是本公开实施例通过机械裂片的方式破坏外延芯片的解理面后的扫描电镜示意图。

图8是本公开实施例的外延芯片的表面荧光光谱。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

10—tec散热模块；

20—铜热沉；

30—铜模块；

40—外延芯片；

41—gasb衬底；

42—dbr外延层；

43—有源区；

431—al0.3ga0.7as0.02sb0.97—gasb的外延渐变层；

432—inas层；

433—gaas层；

434—insb层；

435—gasb层；

436—gasb—al0.3ga0.7as0.02sb0.97的外延渐变层；

437—al0.5ga0.5as0.04sb0.96势垒层；

44—窗口层；

45—帽层；

50—sic散热片；

60—聚焦准直系统；

70—泵浦源；

80—输出耦合镜。

具体实施方式

本公开提供了一种中红外gasb基半导体碟片激光器，其有源区由数字合金结构的多量子阱和渐变势垒组成，有效的提高量子阱的增益；通过机械裂片的方式，破坏外延芯片的解理面，从而破坏横向激光需要的平面内腔，有效的减少芯片内部的损耗机制；在外延芯片上下两面键合sic散热片有效的减少芯片内部的热积累。

为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。

在本公开实施例中，提供一种中红外gasb基半导体碟片激光器，结合图1至图3所示，所述中红外gasb基半导体碟片激光器，包括：

铜热沉20，该铜热沉上有一凹槽；

tec散热模块10，位于所述铜热沉20下，用于加电流之后控制热沉的温度；

芯片模块，位于所述铜热沉20上部，包括一外延芯片40，以及分别键合于所述外延芯片40上下表面的sic散热片。

一铜模块30，包覆于所述芯片模块外，其上表面有一锥形的凹槽，并包括一个圆形的透光口；

一泵浦源70，该泵浦源70为商用激光器；

一聚焦准直系统60，该聚焦准直系统60可以将泵浦源的光聚焦在外延芯片上表面；

一输出耦合镜80，位于外延芯片40上面的轴线处；其为平凹镜，其凹面镀高反膜，平面镀增透膜；

所述外延芯片采用液体毛细键合在帽层上表面键合透明的sic散热片，并在衬底面通过焊料和sic散热片和铜热沉进行固定封装，该外延芯片被上部铜模块和下部铜热沉紧密夹在中间。

所述外延芯片40，由下至上依次包括：

gasb衬底41；

dbr外延层42；

有源区43，由多量子阱结构组成；

窗口层44；以及

帽层45。

所述dbr外延层42，即分布式布拉格反射器，由21.5对晶格匹配的gasb/alas0.08sb0.92交替生长而成，每层的光学厚度为λ/4。其中alas0.08sb0.92的折射率为3.16，gasb的折射率为3.89。该dbr的反射率在设计波长的反射率需达到99.9％以上。

所述的有源区43由数字合金结构的多量子阱和渐变势垒组成，其量子阱是由inas层432，gaas层433，insb层434，gasb层435周期性生长组成为inxga1-xasysb1-y(0.1<x<0.3,0<y<0.05)的结构。数字合金组分采用特定的生长时序，避免了生长过程中v族元素，尤其是as不稳定带来的生长波动和生长缺陷；量子阱包括两个三量子阱结构，两个双阱结构和两个单阱结构。不均匀的量子阱分布可以将泵浦光的吸收最大利用化。其中量子阱位于谐振腔内驻波场的波腹位置形成共振周期增益(rpg)的多量子阱结构。量子阱周围的渐变势垒为al0.3ga0.7as0.02sb0.97—gasb的外延渐变层431和gasb—al0.3ga0.7as0.02sb0.97的外延渐变层436。在al0.3ga0.7as0.02sb0.97中势垒中插入含al组分较高的al0.5ga0.5as0.04sb0.96势垒层437，有效的束缚有源区内的载流子提高量子阱的增益。

所述窗口层44由al0.85ga0.15as0.06sb0.94外延层组成，其位于有源区上层，用于防止表面处的载流子复合并优化dbr和芯片表面形成的光学微腔的长度，所述窗口层44的厚度为λ/4的光学长度。

所述帽层45是由gasb材料组成的薄层，其可以避免外延芯片的表面被空气氧化。

在本公开实施例中，图4至图6反映出外延芯片的能带特性，以及其量子阱的能带特性以及量子阱生长时阀门的开关情况。

在本公开实施例中，如图7所示，外延芯片通过机械裂片的方式，破坏外延芯片的解理面，从而破坏横向激光需要的平面内腔，有效的减少芯片内部的损耗机制。通过机械裂片的方式破坏解理面的外延芯片，通过液体毛细键合与sic散热片50进行键合。sic散热片50由表面镀介质膜的透明的sic片组成，sic片的厚度为400um。其中位于外延芯片帽层表面的sic散热片表面镀有对中红外设计波长增透的介质膜，位于外延芯片衬底下部的sic散热片通过磁控溅射在双表面镀制金属膜并通过焊料与外延芯片和下部铜热沉20进行固定封装。铜热沉上有一正方形的凹槽，凹槽尺寸与裂片后的外延芯片尺寸一致。铜模块30覆于芯片模块后，上表面有一锥形的凹槽，并包括一个圆形的透光口；半导体激光器泵浦源发出的泵浦光经过聚焦准直系统，将泵浦光聚焦到外延芯片表面，聚焦准直系统的焦点位于外延芯片表面上。使受激辐射光放大的外延芯片与输出耦合镜构成谐振腔，获得激光输出。位于sic散热片50中间的外延芯片40被上部铜模块30和下部铜热沉20紧密夹在中间，有效的进行散热。

在本公开实施例中，测试如下表所示的外延芯片的表面荧光光谱，结果如图8所示。

外延芯片包括gasb衬底；分布式布拉格反射器(dbr)，由多量子阱结构组成有源区，窗口层和帽层。其中分布式布拉格反射器(dbr)由21.5对晶格匹配的gasb/alas0.08sb0.92交替生长而成，每层的光学厚度为λ/4。由数字合金结构的多量子阱和渐变势垒组成的有源区，量子阱是由inas，gaas，insb，gasb周期性生长组成为inxga1-xasysb1-y(0.1<x<0.3,0<y<0.05)的结构，量子阱的总厚度为10nm。量子阱包括两个三量子阱结构，两个双阱结构和两个单阱结构。其中量子阱位于谐振腔内驻波场的波腹位置形成共振周期增益(rpg)的多量子阱结构。量子阱周围的渐变势垒为和势垒中插入含al组分较高的al0.5ga0.5as0.04sb0.96势垒，有效的束缚有源区内的载流子提高量子阱的增益。窗口层由al0.85ga0.15as0.06sb0.94外延层组成，其位于有源区上层，用于防止表面处的载流子复合并优化dbr和芯片表面形成的光学微腔的长度，所述窗口层的厚度为λ/4的光学长度。帽层是由gasb材料组成的薄层，其可以避免外延芯片的表面被空气氧化。

本公开中红外gasb基半导体碟片激光器具有如下优点：(1)有源区由数字合金结构的多量子阱和渐变势垒组成，量子阱是由inas，gaas，insb，gasb周期性生长组成为inxga1-xasysb1-y(0.1<x<0.3,0<y<0.05)的结构。量子阱包括两个三量子阱结构，两个双阱结构和两个单阱结构。其中量子阱位于谐振腔内驻波场的波腹位置形成共振周期增益(rpg)的多量子阱结构。量子阱周围的渐变势垒为和势垒中插入含al组分较高的al0.5ga0.5as0.04sb0.96势垒，有效的束缚有源区内的载流子提高量子阱的增益。(2)外延芯片通过机械裂片的方式，破坏外延芯片的解理面，从而破坏横向激光需要的平面内腔，有效的减少芯片内部的损耗机制。(3)由表面镀介质膜的透明的sic片组成的散热片将外延芯片包裹在中间，并被上部铜模块和下部铜热沉紧密夹在中间，有效的进行散热。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开中红外gasb基半导体碟片激光器有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种中红外gasb基半导体碟片激光器，其外延芯片结构由分布式布拉格反射器(dbr)，增益区域和限制/窗口区域三个部分组成。分布式布拉格反射器(dbr)由21.5对晶格匹配的gasb/alas0.08sb0.92交替生长而成，每层的光学厚度为λ/4。有源区由数字合金结构的多量子阱和渐变势垒组成，其中量子阱位于谐振腔内驻波场的波腹位置形成共振周期增益(rpg)的多量子阱结构。窗口层位于有源区上层，防止表面处的载流子复合。帽层以避免外延层表面被氧化。通过机械裂片的方式破坏横向激光需要的平面内腔，有效的减少芯片内部的损耗机制。外延片采用液体毛细键合在帽层上表面键合透明的sic散热片，并在衬底面通过焊料和sic散热片和铜热沉进行固定封装，通过聚焦系统准直的激光进行泵浦，与外腔镜形成谐振腔产生激光输出。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。