包括多个单片式激光二极管的AlInGaAs/InGaAsP/InP边缘发射半导体激光器的制作方法

本技术要求于2020年6月2日提交的美国专利申请第16/889963号的优先权，通过引用将其全部内容并入本文。

背景技术：

1、激光雷达(light detection and ranging，lidar)是一种利用激光发射感测距离的技术。lidar测量从激光发射信号到从物体反射后返回探测器之间的时间差。通常，在脉冲条件下使用多个单片式激光器，激光器和检测器彼此接近。发射激光脉冲，一部分脉冲从物体反射回来并由探测器收集。计算脉冲发射与其返回检测器之间的时间差。根据该信息计算距离。通过在特定视场中感应和测量的不同距离来生成三(3)维图像。生成的图像被处理并用于汽车应用，例如自动驾驶和自适应巡航控制系统。

2、此前，使用砷化镓gaas、铝镓砷algaas和铟镓砷ingaas材料在905纳米(nm)范围内工作的近红外激光器已用于lidar系统。对于单个单片式激光器，这些激光材料系统表现出1瓦特每安培(w/a)的高效率。然而，高功率905nm激光器对眼睛不安全，而且能够损害视网膜。

3、为了提高边缘发射激光二极管的输出功率，许多制造商将两个、三个、四个或更多个激光二极管一个在另一个上面地堆叠起来，使用焊料粘接将激光器连接在一起。堆叠焊料粘接激光二极管的输出功率，在两个激光二极管堆叠配置中，几乎是单个激光二极管输出功率的两(2)倍，并且在三个激光二极管堆叠配置中为单个激光器输出功率的三(3)倍。如果两个激光二极管堆叠，则堆叠激光器两端的电压降也会增至两倍，如果三个激光二极管堆叠则会增至三倍。双叠层激光二极管光学输出尺寸直径通常等于单个激光芯片厚度加接合线厚度。三叠层激光二极管光学输出尺寸直径等于2个激光二极管的厚度加上两条接合线的厚度。

技术实现思路

1、另一方面，长波长(波长>1300nm)单个单片式激光器效率通常仅为905nm激光器效率的一半左右。同时，堆叠焊料粘接激光二极管不适合某些应用。对于激光光纤耦接和长距离应用，例如lidar，很难精确聚焦来自多个激光二极管的分离输出。

2、一般而言，本发明通常涉及在眼安全区域工作的波长大于1300nm的长波长、高功率激光器。采用多个单片式激光器来实现高功率激光器。

3、这种激光器有很多用途。这些用途包括军事测距应用、军事敌我识别(identification friend or foe，iff)和导弹防御系统。这些眼安全激光器还能够用于许多其他应用，例如汽车激光雷达和自适应巡航控制(adaptive cruise control，acc)应用。此外，这些眼安全的高功率激光器也能够应用于工业环境，例如视觉控制和机器控制。

4、本发明能够应用于多个单片式长波长激光器，该激光器能够实现接近1w/a的更高效率并保持眼安全，这适用于长距离激光雷达应用。通常，这些多个单片式激光器用于1纳秒(ns)到150ns之间的脉冲条件应用。

5、一般而言，根据一个方面，本发明的特征在于，边缘发射半导体激光器包含多个单片式激光二极管，使用砷磷化铝铟镓(aluminum indium gallium arsenide phosphide)alingaas(铝铟镓砷)/ingaasp(铟镓砷磷)/inp(铟磷)材料系统，以长波长(1250nm至1720nm)发射，其中单片式激光二极管通过一个或更多个隧道结彼此连接，并且每一个单片式激光二极管包含有源区，该有源区具有势垒和由不同比例的铝、镓、铟和砷构成的不超过三个的量子阱。

6、在实施例中，铝铟镓砷(aluminum indium gallium arsenide)量子阱的尺寸在5nm和10nm之间，并且紧接在p掺杂限制层之后的界面层具有在限制层的最终掺杂浓度与1e18 cm-3，+300％之间的固定掺杂浓度。

7、优选地，使用inp衬底和掺杂浓度在1e17 cm-3和6e17 cm-2之间的每一个单片式激光二极管中的包层。此外，每一个单片式激光二极管的p掺杂包层能掺杂锌(zn)。

8、目前，每一个单片式激光二极管在有源区和至少一个包层之间包括铝铟砷(aluminum indium arsenide)层。此外，每一个单片式激光二极管中的铝铟砷层的掺杂能是浓度能够等于或小于1e18 cm-3的锌。

9、单片式激光二极管的数量能是两个、三个或四个，每一个单片式激光二极管包含渐变折射率限制层。此外，在一个或两个或所有单片式激光二极管中，p型铝铟镓砷波导层有时等于或小于1e17 cm-3。此外，对于一个、两个或所有单片式激光二极管，p型铝铟镓砷包层能够掺杂到等于或小于1e18 cm-3的浓度。对于一个、两个或所有单片式激光二极管，n型铝铟镓砷波导层可以掺杂到等于或小于1e17 cm-3的浓度。此外，在一个、两个或所有单片式激光二极管中，n型铝铟镓砷包层掺杂能够等于或小于5e17 cm-3。

10、脊波导结构能用于顶部单片式激光器，该激光器支持每一个单片式激光二极管中的多个空间模式。也可以通过有源区从顶部p型铟镓砷接触层蚀刻沟槽。此外，沟槽的深度可以在2微米和10微米之间，并且形成沟槽的壁以45度和80度之间的角度倾斜。

11、孔径宽度能够在2到350微米之间，腔体长度在0.5mm到4mm之间。

12、目前，它发射光谱范围为1250微米到1720微米的光。

13、一般而言，根据另一方面，本发明的特征在于一种包含多个单片式激光二极管的在铟磷衬底上生长的边缘发射半导体激光器，其中单片式激光二极管通过隧道结彼此连接，其中每一个单片式激光二极管包括具有势垒和由不同比例的铝、镓、铟和砷构成的量子阱的有源区，其中所述多个有源区的量子阱结构在它们的层厚度和/或它们的材料组成方面彼此不同，使得至少两个发射区具有至少5nm的不同发射波长。

14、一般而言，根据另一方面，本发明的特征在于一种包含多个单片式激光二极管的在铟磷衬底上生长的边缘发射半导体激光器，其中单片式激光二极管通过隧道结彼此连接，其中每一个单片式激光二极管包括具有势垒和由不同比例的铝、镓、铟和砷构成的量子阱的有源区，其中所述多个有源区的量子阱结构在它们的层厚度和/或它们的材料组成方面彼此相同或不同，使得所有发射区具有在5nm内的相同发射波长。

15、一个单片式激光二极管与另一个单片式激光器之间的光致发光(photoluminescence，pl)发射差通常小于5nm。此外，在许多示例中，每一个单片式激光二极管包括厚度在5纳米和10纳米之间的铝铟镓砷势垒。单片式激光二极管优选地通过隧道结彼此连接，并且隧道结具有50nm或更小的厚度。

16、隧道结通常包括两个铟镓砷层，p型和n型。隧道结p型铟镓砷层可以掺杂有掺杂浓度高于5e18 cm-3且小于1e20 cm-3的碳或锌。隧道结n型铟镓砷层能够掺杂有掺杂浓度高于5e18 cm-3且小于1e20 cm-3的硅或碲。隧道结p型铟镓砷层厚度有时小于50nm，n型铟镓砷层厚度有时小于50nm。

17、现在将参考附图和在权利要求书中指出的，更具体地描述本发明的上述和其他特征，包括结构和部件组合的各种新颖细节以及其他优点。应理解，体现本发明的特定方法和器件是通过说明的方式示出的，而不是作为本发明的限制。在不脱离本发明的范围的情况下，本发明的原理和特征可以用于各种各样的实施例中。