多量子阱半导体激光器及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种多量子阱半导体激光器及其制备方法，以提高多量子阱半导体激光器的散热效率，实现大功率、高可靠的激光输出。该多量子阱半导体激光器，包括多个量子阱层以及设置于各量子阱层之间的势垒层，其特殊之处在于：每个量子阱层设置有一个或多个发光区，相邻量子阱层的发光区相互错开。本发明专利技术采用量子阱层发光区相互交错的方式，降低了有源区热串扰，减小了系统热阻；可实现激光大功率输出。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种半导体激光器器件，尤其是ー种。
技术介绍
半导体激光器由于具有体积小、重量轻、使用电驱动、电光转换效率高、寿命长等优点，在エ业加工、军事国防、医疗、全固态激光泵浦等领域获得了广泛应用。半导体激光器的发展趋势是高功率、高亮度和长寿命。目前商用的大功率半导体激光器多为单量子阱半导体激光器，其单巴连续波输出功率可达100W，准连续波输出功率达250W，若进ー步提高功率，必须将多个巴条组合为叠阵或者面阵的形式，但叠阵和面阵的体积过大，限制了半导体激光器的进ー步应用。相对于单量子阱半导体激光器(SQW)，多量子阱半导体激光器(MQW)有其独特的优势在尺寸保持不变的情况下，多量子阱半导体激光器最高输出功率可达单量子阱半导体激光器的n倍(n为量子阱层数);在相同的工作电流下，多量子阱半导体激光器的输出功率可达单量子阱半导体激光器的n倍。多量子阱半导体激光器理论上能够大大提高输出功率和亮度，有效降低系统尺寸及对大电流电源的需求，是半导体激光器的重要发展方向。但目前多量子阱半导体激光器产品受限于散热能力，导致难以达到预期的输出功率，可靠性较低。例如万春明等人在中国激光，2002，Vol.A29，No. 12中报道了ー种940nm无铝双量子阱列阵半导体激光器，在注入电流17. 8A时连续波输出功率仅为10W，斜率效率为1.09W/A。德国的OSRAM光电半导体公司推出的一种三层量子阱半导体激光器，功率为75W，工作模式为准连续波，波长为905nm。与目前商用的单量子阱半导体激光器相比，其输出功率仍然较低，工作寿命较短。因此，研究新型的具有高效散热能力的多量子阱半导体激光器对于高功率半导体激光器的发展具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术提供了ー种，以提高多量子阱半导体激光器的散热效率，实现大功率、高可靠的激光输出。为实现以上专利技术目的，本专利技术提出以下基本技术方案多量子阱半导体激光器，包括多个量子阱层以及设置于各量子阱层之间的势垒层，其特殊之处在于每个量子阱层设置有一个或多个发光区，相邻量子阱层的发光区相互错开。基于上述基本的技术方案，较佳的方案如下上述量子阱层为GaInAsP量子阱层，势垒层为InGaP势垒层；所述多量子阱半导体激光器包括依次设置的N+-GaAs衬底、N+-GaAs缓冲层、N-AlGaAs上限制层、InGaP上波导层、多个所述GaInAsP量子讲层及相应的InGaP势鱼层、InGaP下波导层、P-AlGaAs下限制层、P-GaAs顶层、P —GaAs欧姆接触层。制备上述多量子阱半导体激光器的方法，包括以下步骤(I)在衬底上依次生长缓冲层、上限制层、上波导层、第一个量子阱层；(2)通过离子注入的方法，使第一个量子阱层的部分区域形成非发光区，在该量子阱层中，非发光区之间的区域设置为发光区；(3)依次生长势垒层、下ー个量 子阱层；(4)通过离子注入的方法使所述下ー个量子阱层中的部分区域形成非发光区，非发光区之间的区域设置为发光区，并使该量子阱层的发光区与第一个量子阱层的发光区相互错开；(5)若设计的量子阱层数超过两个，则按照步骤(3)、(4)继续进行下ー个量子阱层的生长并使该量子阱层的发光区与前ー个量子阱层的发光区相互错开；(6)完成最后ー个量子阱层后，依次生长下波导层、下限制层、顶层、欧姆接触层，制备得到多量子阱半导体激光器。基于上述基本的制备方法，具体的优选方案为步骤(I)是通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)法或分子束外延法(MBE)在N+-GaAs衬底上依次生长N+-GaAs缓冲层、N-AlGaAs上限制层、InGaP上波导层、GaInAsP第一量子阱层；步骤(2)通过离子注入的方法，使第一量子阱层的部分区域形成非发光区，非发光区之间的区域为发光区，并在该量子阱层形成发光区-非发光区的周期分布；步骤(3)是依次生长InGaP势垒层、GaInAsP第二量子阱层；步骤(4)是通过离子注入的方法使第二量子阱层中的区域形成非发光区，非发光区72之间的区域为第二量子阱层的发光区，第二量子阱层的发光区与第一量子阱层的发光区相互错开；步骤(6)是在最后ー个量子阱层上依次生长InGaP下波导层、P-AlGaAs下限制层、P-GaAs顶层、P —GaAs欧姆接触层。本专利技术有以下优点I)散热能力強。本专利技术采用量子阱层发光区相互交错的方式，降低了有源区热串扰，减小了系统热阻；2)可实现激光大功率输出。本专利技术的多量子阱半导体激光器完全满足低占空比准连续波的工作要求，能够实现大功率的激光输出；3)単位体积输出功率高。对于相同大小的单量子阱和多量子阱半导体激光器，包括n个量子阱层的多量子阱半导体激光器的输出功率是单量子阱的n倍；4)寿命长、可靠性高。本专利技术的多量子阱半导体激光器具有寿命长、可靠性高、稳定性高和体型小的特点。5)本专利技术提供的多量子阱半导体激光器的制备方法，充分考虑了各种实际因素，保证了电光转换效率及可靠性，从而在实践上真正实现了大功率、高可靠的激光输出。附图说明图I为传统的双量子讲芯片结构不意图；图2为本专利技术实施例一的双量子阱半导体激光器的结构示意图3为本专利技术实施例一的量子阱层局部示意图；图4为本专利技术实施例一所制备的808nm双量子阱半导体激光器封装后LIV测试结果;图5为本专利技术实施例一所制备的808nm双量子阱半导体激光器封装后光谱测试结果;图6为本专利技术实施例ニ的三量子阱半导体激光器的结构示意图；图7为本专利技术实施例ニ的量子阱层局部示意图。图8为本专利技术实施例ニ所制备的808nm三量子阱半导体激光器封装后LIV测试结 果;图9为本专利技术实施例ニ所制备的808nm三量子阱半导体激光器封装后光谱测试结果;其中，I为芯片衬底，2为n缓冲层，3为上限制层，4为上波导层，5为第一量子阱层，6为势垒层，7为第二量子阱层，8为下波导层，9为下限制层，10为p顶层，11为欧姆接触层，12为势垒层，13为第三量子阱层。具体实施例方式目前，多量子阱半导体激光器的多个量子阱层间隔很小，各量子阱层的发光区发热量很大，因此制约了其输出功率、效率及可靠性的进ー步提高。目前常见的多量子阱半导体激光器，如图I所示，其各量子阱层的发光区在竖直方向上重叠，导致各量子阱层之间发生热串扰现象，明显增加了器件热阻，降低了输出功率及光电效率。本专利技术提出了ー种新型的多量子阱半导体激光器结构，通过使各量子阱层的发光区上下相互错开，降低了各量子阱层之间热串扰的影响，大大提高了多量子阱半导体激光器的输出功率、电光转换效率及可靠性。本专利技术的关键技术是使同一量子阱层中部分区域为发光区，而部分区域为非发光区。本专利技术采用了掩模离子注入技术，离子注入的量子阱层区域由于结构成分改变，不再产生受激辐射，而且离子注入的量子阱层区域的折射率小于非离子注入的量子阱层区域，从而在侧向对激光进行了限制。下面结合附图以示例的形式详细介绍本专利技术。给出的两个实施例仅作为本专利技术的优选方案示例，而不应视为对本专利技术保护范围的限制。实施例一如图2及图3所示，双量子阱半导体激光器，包括N+-GaAs衬底I，N+-GaAs缓冲层2，N-AlGaAs上限制层3，InGaP上波导层4，GaInAsP第一量子阱层5，InGaP势垒层6，GaInAsP第二量子阱层7，InGaP下波导层8，P-Al本文档来自技高网...

【技术保护点】
多量子阱半导体激光器，包括多个量子阱层以及设置于各量子阱层之间的势垒层，其特征在于：每个量子阱层设置有一个或多个发光区，相邻量子阱层的发光区相互错开。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张普，刘兴胜，熊玲玲，王贞福，刘晖，聂志强，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：