專利名稱：高效大功率大光腔半導(dǎo)體激光器的制作方法
一種高效大功率大光腔半導(dǎo)體激光器，屬于半導(dǎo)體光電子技術(shù)領(lǐng)域。
目前，以下幾方面的因素限制了傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器的光功率輸出和光束質(zhì)量，影響了激光器的壽命1．大的光功率密度和小有源區(qū)端面光吸收發(fā)熱引起的端面災(zāi)變性損毀；2．大功率密度下的電熱燒毀；3．窄有源區(qū)、小光腔和過熱使激光發(fā)散角大，光束質(zhì)量差。為解決上述問題，現(xiàn)有技術(shù)中或采用改進(jìn)散熱條件、改進(jìn)端面結(jié)構(gòu)的方法，或采用將多個(gè)激光器疊加起來使用的方法，以期提高激光器的輸出功率。這些方法的共同點(diǎn)是通過提高激光器的注入電流得到大功率入手，再被動地緩解由大注入電流和大功率密度產(chǎn)生的諸如結(jié)溫升高、端面損毀等矛盾，并不能從根本上解決上述問題。
本發(fā)明的目的在于提供一種能從根本上解決上述問題，以相對小的注入電流就可獲得大的輸出功率，并從而大大緩解激光器電、光、熱效應(yīng)影響的高效大功率大光腔半導(dǎo)體激光器。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案它通過把多個(gè)相對獨(dú)立的激光發(fā)光區(qū)結(jié)構(gòu)順序生長在一片襯底上，并在每相鄰兩發(fā)光區(qū)之間引入一P+-N+隧道二極管結(jié)構(gòu)的方法，將現(xiàn)有半導(dǎo)體激光器中由單個(gè)有源區(qū)構(gòu)成的發(fā)光區(qū)結(jié)構(gòu)，改為由多個(gè)重復(fù)排列的單元發(fā)光區(qū)8通過P+-N+隧道二極管9、10疊加起來的復(fù)合發(fā)光區(qū)結(jié)構(gòu)(如圖2所示)，這樣，通過各單元發(fā)光區(qū)8與設(shè)在每相鄰兩單元發(fā)光區(qū)之間的P+-N+隧道二極管之間的耦合作用，便將整個(gè)發(fā)光區(qū)耦合成為一個(gè)多級耦合整體大光腔4。工作時(shí)，給隧道二極管加上一定的反向偏壓，則其PN結(jié)P型一側(cè)的價(jià)帶電子便可以通過隧道效應(yīng)到達(dá)N型一側(cè)的導(dǎo)帶成為電子載流子，得到再生，這樣，在前一(即前級)發(fā)光區(qū)中復(fù)合到價(jià)帶的電子就能再一次回到導(dǎo)帶并在后一(即后級)發(fā)光區(qū)中再次復(fù)合發(fā)光，如此，從激光器兩電極注入的一對電子、空穴便會在上述多級耦合整體大光腔中產(chǎn)生多個(gè)光子，使半導(dǎo)體激光器量子效率大大提高，并可視設(shè)計(jì)時(shí)的單元發(fā)光區(qū)數(shù)目而使量子效率遠(yuǎn)大于1，在不增大注入電流的情況下，大大增大光輸出，同時(shí)有效地從內(nèi)部機(jī)制上解決了電熱燒毀等問題。另外，當(dāng)多級耦合整體大光腔的級數(shù)達(dá)到10以上時(shí)，整個(gè)光腔的尺寸可以達(dá)到10μm以上，從而可成數(shù)量級地降低光功率密度，同時(shí)降低光束的發(fā)散角，提高光束質(zhì)量。
本發(fā)明上述的各單元發(fā)光區(qū)8可分別由依次排列的P型間隔層11，導(dǎo)引層12，有源區(qū)13，導(dǎo)引層14及N型間隔層15構(gòu)成，各單元發(fā)光區(qū)8通過位于每相鄰兩單元發(fā)光區(qū)之間的P+-N+隧道二極管9,10的耦合作用后按串聯(lián)方式排列，每個(gè)單元發(fā)光區(qū)8構(gòu)成一有源波導(dǎo)區(qū)，位于每相鄰兩單元發(fā)光區(qū)之間的N型間隔層15、P+-N+隧道二極管9,10、及P型間隔層11共同構(gòu)成一無源波導(dǎo)區(qū)，呈交替組合的多級有源波導(dǎo)區(qū)與無源波導(dǎo)區(qū)相互耦合，將發(fā)光區(qū)耦合成為一多級耦合整體大光腔4。另外，上述發(fā)光區(qū)中，每相鄰兩單元發(fā)光區(qū)8及位于它們之間的P+-N+隧道二極管9、10共同構(gòu)成一單元大發(fā)光區(qū)，各單元大發(fā)光區(qū)串聯(lián)排列，前一級單元大發(fā)光區(qū)的后級發(fā)光區(qū)構(gòu)成后一級單元大發(fā)光區(qū)的前級發(fā)光區(qū)。
采用以上技術(shù)方案后，本發(fā)明具有以下有益效果1．本發(fā)明由于擺脫了單純依靠大注入電流來得到大光輸出功率的傳統(tǒng)模式，在不增大注入電流的情況下，從大幅度提高激光器的量子效率入手，來提高激光器的光輸出功率，因而與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，其小得多的注入電流使器件熱效應(yīng)明顯減弱。同時(shí)，由于激光器的熱效應(yīng)主要集中在非有意摻雜的有源區(qū)，而本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中有源區(qū)有多個(gè)，發(fā)熱點(diǎn)相對分散，器件不會在很小的區(qū)域形成高溫而燒毀器件，從而使熱效應(yīng)得到進(jìn)一步削弱。2．本發(fā)明由于采用了由多個(gè)具有一定間隔的單元發(fā)光區(qū)級連而成的多發(fā)光區(qū)結(jié)構(gòu)，從而使得其光場分布范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的激光器，這樣，在相同出光功率的條件下，端面處的光功率密度要低于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器，從而大大緩解了大功率激光器端面損傷對激光器輸出功率水平和工作壽命的限制。3．由于本發(fā)明的光腔尺寸能成倍地，甚至是成數(shù)量級地增大，光場將分布在更大的范圍內(nèi)，這樣可有效地削弱光的衍射效應(yīng)，大大降低激光器的發(fā)散角，提高光束質(zhì)量。
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。


圖1本發(fā)明高效大功率大光腔半導(dǎo)體激光器的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2本發(fā)明中的發(fā)光區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器發(fā)光區(qū)能帶結(jié)構(gòu)示意圖；圖4本發(fā)明任意相鄰兩單元發(fā)光區(qū)(即一個(gè)單元大發(fā)光區(qū))能帶結(jié)構(gòu)示意圖；圖5傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器的縱向折射率分布、TE0模近場和遠(yuǎn)場分布示意圖；圖6本發(fā)明具有5個(gè)單元發(fā)光區(qū)的多級耦合整體大光腔激光器的縱向折射率分布、TE0模近場和遠(yuǎn)場分布示意圖；圖7本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1為本發(fā)明高效大功率大光腔半導(dǎo)體激光器的整體結(jié)構(gòu)示意圖，除發(fā)光區(qū)(具體結(jié)構(gòu)見圖2)外，各部分采用傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器常規(guī)結(jié)構(gòu)，圖中，1、7為電極，2為p型電極接觸層，3、5分別為p型包層及n型包層，6為襯底。
圖2為本發(fā)明的發(fā)光區(qū)(即多級耦合整體大光腔4)結(jié)構(gòu)示意圖，如前所述，它由多個(gè)重復(fù)排列的單元發(fā)光區(qū)8通過位于每相鄰兩單元發(fā)光區(qū)之間的P+-N+隧道二極管9,10的耦合作用后按串聯(lián)方式排列而成，每相鄰兩發(fā)光區(qū)之間引入一P+-N+隧道二極管9、10，各單元發(fā)光區(qū)8分別由依次排列的P型間隔層11，導(dǎo)引層12，有源區(qū)13，導(dǎo)引層14及N型間隔層15構(gòu)成。
圖3、圖4分別為傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器發(fā)光區(qū)能帶結(jié)構(gòu)及本發(fā)明任意相鄰兩單位發(fā)光區(qū)(即一個(gè)單元大發(fā)光區(qū))的能帶結(jié)構(gòu)示意圖，圖中，a為熱平衡狀態(tài)，b為工作狀態(tài)。從圖3中可見，傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器發(fā)光區(qū)在工作時(shí)，注子電子在有源區(qū)內(nèi)由導(dǎo)帶躍遷到價(jià)帶與價(jià)帶空穴復(fù)合后，不再產(chǎn)生光子，器件的量子效率至多為1(即由器件兩端電極注入的一對電子和空穴最多產(chǎn)生一個(gè)光子)；與圖3相對照，圖4中，本發(fā)明的多級耦合整體大光腔式發(fā)光區(qū)結(jié)構(gòu)中，每個(gè)單元發(fā)光區(qū)與傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器發(fā)光區(qū)的能帶相似，但在工作時(shí)，兩單元發(fā)光區(qū)之間引入的P+-N+隧道結(jié)使前一(即前級)發(fā)光區(qū)與后一(即后級)發(fā)光區(qū)的導(dǎo)帶與價(jià)帶發(fā)生能量重疊，在前一(即前級)發(fā)光區(qū)中復(fù)合掉的電子能通過隧道二極管由前級的價(jià)帶隧穿到后級的導(dǎo)帶中，并在后級的有源區(qū)內(nèi)重新復(fù)合發(fā)光，這樣本發(fā)明的量子效率大大提高，在理想情況下將與串聯(lián)的發(fā)光區(qū)數(shù)目成正比。
圖5、圖6分別給出了傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器和具有5個(gè)單元發(fā)光區(qū)的多級耦合整體大光腔激光器的縱向折射率分布、TE0模近場和遠(yuǎn)場示意圖。圖中，a為折射率分布(實(shí)線)和近場分布(虛線)，b為遠(yuǎn)場分布。從圖5中可見，傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器發(fā)光區(qū)由于只有一個(gè)有源波導(dǎo)區(qū)，其縱向尺寸小，導(dǎo)致遠(yuǎn)場半峰值寬度在40°左右。與圖5相對照，本發(fā)明的多級耦合整體大光腔式發(fā)光區(qū)結(jié)構(gòu)中，由于多個(gè)有源波導(dǎo)區(qū)與無源波導(dǎo)區(qū)相互交疊耦合，光腔縱向尺寸增大，使遠(yuǎn)場發(fā)散角大大降低(圖6中遠(yuǎn)場半峰值寬度在20°左右)。隨單元發(fā)光區(qū)數(shù)目的增多，本發(fā)明的遠(yuǎn)場發(fā)散角能進(jìn)一步縮小，所以光束質(zhì)量得到了明顯的改善。
實(shí)施例圖7為本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例的發(fā)光區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖，它采用普通MOVCD方法在N+GaAs襯底上依次外延各層材料得到，并給出了各層厚度及其摻雜濃度。圖7中，單元發(fā)光區(qū)8的數(shù)目為兩個(gè)，在實(shí)際應(yīng)用中，單元發(fā)光區(qū)8的數(shù)目可根據(jù)需要來設(shè)置，原則上可設(shè)置為任意多個(gè)。另外，各單元發(fā)光區(qū)的具體結(jié)構(gòu)可相同也可不同，其各層厚度及其摻雜濃度也可根據(jù)實(shí)際需要而調(diào)整。
權(quán)利要求
1．一種高效大功率大光腔半導(dǎo)體激光器，由電極(1)和(7)，p型電極接觸層(2)，p型包層(3)和n型包層(5)，襯底(6)及發(fā)光區(qū)構(gòu)成，其特征在于所述的發(fā)光區(qū)為一多級耦合整體大光腔(4)，它包括多個(gè)重復(fù)排列的單元發(fā)光區(qū)(8)及位于每相鄰兩單元發(fā)光區(qū)之間的P+-N+隧道二極管(9,10)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效大功率大光腔半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述的單元發(fā)光區(qū)(8)由依次排列的P型間隔層(11)，導(dǎo)引層(12)，有源區(qū)(13)，導(dǎo)引層(14)及N型間隔層(15)構(gòu)成，各單元發(fā)光區(qū)(8)通過位于每相鄰兩單元發(fā)光區(qū)之間的P+-N+隧道二極管(9,10)的耦合作用后按串聯(lián)方式排列，每個(gè)單元發(fā)光區(qū)(8)構(gòu)成一有源波導(dǎo)區(qū)，位于每相鄰兩單元發(fā)光區(qū)之間的N型間隔層(15),P+-N+隧道二極管(9,10)，及P型間隔層(11)共同構(gòu)成一無源波導(dǎo)區(qū)，呈交替組合的多級有源波導(dǎo)區(qū)與無源波導(dǎo)區(qū)相互耦合，將發(fā)光區(qū)耦合成為一多級耦合整體大光腔(4)。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高效大功率大光腔半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述的發(fā)光區(qū)中，每相鄰兩單元發(fā)光區(qū)(8)及位于它們之間的P+-N+隧道二極管(9,10)共同構(gòu)成一單元大發(fā)光區(qū)，各單元大發(fā)光區(qū)串聯(lián)排列，前一級單元大發(fā)光區(qū)的后級發(fā)光區(qū)構(gòu)成后一級單元大發(fā)光區(qū)的前級發(fā)光區(qū)。
全文摘要
一種高效大功率大光腔半導(dǎo)體激光器,屬于半導(dǎo)體光電子技術(shù)領(lǐng)域,其特征是,采用了由多個(gè)重復(fù)排列的單元發(fā)光區(qū)及位于每相鄰兩單元發(fā)光區(qū)之間的P
文檔編號H01S5/32GK1226759SQ9910039
公開日1999年8月25日 申請日期1999年1月28日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月3日
發(fā)明者沈光地, 殷濤, 廉鵬, 陳建新, 鄒德恕, 高國, 陳良惠, 王啟明, 杜金玉, 韓金茹, 陳昌華 申請人:北京工業(yè)大學(xué)