專利名稱：高功率高亮度激光器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種半導體二極管激光器的芯片結構，特別涉及一種能夠增大輸出功率，能在基側、橫模單峰遠場工作，并減小遠場發(fā)散角的半導體脊形波導二極管激光器的芯片結構。
在許多實際應用中，都要求半導體激光器具有更高的輸出功率，并減小遠場發(fā)散角，最好使得垂直結平面方向與平行結平面方向的發(fā)散角相等。這樣的半導體激光器，可以滿足摻鉺光纖放大器中的泵浦源、激光手術刀、紅外照明、泵浦固體激光器以及產生倍頻的藍或綠光等諸多需要。
現(xiàn)有半導體激光器一直在提高輸出功率、單模工作和減小橫向遠場發(fā)散角等方面不斷取得進展。1993年3月23日公開的美國專利US5197077提出了一種單模、減小遠場發(fā)散角、提高輸出光功率的脊形波導二極管激光器。包含由分別夾著量子阱的三對梯度折射率層組成的多層外延結構，靠近PN結的中心量子阱沿腔長方向傳播光信號，兩邊的量子阱則提供擴展的光場，減小遠場發(fā)散角，以此結構獲得的橫向和側向遠場發(fā)散角分別為21°和3．5°。然而，由于該結構的器件橫向近場分布在中心量子阱處特別強，光功率密度最高，在高功率工作時，此處光功率密度首先達到致命光學損壞(COD)值，它限制著輸出功率的提高。
本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術的缺陷，避免在激光器諧振腔波導中形成局部的高功率密度區(qū)，以實現(xiàn)高功率的輸出。
為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供了一種半導體P-I-N二極管激光器的芯片結構，它包括由在折射率分布各不相同的一有源子波和一無源子波導之間夾接一層耦合層組成一組合波導，用作激光器的諧振腔波導，其中有源子波導是由三層或更多層的量子壘層與二層或多層量子阱有源層交替相間疊接形成，用以進行光信號的放大與振蕩并使其沿著組合波導的軸向傳播，有源子波導為不摻雜的本征區(qū)，耦合層的折射率為光信號傳播模折射率，無源子波導為折射率大于光信號傳播模折射率的導引層，在與耦合層相對的無源子波導的一側鄰接折射率低于耦合層的下層限制層，用以使光信號的傳播在組合波導軸的橫向受到適當?shù)募s束，以減小遠場發(fā)散角，下層限制層疊接在一塊半導體基片上，下層限制層、無源子波導以及耦合層均為與半導體基片相同型號的摻雜區(qū)，在與耦合層相對的有源子波導的一側鄰接折射率低于耦合層的上層限制層，同樣用以使光信號的傳播在組合波導軸的橫向受到約束，在上層限制層上形成一個約束側向電流和光信號傳播并具有臺面和溝槽的常規(guī)脊形結構，上層限制層與脊形結構均為與半導體基片相反型號的摻雜區(qū)。
本發(fā)明半導體二極管激光器的芯片結構增大了諧振腔的截面，擴充了諧振腔的有效體積，使橫向場中心有一個均勻的光子密度區(qū)，從而能夠實現(xiàn)本發(fā)明的目的，提高光的輸出功率，并有基橫模和遠場單峰結構，使光功率集中在單峰中央，提高了激光亮度。
下面結合附圖對本發(fā)明的最佳實施例進行詳細描述。


圖1為本發(fā)明第一實施例半導體激光器芯片的剖面結構示意圖。
圖2為本發(fā)明第一實施例半導體激光器芯片的組合波導材料組成分布圖。
圖3為本發(fā)明第一實施例半導體激光器芯片的組合波導的折射率和光強分布圖。
圖4為本發(fā)明第二實施例半導體激光器芯片的組合波導的折射率和光強分布圖。
圖5為本發(fā)明第一實施例半導體二極管激光器的光強隨遠場發(fā)散角的變化圖。
圖1示出本發(fā)明第一實施例半導體激光器芯片的剖面示意結構。為獲得980nm激射波長。所示的芯片結構10是用分子束外延(MBE)或金屬有機化合物化學汽相淀積(MOCVD)的方法在摻Si的n型GaAs基片22上形成的一個多層結構。它在n型GaAs基片22上，依次生長n型GaAs緩沖層24、以及包括N型Al0．35Ga0．65As第二低折射率限制層26和N型Al0．45Ga0．55As第一低折射率限制層28的下層限制層、N型Al0．2Ga0．8As高折射率無源子波導導引層30、N型Al0．336Ga0．664As耦合層32、不摻雜的GaAs量子壘層34、不摻雜的In0．2Ga0．8As量子阱有源層36、不摻雜的GaAs量子壘層38、不摻雜的In0．2Ga0．8As量子阱有源層40、不摻雜的GaAs量子壘層42、P型摻雜Al0．45Ga0．55As低折射率上層限制層44以及重摻雜P型GaAs頂蓋層46。
接著，按照已有技術在上層限制層44和頂蓋層46上加工成雙側有溝槽的脊形臺面48。溝槽底到上層限制層44和量子壘42之間界面的距離56，由臺寬而定。在整個表面淀積絕緣介質50，并在臺面48上開出窗口52。之后，再淀積p型金屬接觸層并形成p型上電極54。然后，在減薄了的半導體基片22上，形成金屬n型下電極層56。這樣就制成了一個P-I-N半導體二極管激光器的芯片結構。
圖2示出本發(fā)明第一實施例半導體二極管激光器芯片的組合波導的材料組成分布，Y軸的原點上方表示鋁組分，下方表示銦組分。圖3示出由圖2的材料組成分布所產生的折射率分布曲線A，以及在工作條件下組合波導內的光強分布曲線B。由于兩個子波導的相互耦合，使得組合波導中央耦合區(qū)的光強分布呈現(xiàn)一個平坦的均勻分布。其條件是兩個子波導具有相等的導引強度和耦合層折射率等于組合波導的傳播模折射率。顯然，這種光場避免了尖峰狀分布，增大了光場截面積。對于歸一化光強分布，光場分布積分面積用長度表示。在滿足增益閾值條件下，該項實施例激光器諧振腔光場截面積達823nm，約為通常激光器的兩倍。
本發(fā)明的第二項實施例是為獲得850nm波長激光器，在組合波導的有源子波導中具有3層GaAs量子阱層。在滿足增益閾值條件下，諧振腔光場歸一化積分面積達1023nm。其組合波導是在與半導體基片相同型號的摻雜層上依次疊接的包括N型Al0．35Ga0．65As第二低折射率限制層和N型Al0．45Ga0．55As第一低折射率限制層的下限制層、N型Al0．22Ga0．78As高折射率無源子波導導引層、N型Al0．336Ga0．664As耦合層、不摻雜的Al0．22Ga0．78As量子壘層、不摻雜的GaAs量子阱有源層、不摻雜的Al0．22Ga0．78As量子壘層、不摻雜的GaAs量子阱有源層、不摻雜的Al0．22Ga0．78As量子壘層、不摻雜的GaAs量子阱有源層、不摻雜的Al0．22Ga0．78As量子壘層、P型摻雜Al0．45Ga0．55As低折射率上層限制層以及重摻雜P型GaAs頂蓋層。
圖4示出本發(fā)明第二實施例半導體二極管激光器的組合波導中的折射率分布曲線A’以及在工作條件下組合波導內的光強分布曲線B’。更大的橫向光場積分面積，要求更多的量子阱作為有源層，以滿足增益閾值條件。量子阱有源層采用GaAs材料，比INyGa1-yAs有較寬的帶隙。因而，獲得比第一實施例激光器更短的激射波長。
圖5示出本發(fā)明第一實施例半導體二極管激光器的光強隨遠場發(fā)散角的變化，遠場發(fā)散角為25°。
權利要求
1．一種形成在一塊半導體基片上的半導體P-I-N二極管激光器的芯片結構，其特征在于，它包括由在折射率分布各不相同的一有源子波導和一無源子波導之間夾接一層耦合層組成一組合波導，用作所述激光器的諧振腔波導，其中所述有源子波導是由三層或更多層的量子壘層與二層或多層量子阱有源層交替相間疊接形成，用以進行光信號的放大與振蕩并使其沿著所述組合波導的軸向傳播，所述有源子波導為不摻雜的本征區(qū)，所述耦合層的折射率為光信號傳播模折射率，所述無源子波導為折射率大于光信號傳播模折射率的導引層，在與所述耦合層相對的所述無源子波導的一側鄰接折射率低于所述耦合層的下層限制層，用以使光信號的傳播在所述組合波導軸的橫向受到適當約束，以減小遠場發(fā)散角，所述下層限制層疊接在所述的一塊半導體基片上，所述下層限制層、所述無源子波導以及所述耦合層均為與所述半導體基片相同型號的摻雜區(qū)，在與所述耦合層相對的所述有源子波導的一側鄰接折射率低于所述耦合層的上層限制層，同樣用以使光信號的傳播在所述組合波導軸的橫向受到約束，在所述上層限制層上形成一個約束側向電流和光信號傳播并具有臺面和溝槽的常規(guī)脊形結構，所述上層限制層以及所述脊形結構均為與所述半導體基片相反型號的摻雜區(qū)。
2．按照權利要求1所述的半導體P-I-N二極管激光器的芯片結構，其特征在于，所述的半導體基片是n型GaAs半導體基片。
3．按照權利要求1所述的半導體P-I-N二極管激光器的芯片結構，其特征在于，所述的所述下層限制層疊按在所述的一塊半導體基片上還包含在所述下層限制層與所述半導體基片之間設有一層緩沖層。
4．按照權利要求2和3所述的半導體P-I-N二極管激光器的芯片結構，其特征在于，所述的緩沖層為n型GaAs層，所述下層限制層、所述無源子波導以及所述耦合層均為n型AlXGa1-XAs層，其中x在0至1的范圍內，所述量子壘層均為不摻雜的GaAs本征層，所述量子阱有源層均為不摻雜的InYGa1-YAs本征層，其中y在0至1的范圍內，所述上層限制層為P型AlXGa1-XAs層，其中的x在0至1的范圍內，所述頂蓋層為P型GaAs的低阻層。
5．按照權利要求1所述的半導體P-I-N二極管激光器的芯片結構，其特征在于，所述的下層限制層是由鄰接所述無源子波導的一層第一低折射率限制層以及與所述第一低折射率限制層鄰接的一層第二低折射率限制層組成，所述第一低折射率限制層的折射率低于所述第二低折射率限制層。
6．按照權利要求1所述的半導體P-I-N二極管激光器的芯片結構，其特征在于，所述有源子波導是由三層所述量子壘層與二層所述量子阱有源層交替相間疊接形成的。
7．按照權利要求1所述的半導體P-I-N二極管激光器的芯片結構，其特征在于，所述有源子波導是由四層所述量子壘層與三層所述量子阱有源層交替相間疊接形成的。
全文摘要
一種高功率高亮度的半導體P－I－N二極管激光器的芯片結構,它包括由在折射率分布各不相同的一有源子波導和一無源子波導之間夾接一層耦合層組成一組合波導,組合波導的無源子波導一側疊接下層限制層并疊接在一塊半導體基片上,半導體基片、下層限制層、無源子波導以及耦合層具有同一型號,有源子波導是由三層或多層量子疊層與二層或多層量子阱有源層交替疊接形成,它們是不摻雜的,有源子波導的上面疊接P型的上層限制層和一脊形結構。
文檔編號H01S5/32GK1204175SQ9810233
公開日1999年1月6日 申請日期1998年6月2日 優(yōu)先權日1998年6月2日
發(fā)明者張敬明 申請人:中國科學院半導體研究所