[发明专利]包括多个MQW区的MQW激光器结构

说明书

相关申请的交叉参照

本申请要求2008年12月16日提交的美国专利申请No.12/336,050的优先权，该申请通过引用结合于此。

背景

领域

本发明涉及半导体激光器，更具体地涉及激光器结构中增加的光学限制。

技术背景

本发明人已经认识到，为了改善对在半导体激光器的波导中传播的光的光学限制，应当减少或排除输出耦合至激光器衬底的受限制模式。此外，应当使激光器有源区周围的光场分布变窄，以确保光学传播模式与增益区之间的有效交迭，并防止由于光学模式穿透到有源区附近的金属接触区中而引起的光学损失。这些挑战对于在约450nm和约600nm之间的波长下工作的半导体激光器而言尤其严重，因为此类激光器通常易于光学泄漏。

概述

半导体激光器可包括光学异质结构，包括例如夹在两个包覆层之间的具有较高折射率的波导层，其中两个包覆层的折射率低于波导的折射率。包覆层用于使光学模式宽度变窄，且该模式在包覆层中按指数规律衰减，因为包覆层折射率低于波导的有效折射率。波导的有效折射率n_eff与包覆层的折射率之差越大，包覆层中的模式穿透越少，且该模式越窄。因此，通过提高波导中的折射率或减小包覆层的折射率，可实现窄模式。

如果波导的有效折射率n_eff低于衬底的折射率，则光通过下部包覆层隧穿到衬底中是可能的。为降低此可能性，n_eff与包覆层折射率之差应当尽可能大。理想情况下，需要使包覆层尽可能厚，且使之具有接近或高于衬底折射率的n_eff。不幸的是，在III族氮化物半导体激光器的情况下，异质结构中由晶格失配引起的应变和InGaN的热不稳定性对激光器施加了重要的设计约束。例如，生长足够厚的且具有足够高Al含量的AlGaN包覆层以降低包覆层折射率是有挑战性的，因为AlGaN拉应变在该结构中产生开裂问题。由于像高压应变、糟糕的热稳定性以及材料掺杂困难等因素，生长具有足够In含量的InGaN异质结构也是困难的。

本发明人也已经认识到，包覆层折射率的降低将不会相对于激光器衬底的折射率产生高的波导有效折射率n_eff，因为根据光学限制物理学，包覆层折射率的降低会导致波导有效折射率n_eff的降低。根据本发明的主题，在例如大于450nm激射波长下操作的半导体激光器的波导区的有效折射率n_eff可通过在激光器结构中引入多个MQW区而被增大，从而增强激光器结构中的光学限制。该增强的光学限制减少了模式向激光器衬底的泄漏，且有助于防止由于光学模式穿透到激光器结构的有源区附近的金属接触区中而引起的光学损失。例如，在接触金属被沉积在激光器结构的上部包覆层之上的情况下，即便通过上部包覆层轻微穿透到金属层中的模式尾部也会是显著光学损失的起源，因为金属中的吸收是极其高的。上述波导区的有效折射率n_eff的提高会减少该模式尾部穿透。

根据本发明的一个实施例，提供了一种多量子阱激光二极管，其包括激光器衬底、半导体有源区、波导区以及包覆区。该有源区包括至少一个有源MQW区和至少一个无源MQW区。有源MQW区被配置用于光子的电泵浦受激发射。无源量子阱区在有源MQW区的激射光子能量下是光学透明的。每个MQW区包括多个量子阱和介于其间的势垒层厚度为a的多个势垒层。毗邻的MQW区被间隔层厚度为b的间隔层所分开。间隔层厚度b大于势垒层厚度a。量子阱的带隙低于介于其间的势垒层和间隔层的带隙。各个有源区、波导区以及包覆区形成位于激光器衬底上的多层二极管，以使波导区引导来自有源区的受激光子发射，且包覆区促进所发射光子在波导区中的传播。

根据本发明的另一实施例，提供了一种多量子阱激光器结构，其中有源区包括被配置用于光泵浦的光子受激发射的一个或多个有源MQW区。每个MQW区包括多个量子阱以及介于其间的势垒层厚度为a的氮化物势垒层，这多个量子阱包括减小带隙的III族氮化物组分。毗邻的MQW区被间隔层厚度为b的氮化物间隔层所分开。间隔层厚度b大于势垒层厚度a。量子阱的带隙低于介于其间的氮化物势垒层和氮化物间隔层的带隙。各个有源区、波导区以及包覆区在激光器衬底上形成多层结构，以使波导区引导来自有源区的受激光子发射，且包覆区促进所发射光子在波导区中的传播。

根据本发明的又一实施例，间隔层厚度b大于势垒层厚度a，且在约10nm与约150nm之间。势垒层厚度a在约2nm与约30nm之间。