[发明专利]一种超晶格波导半导体激光器结构

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件技术领域，尤其涉及一种超晶格波导半导体激光器结构。

背景技术

半导体激光器广泛应用于材料加工、医用、信息存储和军事等方面，例如，激光加工、激光医疗、激光退火和激光制导等。半导体激光器诞生以来，国内外的研究机构和单位从外延材料、结构设计、制作技术等方面对其进行了详尽的研究。高转换效率、低损耗、高稳定性、高光束质量的大功率半导体激光器的研究和应用也逐渐成熟起来。随着研究的深入，激光器的各项性能都有所提升。但半导体激光器还是存在很多不尽如人意的地方，例如，在大功率输出特性、模式控制、光束质量上，半导体激光器就明显逊色于气体或固体激光器。这源自半导体激光器的波导结构，半导体外延材料简单的体材料波导层，影响着对电子和空穴的限制，同时影响着光场在波导中的分布情况，特别是P型波导，光场与高掺杂的P型波导重叠，会增大激光器的损耗，降低了输出功率。

为了满足工业和军事应用需求，提高半导体激光器功率、改善电学特性以及实现高质量的光束输出成为研究的热点，为此人们也想出了各种方法，尝试了多种结构。提高激光器效率的核心问题一方面是增强对电子的空穴的限制，提高复合效率，同时降低激光器的损耗，从而增大输出功率；另一方面是减小串联电阻，实现低阈值，减小废热，从而延长激光器的使用寿命。为此，早期研究人员提出了一系列的波导结构，设计了诸如双异质结波导，非对称波导，渐变掺杂波导，折射率渐变波导等，这些设计的核心都是增加对电子和空穴的限制，改善光场的分布，在一定程度上增加了输出功率。但从增加对电子和空穴的限制及改善光场分布同时考虑的角度来看，这些结构还不能满足人们的意愿，因此急需新的结构来实现低损耗，高功率输出的半导体激光器。

发明内容

本方法的主要目的在于提供一种超晶格波导半导体激光器的结构，解决半导体激光器存在的对电子和空穴电学限制不平衡，以及采用异质波导后光场分布优化的问题。

为了实现上述目的，本发明提出了一种超晶格波导半导体激光器结构，包括：

一N型GaAs衬底，该衬底用于在其上外延生长激光器各层材料；

一N型GaAs缓冲层，该缓冲层制作在衬底上，主要用以调节晶格适配度；

一N型下限制层，为N-In_1-xGa_xAs_yP_1-y材料，该N型下限制层制作在缓冲层上，用来限制光场向下的泄露；

一N型下波导层，为N-In_1-xGa_xAs_yP_1-y材料，该下波导层制作在下限制层上，用来增加对光场模式和载流子的限制；

一量子阱层，该量子阱有源区材料为较成熟的In_xGa_1-xAs该量子阱为单量子阱，制作在下波导层上；

一P型上超晶格波导层，为P-Al_xGa1_-xAs材料，该上超晶格波导层制作在量子阱层上，用于调制波导的有效折射率，实现光场的最优分布；

一P型上波导层，为P-Al_xGa_1-xAs材料，该P型上波导层制作在上超晶格波导层上，用来增加对光场模式和载流子的限制；

一P型上限制层，为P-Al_xGa_1-xAs材料，该P型上波导层制作在上波导层上，用来限制光场向上的泄露；

一过渡层，为P-GaAs材料，该过渡层制作在P型上限制层上；

一电极接触层，为P-GaAs材料，该电极接触层制作在过渡层上，用来与金属形成电极。

其中所述量子阱为单阱结构，其特征在于单阱结构能降低阈值，从而满足高效率的要求。

其中所述P型上超晶格波导结构包括：两种不同组分的Al_xGa_1-xAs,其中一种Al_xGa_1-xAs的Al组分比另一种的高，两种组分的Al_xGa_1-xAs的厚度都是纳米级别，相互交替生长。

其中所述P型上超晶格波导结构的材料Al_xGa_1-xAs，较低Al组分的x为0.1-0.3，较高Al组分的x为0.3-0.6。