[發(fā)明專利]具有低工作電壓及高功率轉(zhuǎn)換效率的半導(dǎo)體激光器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410487021.0
• 申請日: 2014-09-22
• 公開（公告）號: CN104242057B
• 公開（公告）日: 2017-08-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 朱振;張新;李沛旭;蔣鍇;徐現(xiàn)剛
• 申請（專利權(quán)）人: 山東華光光電子股份有限公司
• 主分類號: H01S5/323
• 分類號: H01S5/323;H01S5/20
• 代理公司: 濟(jì)南日新專利代理事務(wù)所37224
• 代理人: 王書剛

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體激光器，具有低工作電壓及高功率轉(zhuǎn)換效率，屬于半導(dǎo)體激光器技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

高功率半導(dǎo)體激光器由于具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本較低、光場易于調(diào)控等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于泵浦固體激光器、材料加工、激光醫(yī)療等方面。在這些應(yīng)用中，要求半導(dǎo)體激光器在長期高功率輸出條件下具有優(yōu)良的可靠性。對于半導(dǎo)體激光器，限制其輸出功率及影響其可靠性的主要因素有材料內(nèi)部缺陷對光子的散射及吸收，有源區(qū)溫度升高使得載流子溢出，高功率密度下載流子的非輻射復(fù)合產(chǎn)生大量熱而導(dǎo)致腔面被燒毀。因此在制作大功率半導(dǎo)體激光器時，一方面要優(yōu)化管芯后道工藝，使得芯片產(chǎn)生的熱量盡快釋放出去，比如倒裝封裝以及硬焊料燒結(jié)都會提高半導(dǎo)體激光器高功率輸出時的壽命。另一方面，要精心設(shè)計激光器的外延結(jié)構(gòu)，優(yōu)化材料生長工藝，提高半導(dǎo)體激光器的電光轉(zhuǎn)換效率，從而降低注入載流子密度及焦耳熱的產(chǎn)生。

AlGaAs材料由于易于生長且材料晶格匹配，是最早用于制作半導(dǎo)體激光器的材料。但是含鋁材料極易氧化，會形成深能級，增強(qiáng)載流子的非輻射復(fù)合速率，致使半導(dǎo)體激光器的腔面過熱，促進(jìn)了暗線缺陷的產(chǎn)生及擴(kuò)展，從而降低激光器的輸出功率及可靠性。近年來，具有無鋁有源區(qū)的(Al)GaInP/GaAsP結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器引起了人們很大關(guān)注。相比于AlGaAs材料的半導(dǎo)體激光器，它具有以下優(yōu)點：有源區(qū)無鋁能有效抑制暗線缺陷的產(chǎn)生，減少非輻射復(fù)合中心；降低了界面復(fù)合速率，使得內(nèi)量子效率增加；張應(yīng)變量子阱在解理面弛豫增大窗口區(qū)帶隙，提高腔面光學(xué)損傷閾值。但是由于材料能帶結(jié)構(gòu)及偏振模式增益的差異，無鋁結(jié)構(gòu)的激光器要比有鋁結(jié)構(gòu)的激光器的功率轉(zhuǎn)換效率低。以808nm半導(dǎo)體激光器為例，AlGaAs材料體系的半導(dǎo)體激光器的功率轉(zhuǎn)換效率接近70％，而GaAsP體系的半導(dǎo)體激光器的功率轉(zhuǎn)換效率在60％左右。要廣泛應(yīng)用無鋁有源區(qū)的GaAsP結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器，必須提高其功率轉(zhuǎn)換效率。由于電光功率轉(zhuǎn)換效率等于輸出的光功率比上輸入電流與電壓的乘積，要提高其數(shù)值，一方面應(yīng)該降低閾值電流，提高微分量子效率，以提高光功率，另一方面應(yīng)當(dāng)優(yōu)化材料摻雜及器件結(jié)構(gòu)，盡可能的降低工作電壓。

中國專利文獻(xiàn)CN103457158A公開了一種TM偏振的GaAsP/GaInP量子阱激光器，有源區(qū)采用無鋁材料，可以有效降低鋁組分的氧化、生長界面粗糙、腔面處附加電場對激光器功率輸出及可靠性的影響。同時波導(dǎo)層和限制層設(shè)計為非對稱結(jié)構(gòu)，能夠有效降低內(nèi)損耗、提高最大輸出功率及可靠性。非專利性文獻(xiàn)Proc.of SPIE Vol.610461040B研究了InGaAsP/GaInP結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的量子阱應(yīng)變量對激光器閾值電流密度及增益系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)增大張應(yīng)變量可以有效提高光功率，從而增加半導(dǎo)體激光器的功率轉(zhuǎn)換效率。人們大多研究如何提高光功率去增加半導(dǎo)體激光器的功率轉(zhuǎn)換效率，卻鮮有研究人員關(guān)注半導(dǎo)體激光器的電壓。實際上，由于(Al)GaInP/GaAsP結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的限制層AlGaInP與歐姆接觸層GaAs的能帶不連續(xù)值較大，尤其是價帶，在異質(zhì)結(jié)界面處會形成帶階阻礙載流子的注入，產(chǎn)生多余的電壓降。所以(Al)GaInP/GaAsP結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器要比AlGaAs體系的半導(dǎo)體激光器的工作電壓大，這也造成了功率轉(zhuǎn)換效率的差異。

功率轉(zhuǎn)換效率：對于半導(dǎo)體激光器，為測得的輸出光功率除以輸入的電功率，即光功率比上輸入電流與工作電壓的乘積。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有(Al)GaInP/GaAsP結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器工作電壓大、功率轉(zhuǎn)換效率低的問題，本發(fā)明提供一種具有低工作電壓及高功率轉(zhuǎn)換效率的半導(dǎo)體激光器，該激光器還具有高可靠性最大功率輸出。

本發(fā)明的具有低工作電壓及高功率轉(zhuǎn)換效率的半導(dǎo)體激光器，采用以下技術(shù)方案：

該半導(dǎo)體激光器，其結(jié)構(gòu)從下至上依次為襯底、緩沖層、下限制層、下波導(dǎo)層、量子阱、上波導(dǎo)層、上限制層、帶隙過渡層和歐姆接觸層，上波導(dǎo)層與上限制層之間以及上限制層與帶隙過渡層之間均設(shè)置帶隙漸變過渡層，以減小P型區(qū)異質(zhì)結(jié)處能帶的不連續(xù)值，降低阻礙載流子注入的勢壘高度。同時，對N側(cè)波導(dǎo)層進(jìn)行摻雜，降低材料的串聯(lián)電阻。