多有源区外延结构、采用其的半导体激光器及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及大功率半导体激光器技术领域，尤其涉及一种多有源区外延结构、采用其的半导体激光器及其制作方法。
【背景技术】
[0002]近年来，半导体激光器以其转换效率高、体积小、重量轻、寿命长、可靠性高、可直接调制、易于与其它半导体器件集成等特点，在军事、工业加工、精密测量、激光医疗、光通信、光存储以及激光打印等领域获得了广泛而深远的应用。而大功率半导体激光器由于其输出功率高的特点，在金属切割、激光熔覆、深熔焊等工业领域以及航空航天、国防军事应用等领域迅速发展。
[0003]而限制近红外大功率半导体激光器输出功率进一步提高的主要因素是腔面光学灾变性损伤。因此优化外延结构和制作工艺，降低腔面处的平均功率密度，是提升近红外半导体激光器输出功率的主要手段。
[0004]在提升半导体激光器的输出功率方面，主要通过两种方式:一是直接提高半导体激光器芯片上单管/单个发光单元的输出功率。目前通过这种方式，近红外半导体激光器单管可以实现连续输出超过10W，最高可达25W的大功率输出；另一种是通过增加半导体激光器器件的单管/发光单元/bar条数量，再通过单管合束、线阵合束、叠阵合束等外部合束的方式，获得所需的大功率激光输出。目前通过这三种外部合束的方式，所获得的输出功率分别可以达到数百瓦、数百瓦到3000W、上万瓦乃至数十万瓦。
[0005]在提升半导体激光器的光束质量方面，基模的远场发散角、能否实现稳定的基模激射、远场光斑分布等成为最主要的考量指标。一般地，传统的半导体激光器水平发散角为6?12°，而半导体激光器芯片在外延方向上仅仅为数百纳米到1 ym的尺度，这不仅使得腔面出光功率密度过大，从而限制激光功率的进一步提升；还由于垂直于结方向的发光尺寸小于激射波长，不可避免的衍射效应使得半导体激光器的垂直发散角高达30?50°。最终输出的激光光束为椭圆的光斑，不利于后续对光束进行聚集、准直、整形以及与光纤的耦合。另外，大功率输出则意味着需要大的波导层厚度，也会引入高阶横模的激射，从而增大了半导体激光器的远场发散角，恶化光束质量。
【发明内容】
[0006]有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提供一种隧道级联多有源区外延结构，以便提高斜率效率、降低光功率密度、增大输出功率，并大大减小垂直发散角。本发明的再一目的在于提供一种采用该外延结构的半导体激光器及其制造方法。
[0007]为实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种隧道级联多有源区外延结构，包括:
[0008]—衬底；
[0009]多个有源区，所述多个有源区依次在所述衬底上形成，且所述多个有源区之间均通过一反偏的PN结来连接。
[0010]其中，反偏的PN结中P型材料的厚度为10?20nm，N型材料的厚度为10?20nm。
[0011]作为优选，所述反偏的PN结由层叠的P型镓砷层和N型镓砷层构成。
[0012]作为优选，所述多个有源区中的每一个均包括下限制层、下波导层、有源层、上波导层、上限制层，其中所述有源层与所述上、下波导层及上、下限制层共同形成分别限制异质结构。
[0013]作为优选，所述多个有源区中的每一个均由量子阱和量子皇组成，其中所述量子阱优选为铝镓铟砷和铝镓砷材料系形成的压应变量子阱。
[0014]作为优选，所述多个有源区的数目为2-5个，优选为2-3个。
[0015]作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种采用如上所述的隧道级联多有源区外延结构的半导体激光器。
[0016]作为本发明的再一个方面，本发明还提供了一种隧道级联多有源区外延结构的制造方法，包括以下步骤:
[0017]步骤1:在衬底上形成一有源区，所述有源区包括依次生长的下限制层、下波导层、有源层、上波导层和上限制层，且所述有源区为一分别限制异质结构的完整发光区；
[0018]步骤2:在所述有源区上形成一个反偏的PN结构；
[0019]步骤3:在所述反偏的PN结构上再次形成一有源区，所述有源区包括依次生长的下限制层、下波导层、有源层、上波导层和上限制层，且所述有源区为一分别限制异质结构的完整发光区；
[0020]步骤4:根据设计需要重复上述步骤2和步骤3。
[0021]作为优选，所述反偏的PN结构由掺杂的P型镓砷层和N型镓砷层组成。
[0022]作为本发明的还一个方面，本发明还提供了一种半导体激光器的制造方法，包括以下步骤:
[0023]通过如上所述的制造方法制造隧道级联多有源区外延结构；
[0024]在最上面的有源区上依次生长缓冲层和电极接触层，最后使用宽面条形激光器制作工艺来完成后续激光器的制作。
[0025]结合上述技术方案和实际的器件制作，可以看出本发明具有如下有益效果:(1)本发明的外延结构由于片内的两个有源区之间的波导层和限制层很薄，在外延方向上的两个发光区之间距离很近，耦合形成的超大光腔在外延方向上的尺度可以达到1.5?
4.5 μπι。近场光场分布的扩展有效减小了腔面处的功率密度，有利于提高腔面损伤阈值功率，并最终使得大功率的半导体激光器可以工作在一个更高的功率输出水平；(2)近场光场分布的扩展可以有效地减小衍射效应，使得远场垂直发散角可以大大降低，获得的近圆形光斑可以更容易耦合进光纤；此外，高光束质量也有利于后续对光束进行聚集、准直和整形；(3)相较于传统的半导体激光器，相应于有源区的个数，斜率效率可以提高至将近2?3倍；(4)由于多有源区结构属于片内集成，只需要一次外延即可，而传统的叠阵两个有源区之间通过电极连接，不仅会引入额外的制作工艺，且接触电阻也会产生额外的热量，从而增加了器件的散热负担；(5)可以在单个芯片上实现多个有源区之间不同波长的同时激射，有望应用于一些特殊的场合。
【附图说明】
[0026]图1为本发明的隧道级联双有源区半导体激光器的外延生长结构图；
[0027]图2为本发明的隧道级联双有源区半导体激光器的模拟P-1-V曲线图；
[0028]图3为本发明的隧道级联三有源区半导体激光器的近场分布图；
[0029]图4为本发明的隧道级联三有源区半导体激光器的远场分布图。
【具体实施方式】
[0030]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0031]本发明公开了一种隧道级联多有源区外延结构，包括:
[0032]—衬底；
[0033]多个有源区，所述多个有源区依次在所述衬底上形成，且所述多个有源区之间均通过一反偏的PN结来连接。
[0034]其中，反偏的PN结中，P型材料的厚度为10?20nm，N型材料的厚度为10?20nm。
[0035]作为优选，该反偏的PN结由层叠的P型镓砷层和N型镓砷层构成。
[0036]作为优选，该多个有源区中的每一个均包括下限制层、下波导层、有源层、上波导层、上限制层，其中有源层与上、下波导层及上、下限制层共同形成分别限制异质结构。
[0037]作为优选，该多个有源区中的每一个均由量子讲和量子皇组成，其中量子讲优选为铝镓铟砷和铝镓砷材料系形成的压应变量子阱。
[0038]作为优选，多个有源区的数目为2-5个，优选为2-3个。
[0039]本发明还公开了一种采用如上所述的隧道级联多有源区外延结构的半导体激光器。
[0040]本发明还公开了一种隧道级联多有源区外延结构的制造方法，包括以下步骤:
[0041]步骤1:在衬底上形成一有源区，所述有源区包括依次生长的下限制层、下波导层、有源层、上波导层和上限制层，且所述有源区为一分别限制异质结构的完整发光区；
[0042]步骤2:在所述有源区上形成一个反偏的PN结构；
[0043]步骤3:在所述反偏的PN结构上再次形成一有源区，所述有源区包括依次生长的下限制层、下波导层、有源层、上波导层和上限制层，且所述有源区为一分别限制异质结构的完整发光区；
[0044]步骤4:根据设计需要重复上述步骤2和步骤3。
[0045]作为优选，该反偏的PN结构由掺杂的P型镓砷层和N型镓砷层组成。
[0046]本发明还公开了一种半导体激光器的制造方法，包括以下步骤:
[0047]通过如上所述的制造方法制造隧道级联多有源区外延结构；
[0048]在最上面的有源区上依次生长缓冲层和电极接触层，最后使用宽面条形激光器制作工艺来完成后续激光器的制作。
[0049]作为本发明的一个优选实施例，本发明公开了一种隧道级联多有源区外延结构，包括:
[0050]一一衬底，该衬底用于在其特定晶面上生长激光器各外延层材料；
[0051]缓冲层，该缓冲层制作在衬底上；
[0052]—一N型下限制层，该下限制层制作在缓冲层上；
[0053]—一N型下波导层，该下波导层制作在N型下限制层上；
[0054]—一量子阱层，该量子阱层制作在N型下波导层上；
[0055]—一P型上波导层，该波导层制作在量子阱层上；
[0056]一一P型上限制层，该限制层制作在P型上波导上；
[0057]一一P型隧道结层，该隧道结层制作在P型上限制层上；
[0058]一一N型隧道结层，该隧道结层制作在P型隧道结层上；
[0059]一一N型下限制层，该下限制层制作在N型隧道结层上；
[0060]一一N型下波导层，该下波导层制作在N型下限制层上；
[0061]—一量子阱层，该量子阱层制作在N型下波导层上；
[0062]—一P型上波导层，该波导层制作在量子阱层上；
[0063]一一P型上限制层，该限制层制作在P型上波导上；
[0064]—一过渡层，该过渡层制作在P型上限制层上；
[0065]—一电极接触层，该电极接触层制作在过渡层上；
[0066]——P面电极，该P面电极制作在宽面台面电极接触层上；
[0067]——N面电极，该N面电极制作在衬底下。
[0068]其中，衬底为(100)面的N型砷化镓材料。
[0069]其中，缓冲层为N型砷化镓材料。
[0070]其中，N型下限制层为N型铝镓砷材料。
[0071]其中，下波导层为N型铝镓砷材料。
[0072]其中，量子阱层为铝镓铟砷材料的单量子阱结构。
[0073]其中，P型上波导层为P型铝镓砷材料，厚度在100?500nm之间。
[0074]其中，P型上限制层为P型铝镓砷材料，厚度在100?500nm之间。
[0075]其中，P型隧道结