一种应变补偿型半导体激光器结构的制作方法

本专利涉及光电子学领域，特别涉及一种应变补偿型半导体激光器结构。

背景技术：

光纤激光器是由泵浦源，耦合器，掺稀土元素光纤，谐振腔等部件构成。作为继CO₂激光器和固体激光器之后的第三代激光器，与传统二氧化碳激光器相比，具有 20% 耗电、10%体积、4倍速度快、20%转换效率高等优点。

高功率光纤激光器将半导体激光器泵浦技术和双包层光纤掺杂制造技术有机结合起来，吸收两者优势，将高功率、低亮度、廉价的多模半导体激光器光通过泵浦双包层光纤结构，实现高亮度、衍射受限的单模激光输出，大大提高了耦合及转换效率，增加了输出激光功率。

半导体激光器抽运源作为光纤激光器中的唯一有源器件，其成本占整个光纤激光器的60~70%，并且决定了整个激光器的可靠性和稳定性，是光纤激光器的关键器件，对光纤激光器的可靠性、寿命和制作成本等影响至关重要。

半导体激光器的外延结构是其获得高性能的根本，也其优化也是改善其性能中最关键的一环。它是一个PN结结构。通常的半导体激光器结构包括有源区、限制层、波导层、接触层等。

有源区是由窄带隙的量子阱和带隙相对较宽的势垒构成，其数量可以为一，称为单量子阱；也可以为两个以上，称为多量子阱。为了改善阱材料的能带特性，采用加入应变的形式。应变的引入会带来许多新的特征，如材料中能带结构的改变、轻重空穴带分离、空穴有效质量的减小、态密度改善、透明载流子浓度降低、微分增益增大等。这些特性在某种程度上影响了半导体激光器的性能，尤其是激光器的增益特性。

通常来讲，施加应变越大，对增益特性的改善越明显，但是，由于在外延生长中，应变材料的无位错生长受到临界厚度的限制。尽管这一临界厚度可能随生长条件发生一定的变化，但总体来讲，这一临界厚度总是存在的，并且和应变层中应变的大小直接相关。可以认为，超过这一临界厚度，应变材料就会由产生失配位错的方式释放应力。而位错在材料中会形成非辐射复合中心，从而降低辐射发光的效率。

为了克服应变量子阱的这一弊端，我们在本专利中采用了应变补偿量子阱结构进行高功率半导体激光器的制作。

技术实现要素：

本实用新型是要提供一种应变补偿型半导体激光器结构，在上述结构中使用应变方向与量子阱中阱材料相反的材料做垒材料，来平衡阱材料的应变，减小宏观应变，推迟或者抑制位错的产生，器件的最大输出功率有效提高。

为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：

一种应变补偿型半导体激光器结构，包括衬底层以及在所述衬底层由下至上依次生长的缓冲层、下限制层、下波导层、有源层、上波导层、上限制层和欧姆接触层，所述有源层为应变补偿量子阱材料。

优选地，所述应变补偿量子阱材料包括压应变阱材料和张应变垒材料，所述压应变阱材料和张应变垒材料交替排列构成所述有源层。

优选地，所述压应变阱材料为InGaAs材料，张应变垒材料为GaAsP材料或AlGaAsP材料。

优选地，所述InGaAs材料的厚度为3~12nm，所述GaAsP材料或AlGaAsP材料的厚度为5~15nm。

优选地，所述的衬底层为GaAs材料。

优选地，所述上限制层与所述下限制层为AlGaAs材料。

优选地，所述上波导层与所述下波导层为AlGaAs材料。

优选地，所述缓冲层为GaAs材料，所述缓冲层厚度为0.02~2μm。

优选地，所述下限制层的厚度为0.5~2.5μm。

优选地，所述上波导层的厚度为0.1~0.8μm，所述下波导层的厚度为0.1~0.8μm。

本实用新型提出的应变补偿型半导体激光器结构，与传统结构相比，本实用新型的有源层为压应变量子阱材料，具体的有源层为InGaAs/GaAsP量子阱材料，掺杂类型为非故意掺杂，其中InGaAs材料为阱材料，厚度为3~12nm；GaAsP为垒材料，厚度为5~15nm；有源层的阱材料晶格常数大于衬底材料GaAs，垒材料晶格常数小于衬底材料GaAs，为压应变，如此设计有效克服应变材料超过临界厚度后，应变材料就会由产生失配位错的方式释放应力，且位错在材料中会形成非辐射复合中心，从而降低辐射发光的效率的这一弊端，不仅能够改善晶体质量，而且提高了器件结构的增益和输出功率。

附图说明

图1为本实用新型的应变补偿型半导体激光器结构示意图；

图2为本实用新型有源区量子阱的具体结构示意图；

图3为采用InGaAs作为压应变阱材料（In组分0.05~0.5），不同的张应变垒材料（a）GaAs0.8P0.2 （b）GaAs0.9P0.1 （C）GaAs 对应的临界厚度的变化；

图中：1-衬底层，2-缓冲层，3-下限制层，4-下波导层，5-有源层，51-张应变垒材料，52-压应变阱材料6-上波导层，7-上限制层，8-欧姆接触层。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。

如图1所示，为本实用新型的应变补偿型半导体激光器结构。

本实用新型的应变补偿型半导体激光器结构是一种能够提高光纤激光器泵浦源的半导体激光泵浦源输出功率的大光腔结构。

从图1可以看出应变补偿型半导体激光器结构的基本结构包括衬底层1、缓冲层2、下限制层3、下波导层4、有源层5、上波导层6、上限制层7、欧姆接触层8，八层结构构成完整的激光器结构。

有源层5为InGaAs/GaAsP量子阱材料，有源层5的禁带宽度为Eg1，上波导层6的禁带宽度为Eg2，上限制层7的禁带宽度为Eg3，满足关系式：Eg1<Eg2<Eg3，n1<n2<n3，掺杂方式为非故意掺杂。其中InGaAs材料为压应变阱材料52，组分具体为In0.2Ga0.8As，厚度为3~12nm；GaAsP为张应变垒材料51，组分具体为GaAs0.92P0.08，厚度为5~15nm。与现有技术的区别在于阱材料晶格常数大于衬底材料GaAs，为压应变，张应变垒材料51晶格常数小于衬底材料GaAs，为压应变。现有技术中应变材料超过临界厚度后，应变材料就会由产生失配位错的方式释放应力，且位错在材料中会形成非辐射复合中心，从而降低辐射发光的效率，本实用新型的应变补偿型半导体激光器结构中的有源区5采用应变方向与量子阱中阱材料相反的材料做垒材料，来平衡了阱材料的应变，减小宏观应变，会有效推迟或者抑制位错的产生，最终不仅仅能够改善晶体质量，而且提高了器件结构的增益和输出功率。

上波导层6为Al0.21Ga0.79As材料，厚度0.6μm，与下波导层材料和厚度基本一致。衬底层1采用化合物半导体材料GaAs衬底，掺杂类型为n型掺杂，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，衬底层1的厚度为350μm，尺寸为3英寸。缓冲层2与衬底材料相同的GaAs缓冲层，厚度0.8μm, n型掺杂，1×10¹⁸cm^-3。下限制层3为Al0.6Ga0.4As材料，其厚度为1.5μm，其禁带宽度表示为Eg3，掺杂类型为n型掺杂，掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3。下波导层4为Al0.21Ga0.79As材料，厚度在0.6μm，其禁带宽度表示为Eg2，Eg2<Eg3，非故意掺杂。上波导层6为Al0.21Ga0.79As材料，厚度在0.6μm，其禁带宽度表示为Eg2，Eg2<Eg3，非故意掺杂。上限制层7为Al0.6Ga0.4As材料，其厚度为1.5μm，其禁带宽度表示为Eg3，掺杂类型为P型掺杂，掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3。欧姆接触层8为GaAs材料，厚度为0.2μm，掺杂类型为P型掺杂，掺杂浓度为2×10¹⁹cm-3。

如图2所示，为有源区5的结构示意图，有源区5为压应变阱材料52和张应变垒材料51交替排列构成，图3它由5.1垒材料和5.2阱材料交替排列而成。只有一个压应变阱材料52层的时候称为单量子阱，压应变阱材料52层的个数大于1时称为多量子阱。

如图3所示，采用InGaAs作为压应变阱材料52，In组分0.05~0.5，不同的张应变垒材料51为（a）GaAs0.8P0.2 ，（b）GaAs0.9P0.1 ，（C）GaAs 对应的临界厚度的变化。图3中可见，随着垒材料中P组分的增加即压应变的增加，材料临界厚度升高。只要我们能够处理好生长过程中阱和垒的界面，我们就可以获得更高质量的量子阱材料。

本实施例的应变补偿型半导体激光器结构，包括八层结构，与现有技术的器件结构相比，本实施例的特别之处在于，有源区采用了为InGaAs/GaAsP量子阱材料，上述材料作为有源区的组成材料使得器件的最大输出功率有效提高。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的具体方法。但是本实用新型并不限定于上述实施方式，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出若干改变和修饰，这些改进和修饰也将落入本实用新型权利要求的保护范围内。