半导体激光器及其激光谐振腔、光学限制结构的制作方法

本发明涉及激光器领域，尤其涉及一种半导体激光器及其激光谐振腔、光学限制结构。

背景技术：

随着激光器的工作波长的增加，采用1～10％铝组分铝镓氮和0-6％in组分的铟镓氮所形成的光学限制结构对光的限制作用会降低。原因是由铝镓氮构成的包覆层和由铟镓氮构成的波导层的折射率会随波长的增加而降低，但是相对而言波导层的折射率会降低的更多，这就导致限制层和波导层之间的折射率差减小，从而导致光场限制作用减弱。为了解决上述问题，现有的一种方案是大幅度提高两种材料的厚度，另一种方案是分别增加两种材料中的铝组分和铟组分，两种方法都可以在一定程度上提高光学限制作用，避免光场泄露(漏模)现象的产生。

然而上述方法会带来包覆层和波导层之间的晶格失配加剧的问题。氮化镓基激光器基于生长在氮化镓衬底上一系列外延层构成，其中铝镓氮和铟镓氮材料与氮化镓衬底的晶格参数不同，所以外延过程中铝镓氮和铟镓氮材料都会因为晶格失配而产生应力，具体来说铝镓氮会受到张应力，铟镓氮会受到压应力。随着铝镓氮和铟镓氮材料组分或者厚度的增加，应力也会增加，最终导致铝镓氮层产生裂纹，或者铟镓氮中产生失配位错。这些缺陷的产生都会对器件性能产生不利的影响。

技术实现要素：

为了达到上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：

本发明的一方面提供了一种用于形成激光谐振腔的光学限制结构，包括波导层和设于所述波导层表面上的包覆层，所述包覆层的折射率小于所述波导层的折射率，所述包覆层用于反射从所述波导层射入所述包覆层的光线，其中，所述包覆层为铝铟镓氮四元合金。

优选地，构成所述包覆层的铝铟镓氮四元合金中，铝的摩尔组分小于20％，且铟的摩尔组分小于10％，当组分大于上述范围会带来外延生长的困难，无法获得高质量材料。

优选地，所述包覆层的生长温度为700℃～900℃、生长压力为200mbar～500mbar、生长速率为0.01nm/s～0.5nm/s，在此生长范围内才能克服铝氮和铟氮材料固有的外延生长窗口差异。

本发明的另一方面提供了一种激光谐振腔，包括第一光学限制结构和第二光学限制结构，所述第一光学限制结构和所述第二光学限制结构均为上述的光学限制结构，所述第一光学限制结构的波导层与所述第二光学限制结构的波导层彼此面对设置。

优选地，所述第一光学限制结构的所述波导层与所述包覆层之间的折射率差值的绝对值大于所述第二光学限制结构的所述波导层与所述包覆层之间的折射率差值的绝对值。

优选地，所述第二光学限制结构的所述波导层与所述包覆层之间设有电子阻挡层。

本发明的又一方面提供了一种半导体激光器，包括衬底和上述的激光谐振腔，所述激光谐振腔的所述第一光学限制结构的包覆层设于所述衬底上，所述第一光学限制结构的波导层与所述第二光学限制结构的波导层之间设有量子阱有源层。

优选地，所述量子阱有源层包括叠层的量子阱单层和量子阱垒单层，其中，所述量子阱单层朝向所述第一光学限制结构，所述量子阱垒单层朝向所述第二光学限制结构。

优选地，所述衬底与所述第一光学限制结构的包覆层之间设有n型氮化镓层。

优选地，所述第二光学限制结构的包覆层的背向于所述波导层的一侧表面上依序叠层设有p型氮化镓层和接触层。

与现有技术相比，本发明采用了铝铟镓氮(alxinyga1-x-yn)形成光学限制结构的包覆层，由于铝铟镓氮是一种四元合金，其带隙大小和禁带宽度由铝和镓组分共同决定，可以同时调节其晶格参数和禁带宽度(折射率)，这样就使得在降低包覆层的折射率的同时不产生包覆层和波导层之间的晶格失配，从而能够稳定地生长包覆层结构，而且，进一步地由于消除了晶格失配从而消除了外延片在生长过程中翘曲的问题，从而改善了产品的良率。

附图说明

图1为本发明光学限制结构的结构示意图；

图2为本发明激光谐振腔的结构示意图；

图3为本发明半导体激光器的结构示意图；

图4为铝铟镓氮包覆层生长过程中的曲率变化图；

图5为铝镓氮包覆层生长过程中的曲率变化图；

图6为采用algan包覆层的激光器与采用alingan包覆层的激光器之间的远场光斑分布对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种用于形成激光谐振腔的光学限制结构1。本实施例的光学限制结构1包括波导层12和设于所述波导层12表面上的包覆层11。所述包覆层11的折射率小于所述波导层12的折射率。所述包覆层11用于反射从所述波导层12射入所述包覆层11的光线。

具体地，本实施例中，所述包覆层11为铝铟镓氮(alxinyga1-x-yn)四元合金。铝铟镓氮(alxinyga1-x-yn)的带隙大小和禁带宽度由铝和镓组分共同决定，可以同时调节包覆层11的晶格参数和禁带宽度(折射率)。这样就使得在降低所述包覆层11的折射率的同时，还能够使所述包覆层11与所述波导层12之间不产生较大的晶格失配，从而能够稳定地生长包覆层结构11。如图6所示，图6为采用传统结构algan包覆层和新结构alingan包覆层的激光器的远场光斑分布，可以清晰地看到，传统结构激光器(采用了algan包覆层)由于漏模，在垂直方向上光场分布不再是典型的高斯分布，预示着光束质量的恶化，而采用alingan包覆层的激光器，由于可以稳定地生长更低折射率或者更厚，器件光学限制得到加强，光场漏模现象得到显著的抑制。以此可见，光学限制结构1中采用铝铟镓氮(alxinyga1-x-yn)四元合金可以有效地提高所述光学限制结构1的光学限制作用。

具体地，为了同时调节包覆层11的晶格参数和禁带宽度，构成所述包覆层11的铝铟镓氮四元合金必须满足以下条件：

铝的摩尔组分小于20％，且铟的摩尔组分小于10％。

基于上述技术基础上，为了保证包覆层11的生长，应采用金属有机化合物化学气相沉淀工艺(mocvd工艺)。其中，所述包覆层11的生长温度为700℃～900℃、生长压力为200mbar～500mbar、生长速率为0.01nm/s～0.5nm/s。经过实验得出当生长温度低于700℃时，低温虽然有助于铟元素的并入，但是对于铝原子在低温下迁移长度很小，导致材料形貌恶化、材料质量下降；当温度高于900℃时，高温会使得铝铟镓氮四元合金中的铟元素含量极低甚至消失，四元合金退化成三元合金。不仅如此，当生长压力低于200mbar时，材料中的碳杂质含量急剧升高，使得晶体电学质量下降；当生长压力高于500mbar时，生长过程中通入的tmal会和氨气在气相中发生严重的预反应，导致生长效率降低。而且当生长速率低于0.01nm/s，较低的生长速率会有助于改善材料质量，但是生产效率会降低，生长足够厚度的四元合金可能需要几十个小时；当生长速率高于0.5nm/s，高速生长会降低材料质量。可见生长所述包覆层11的过程中，控制包覆层的生长温度、生长压力和生长速率是至关重要的环节。

另外，在传统的采用铝稼氮做包覆层的激光器外延过程中，由于生长了较厚的铝稼氮，所以在光学限制层结构中引入了大量张应力，使得激光器外延片发生内凹翘曲，导致生长过程中表面温度分布不均。在之后生长量子阱有源区时，对生长温度非常敏感的铟镓氮量子阱在整个外延片上的组分不能保持均匀的状态，这会使得最终制作的激光器的发光均匀性不好，影响成品良率。采用铝铟镓氮四元合金消除外延片翘曲之后，激光器的发光均匀性得到了改善。

进一步地，如图4和图5所示，分别是铝铟镓氮和铝镓氮限制层生长过程中外延片曲率变化数据，横坐标是外延片生长的时间，纵坐标是外延片生长过程中实时曲率的变化。如图4所示，生长铝铟镓氮四元合金时，通过合理控制组分，使得衬底与合金之间的晶格失配几乎为零，从而避免了应力的积累外延片几乎没有发生翘曲，这使得外延片的片上均匀性能够得到极大改善，从而有效提高器件的良率。作为对比，如图5所示，生长铝镓氮时，外延片的曲率持续增加，这表明其中积聚了很多应力导致外延片发生翘曲。

实施例2

本实施例提供了一种激光谐振腔。如图2所示，该激光谐振腔包括第一光学限制结构1a和第二光学限制结构1b。需要说明的是，所述第一光学限制结构1a和所述第二光学限制结构1b均为实施例1所提供的光学限制结构1。其中，所述第一光学限制结构1a的波导层12与所述第二光学限制结构1b的波导层12彼此面对设置。

具体地，所述第一光学限制结构1a的所述波导层12与所述包覆层11之间的折射率差值的绝对值大于所述第二光学限制结构1b的所述波导层12与所述包覆层11之间的折射率差值的绝对值。需要说明的是，为了防止光场泄露到支撑本实施例的激光谐振腔的衬底，衬底的支撑表面上应当设置第一光学限制结构1a。

具体地，本实施例中，所述第二光学限制结构1b的所述波导层12与所述包覆层11之间设有电子阻挡层。所述电子阻挡层是一种半导体光电子器件中常见的结构，由于电子的有效质量小，在电场作用下运动速度大，容易从发光的量子阱区域逃逸，所以在靠近p侧设立电子阻挡层；只在一层设立电子阻挡层的原因是，半导体激光器工作时n侧注入电子，p侧注入空穴，电子和空穴在量子阱区域相遇复合发光。

实施例3

本实施例提供了一种半导体激光器。如图3所示，图3示出了本实施例激光器的一激光器单元，该激光器单元包括衬底3和实施例2所提供的激光谐振腔。所述激光谐振腔的所述第一光学限制结构1a的包覆层11设于所述衬底3上。所述第一光学限制结构1a的波导层12与所述第二光学限制结构1b的波导层12之间设有量子阱有源层2。

具体地，结合图2所知，所述量子阱有源层2包括叠层的量子阱单层21和量子阱垒单层22，其中，所述量子阱单层21朝向所述第一光学限制结构1a，所述量子阱垒单层22朝向所述第二光学限制结构1b。

优选地，所述衬底3与所述第一光学限制结构1a的包覆层11之间设有n型氮化镓层4。其中，为了使半导体和金属之间获得比较好的器件电学特性，所述第二光学限制结构1b的包覆层11的背向于所述波导层12的一侧表面上依序叠层设有p型氮化镓层5和接触层6。

本发明提供的用于形成激光谐振腔的光学限制结构中，包覆层采用了铝铟镓氮(alxinyga1-x-yn)四元合金。由于铝铟镓氮(alxinyga1-x-yn)的带隙大小和禁带宽度由铝和镓组分共同决定，可以同时调节包覆层的晶格参数和禁带宽度(折射率)，以此能够实现降低包覆层的折射率的同时，还能够避免包覆层与波导层之间产生晶格失配，使得光学限制层结构具有较高的光学限制作用的同时，能够保持稳定的结构。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。