阅读说明：本技术 一种带布拉格反射镜的非对称结构大功率激光器及其制备方法 (Asymmetric structure high-power laser with Bragg reflector and preparation method thereof ) 是由 刘飞 邓桃 王朝旺 郑兆河 于 2019-03-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种带布拉格反射镜的非对称结构大功率激光器及其制备方法,属于激光器领域,包括GaAs衬底,在GaAs衬底上包括由下至上依次沉积的GaAs缓冲层、Ga<Sub>1-x</Sub>In<Sub>x</Sub>P过渡层、Al<Sub>1-</Sub><Sub>x</Sub>In<Sub>x</Sub>P下限制层、(Al<Sub>1-x</Sub>Ga<Sub>x</Sub>)<Sub>y</Sub>In<Sub>1-y</Sub>P下波导层、Ga<Sub>1-</Sub><Sub>x</Sub>In<Sub>x</Sub>P量子阱发光区、(Al<Sub>1-x</Sub>Ga<Sub>x</Sub>)<Sub>y</Sub>In<Sub>1-y</Sub>P上波导层、Al<Sub>1-x</Sub>Ga<Sub>x</Sub>As布拉格反射层、Al<Sub>1-x</Sub>Ga<Sub>x</Sub>As上限制层和GaAs帽层。本发明可以得到更窄的光谱线宽,有效降低内损耗,减少热量的产生,提高电光转换效率,使器件的稳定性和寿命得到提升,从而实现630-710nm系列高功率半导体激光器长距离、多路等更广泛的应用。(The invention relates to an asymmetric structure high-power laser with a Bragg reflector and a preparation method thereof, belonging to the field of lasers 1‑x In x P transition layer, Al 1‑ x In x P lower limiting layer, (Al) 1‑x Ga x ) y In 1‑y P lower waveguide layer, Ga 1‑ x In x P quantum well luminous zone, (Al) 1‑x Ga x ) y In 1‑y P upper waveguide layer, Al 1‑x Ga x As Bragg reflective layer and Al 1‑x Ga x An As upper confinement layer and a GaAs cap layer. The invention can obtain narrower spectral line width, effectively reduce internal loss, reduce heat generation, improve electro-optic conversion efficiency, and improve the stability and service life of devices, thereby realizingThe 630-710nm series high-power semiconductor laser is widely applied to long distance, multi-path and the like.)

一种带布拉格反射镜的非对称结构大功率激光器及其制备 方法

技术领域

本发明涉及一种带布拉格反射镜的非对称结构大功率激光器及其制备方法，属于激光器技术领域。

背景技术

半导体激光器具有体积小、重量轻、可靠性高、电光转换效率高、光束质量好等诸多优点，被广泛的应用在军事、医疗、工业等诸多领域。而在军事、医疗、工业方面的应用大多要求半导体激光器具有高的功率输出，但由于高功率半导体激光器具有高的内部损耗机制，所以电光转换效率仍然很低，使用过程中产生大量的热，使器件的稳定性和寿命受到影响。

控制热生成对激光器的可靠性起着重要作用，而这些热量的主要来源是半导体激光器的内损耗，所以，降低内损耗从而减少热量的产生，可以提高半导体激光器的可靠性和使用寿命。

激光器的损耗主要来自以下几个方面：(1)阈值以下的自发辐射；(2)异质结能带结构导致的电压损失；(3)有源区载流子泄露损耗；(4)激光腔和面对光子的吸收和散射等。理论上可以从提高器件的内微分量子、降低载流子注入到量子阱的的内建电压、减小串联电阻和阈值电流、减小量子阱和包层的限制因子及减小载流子吸收系数，这五种方法来降低损耗。为减少激光器内损耗，人们进行了大量的研究：(i)对限制层的结构参数进行调整，改变半导体器件的有效折射率，实现限制层对光场更好的限制作用，减少载流子泄漏；(ii)通过提高金属和半导体界面的掺杂浓度降低欧姆接触电阻，优化波导和包层的掺杂浓度可以减小整个器件的串联电阻；(iii)增加光限制和优化光场与量子阱的交叠，降低散射损耗，选择正确的掺杂分布，提高半导体晶体的质量，降低自由载流子的吸收损耗；(IV)异质结能带结构导致的电压损耗，可以通过异质结界面的组分渐变和改变掺杂；(V)用非对称的波导结构降低损耗。采用非对称波导结构的方法由于p型材料区中的空穴对光子的吸收能力要比n型材料区中的电子对光子的吸收能力大的事实。采用非对称波导结构改变外延结构的折射率分布，使光场远离器件p型一侧，进入n型材料中，因此可以减小自由载流子对光子的吸收。

然而，目前针对降低激光器内损耗的研究大多集中在波长800nm-980nm之间的8XX、9XX系列半导体激光器中，对630nm-710nm系列(6XX系列)半导体激光器研究较少。

发光波长630nm-710nm范围内的红色可见半导体激光器，在医疗、数据存储、泵浦、激光显示等领域具有极高的应用潜力，外延结构通常包括GaInP量子阱、AlGaInP波导层、Al(Ga)InP限制层及GaAs帽层等。然而，(1)该结构由于势垒高度降低，电子和空穴载流子易于泄露，导致内量子效率降低，对工作温度更加敏感；(2)限制层需要较高的载流子浓度降低串联电阻，常用的P限制层掺杂剂，Zn在Al(Ga)InP中掺杂浓度较低、扩散系数大，Mg对O元素更加敏感、同时具有极强的记忆效应，不利于提高高温可靠性；(3)p型材料区中的空穴对光子的吸收能力要比n型材料区中的电子对光子的吸收能力大，非对称波导结构只能一定程度上减少空穴对光的吸收，亟需更加有效的手段提高内量子效率。

发明内容

：

针对现有630-710nm系列半导体激光器的不足，本发明提供了一种带布拉格反射镜的非对称结构大功率激光器及其制备方法，可以得到更窄的光谱线宽，更高的功率，有效降低内损耗，减少热量的产生，提高电光转换效率，使器件的稳定性和寿命得到提升，从而实现630-710nm系列高功率半导体激光器长距离、多路等更广泛的应用。

本发明采用以下技术方案：

一种带布拉格反射镜的非对称结构大功率激光器，包括GaAs衬底，在GaAs衬底上包括由下至上依次沉积的GaAs缓冲层、Ga_1-xIn_xP过渡层、Al_1-xIn_xP下限制层、(Al_1-xGa_x)_yIn_1-yP下波导层、Ga_1-xIn_xP量子阱发光区、(Al_1-xGa_x)_yIn_1-yP上波导层、Al_1-xGa_xAs布拉格反射层(DBR)、Al_1-xGa_xAs上限制层和GaAs帽层。

布拉格反射层(DBR)是一种反射镜结构，包含了两种光学材料组成的可调节的多层结构，最常用的是四分之一反射镜，其中每一层的厚度都对应四分之一的波长，使受激辐射的光与外来的引起受激辐射的光有相同的频率、位相、偏振及传播方向。通过受激辐射，可以实现同态光子数放大从而得到光子简并度极高的相干光。

优选的，所述(Al_1-xGa_x)_yIn_1-yP下波导层的厚度与所述(Al_1-xGa_x)_yIn_1-yP上波导层的厚度不同，下波导的厚度比上波导的厚度大。此结构能降低阈值电流、串联电阻，减少内损耗，实现6XX系列激光器高功率工作时的稳定性和寿命。

一种上述带布拉格反射镜的非对称结构大功率激光器的制备方法，包括如下步骤：

(1)将GaAs衬底放在MOCVD设备内，H₂环境升温到720±10℃烘烤30分钟，并通入AsH₃，去除GaAs衬底表面水氧完成表面热处理，并为步骤(2)做准备；

(2)将温度缓降到700±10℃，继续通入TMGa和AsH₃，在GaAs衬底上生长厚度在0.3-1μm的GaAs缓冲层；

(3)温度保持在700±10℃，继续通入TMIn、TMGa和PH₃，在步骤(2)的GaAs缓冲层上生长Ga_1-xIn_xP过渡层；

(4)温度保持在700±10℃，继续通入TMIn、TMAl和PH₃，在步骤(3)的Ga_1-xIn_xP过渡层上生长n型Al_1-xIn_xP下限制层；

(5)温度降低至650±10℃，继续通入TMIn、TMAl、TMGa和PH₃，在步骤(4)的Al_1-xIn_xP下限制层上生长(Al_1-xGa_x)_yIn_1-yP下波导层；

(6)温度保持在650±10℃，继续通入TMIn、TMGa和PH₃，在步骤(5)的(Al_1-xGa_x)_yIn_1-yP下波导层上生长Ga_1-xIn_xP量子阱发光区；

(7)温度提升至700±10℃，继续通入TMIn、TMAl、TMGa和PH₃，在步骤(6)的Ga_1-xIn_xP量子阱发光区上生长(Al_1-xGa_x)_yIn_1-yP上波导层；

(8)温度保持在700±10℃，继续通入TMAl、TMGa和AsH₃，在步骤(7)的(Al_1-xGa_x)_yIn_1-yP上波导层上生长p型Al_1-xGa_xAs/Al_1-xGa_xAs布拉格反射层，循环对数为z次，0＜z≤100；

(9)将温度保持在700±10℃，在步骤(8)上继续通入TMGa、TMAl和AsH₃，在步骤(8)的布拉格反射层上生长Al_1-xGa_xAs上限制层；

(10)将温度降低到550±10℃，关闭TMAl，继续通入TMGa和AsH₃，在步骤(9)的Al_{1- x}Ga_xAs上限制层上生长GaAs帽层；

(11)生长完毕后，采用封装技术制作出成品激光器。使用MOCVD技术进行外延层生长后，需要后续对外延片进行管芯工艺、封装工艺制作，最终形成半导体激光器的器件，此处的管芯工艺、封装工艺可采用现有技术。

优选的，制备过程中，MOCVD设备的压力为50-200mbar。

优选的，所述GaAs缓冲层、Al_1-xIn_xP下限制层的N型掺杂源均为Si₂H₆；所述Al_{1- x}Ga_xAs/Al_1-xGa_xAs布拉格反射层、Al_1-xGa_xA上限制层和GaAs帽层的掺杂源均为CBr₄。

优选的，H₂的流量为8000-50000sccm；所述TMGa的纯度为99.9999％，所述TMGa的恒温槽的温度为(-5)～15℃；所述TMIn的纯度为99.9999％，所述TMIn的恒温槽的温度为10-25℃；所述TMAl的纯度为99.9999％，所述TMAl的恒温槽的温度为10-25℃；所述AsH₃的纯度为99.9999％；所述Si₂H₆的纯度为99.9999％；所述CBr₄的恒温槽的温度为10-25℃。

优选的，步骤(2)中，GaAs缓冲层的厚度为300-500nm，掺杂浓度为1E17-5E18个原子/cm³

优选的，所述步骤(2)中GaAs缓冲层的厚度为300nm，掺杂浓度为1E18个原子/cm³；

优选的，步骤(3)中Ga_1-xIn_xP过渡层的掺杂浓度为1E17-5E18个原子/cm³，0.45≤x≤0.55；

优选的，步骤(3)中Ga_1-xIn_xP过渡层的掺杂浓度为1E18个原子/cm³，厚度为0.2μm，x为0.52。

优选的，步骤(4)中，n型Al_1-xIn_xP下限制层的厚度为0.5-2μm，掺杂浓度为1E17-5E18个原子/cm³；

优选的，n型Al_1-xIn_xP下限制层的厚度为1μm，掺杂浓度为1E18个原子/cm³；

优选的，0.3≤x≤0.6。

优选的，步骤(5)(Al_1-xGa_x)_yIn_1-yP下波导层中0.4≤x≤0.6，0.4≤y≤0.6，厚度为0.1-0.2μm，非故意掺杂，本征掺杂浓度为1E16-5E16个原子/cm³；

优选的，步骤(5)中(Al_1-xGa_x)_yIn_1-yP下波导层的厚度为0.12μm，本征掺杂浓度为1E16个原子/cm³。

优选的，步骤(6)中Ga_1-xIn_xP量子阱发光区的厚度为5-15nm，非故意掺杂，0.45≤x≤0.55；

步骤(7)中(Al_1-xGa_x)_yIn_1-yP上波导层的厚度为0.05-0.15μm，非故意掺杂，本征掺杂浓度为1E16-5E16个原子/cm³；

优选的，步骤(7)中(Al_1-xGa_x)_yIn_1-yP上波导层的厚度为0.07μm，本征掺杂浓度为1E16个原子/cm³，0.4≤x≤0.6，0.4≤y≤0.6。

优选的，步骤(8)中，z为5-30，Al_1-xGa_xAs/Al_1-xGa_xAs布拉格反射层中0≤x≤0.55；

步骤(8)中布拉格反射层的厚度为0.1-0.5μm，掺杂浓度为1E18-5E18个原子/cm³；

优选的，所述步骤8中布拉格反射层的厚度为0.2μm，掺杂浓度为3E18个原子/cm³。

优选的，步骤(9)中，0.1≤x≤0.3，AlGaAs上限制层的掺杂浓度为5E18-5E19个原子/cm³；

优选的，所述步骤(9)的x为0.15，厚度为1μm，掺杂浓度为1E19个原子/cm³。

本发明在AlGaAs上限制层上采用PECVD方法生长有SiO₂绝缘膜，SiO₂绝缘膜具有致密性好、粘附性好、电导率低等优点，并且可以大面积沉积，适用于工业化生产，SiO₂绝缘膜的厚度在100-200nm之间。沉积二氧化硅绝缘层之后，进行光刻和刻蚀，制备电流注入窗口。

优选的，为了获得良好的欧姆接触，使芯片有利于电流的注入和散热，需要在半导体激光器芯片的p面和n面制备金属膜，我们可以采用电子束蒸发的方法制备单层金属膜或多层金属膜，具体可根据半导体材料不同及掺杂浓度的不同来选择金属膜材料以及材料厚度。为了降低芯片的串联电阻和有利于电流注入，本发明中半导体激光器芯片的GaAs帽层的掺杂采用高掺杂，浓度高达5×10¹⁹cm^-3以上。p面依次蒸发Ti/Pt/Au金属膜，n面最外层为n-GaAs衬底，掺杂浓度约为10¹⁸cm^-3，可以使用高温退火的方法进一步降低串联电阻，称为合金化工序。芯片n面的GaAs衬底依次蒸发Au/Ge/Ni金属膜，在整个高温合金过程中，Ge原子会进入到GaAs衬底层形成高掺杂。

为了提高半导体激光器性能需要在两个腔面镀高反射膜(HR)和增透膜(AR)，高反射膜(HR)和增透膜(AR)材料性能对半导体激光器的性能有严重的影响，高质量的腔面膜可以有效降低激光器的阈值电流、提高量子效率和腔面光学灾变功率密度(COD)，同时AR膜和HR膜的反射率的变化可小范围调节激光的峰值波长。通过镀介质光学膜会起到处理腔面悬挂键减少腔面表面态等作用，在物理形态上可以保护腔面、防止氧化等。高功率半导体激光器高反射腔面膜通常采用Si/SiO₂膜系，出光面一般采用SiO₂单层膜或双层膜。镀膜方法有电子束政法方法，溅射方法以及ECR化学气相沉积等。

由于激光器的电光转换效率不同，有很大一部分电能转化成为热能，为了减少废热导致的高温对其性能产生不良影响，因此需要采取可靠的方法使热量散发出去，界内常用热沉作为激光器热量消散的主要部件。为了达到良好的散热目的，所选用的热沉材料必须具有良好的导热性能，同时采用不能同激光品热膨胀系数相差太大的材料，这要求一方面，热沉材料应是热的良导体、不污染且与激光器管芯的物理性质相匹配，主要是热膨胀系数相同或接近；另一方面，还应具有易于加工和与激光器管芯烧焊容易、可靠性高等特点。本发明使用的热沉材料是无氧铜，使用之前采用热蒸发方式在表面镀一层3μm的In。由于In比较柔软，它会自动释放管芯、热沉之间的应力，不会出现因管芯和热尘热膨胀系数不同而导致的管芯断裂。本发明封装时将管芯P面向下置于在镀铟铜热沉上，这样可以产生热的有源层距离热尘更近，使散热性能得到提高，柔软的In的采用减小热沉和管芯之间由于热膨胀系数不同造成的退化。烧结时在氮气保护下，加热热沉，使热沉上的铟慢慢融化，固晶时激光器芯片前腔面与热沉端面对齐，并对激光器芯片加一定压力，保证铟与激光器管芯充分接触，减少激光器管芯与热尘之间的孔洞，同时注意铟料不能粘在或都污染管芯的腔面上，造成激光器性能下降。

本发明的有益效果为：

1)本发明将常规的P型Al_1-xIn_xP限制层改为Al_1-xGa_xAs限制层，同时在上波导层和上限制层生长界面处增加Al_1-xGa_xAs/Al_1-xGa_xAs布拉格反射层，使界面处发生菲涅尔反射，在工作波长时，两个相邻界面处反射光的光程差为半个波长，另外，界面处的反射系数的符号也会发生改变。因此，在界面处的所有反射光发生相消干涉，得到很强的反射提高更宽的谐调范围和更窄的线宽，在一个激光器集成两个独立的光栅，实现更宽的波长谐调范围，以及更窄的光谱线宽，更高的功率。

2)本发明在上限制层和波导层之间增加Al_1-xGa_xAs/Al_1-xGa_xAs布拉格反射层，使受激辐射的光与外来的引起受激辐射的光有相同的频率、位相、偏振及传播方向。通过受激辐射，可以实现同态光子数放大从而得到光子简并度极高的相干光，同时，DBR和非对称限制层、非对称波导层的联合使用，提高了6XX系列Al(Ga)InP激光器，高功率稳定性、可靠性和寿命。

3)本发明的结构采用厚度不同的非对称波导层，优化光场远离P型一侧，同时采用布拉格反射层(DBR)反射减少上限制层空穴对光的吸收损耗；采用非对称的限制层，使用AlGaAs作为上限制层，利用C取代Zn、Mg作为掺杂剂，提高上限制层一侧有效载流子浓度，降低器件串联电阻；同时，采用高温生长时热扩散系数较低的C作为上限制层掺杂剂，C扩散距离小，有利于减小阈值电流，减少了掺杂剂向量子阱的扩散，从而减小内损耗，降低阈值电流，提高6XX系列Al(Ga)InP激光器高功率工作时的可靠性和稳定性。

4)本发明可以有效降低内损耗，减少热量的产生，提高电光转换效率，使器件的稳定性和寿命得到提升，从而实现630nm-710nm系列高功率半导体激光器长距离、多路等更广泛的应用。

附图说明：

图1为本发明的带布拉格反射镜的非对称结构大功率激光器的结构示意图。

具体实施方式

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为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。

实施例1：

一种带布拉格反射镜的非对称结构大功率激光器，如图1所示，包括GaAs衬底，在GaAs衬底上包括由下至上依次沉积的GaAs缓冲层、Ga_1-xIn_xP过渡层、Al_1-xIn_xP下限制层、(Al_1-xGa_x)_yIn_1-yP下波导层、Ga_1-xIn_xP量子阱发光区、(Al_1-xGa_x)_yIn_1-yP上波导层、Al_1-xGa_xAs布拉格反射层、Al_1-xGa_xAs上限制层和GaAs帽层。

实施例2：

一种带布拉格反射镜的非对称结构大功率激光器，结构如实施例1所示，所不同的是，(Al_1-xGa_x)_yIn_1-yP下波导层的厚度与(Al_1-xGa_x)_yIn_1-yP上波导层的厚度不同，其厚度优选分别为0.12μm和0.07μm。

实施例3：

一种带布拉格反射镜的非对称结构大功率激光器的制备方法，包括如下步骤：

(1)将GaAs衬底放在MOCVD设备内，H₂环境升温到720±10℃烘烤30分钟，并通入AsH₃，去除GaAs衬底表面水氧完成表面热处理，并为步骤(2)做准备；

(2)将温度缓降到700±10℃，继续通入TMGa和AsH₃，在GaAs衬底上生长厚度在0.3μm的GaAs缓冲层；

(3)温度保持在700±10℃，继续通入TMIn、TMGa和PH₃，在步骤(2)的GaAs缓冲层上生长Ga_1-xIn_xP过渡层；

(4)温度保持在700±10℃，继续通入TMIn、TMAl和PH₃，在步骤(3)的Ga_1-xIn_xP过渡层上生长n型Al_1-xIn_xP下限制层；

(5)温度降低至650±10℃，继续通入TMIn、TMAl、TMGa和PH₃，在步骤(4)的Al_1-xIn_xP下限制层上生长(Al_1-xGa_x)_yIn_1-yP下波导层；

(6)温度保持在650±10℃，继续通入TMIn、TMGa和PH₃，在步骤(5)的(Al_1-xGa_x)_yIn_1-yP下波导层上生长Ga_1-xIn_xP量子阱发光区；

(7)温度提升至700±10℃，继续通入TMIn、TMAl、TMGa和PH₃，在步骤(6)的Ga_1-xIn_xP量子阱发光区上生长(Al_1-xGa_x)_yIn_1-yP上波导层；

(8)温度保持在700±10℃，继续通入TMAl、TMGa和AsH₃，在步骤(7)的(Al_1-xGa_x)_yIn_1-yP上波导层上生长p型Al_1-xGa_xAs/Al_1-xGa_xAs布拉格反射层，循环对数为z次，z为20；

(9)将温度保持在700±10℃，在步骤(8)上继续通入TMGa、TMAl和AsH₃，在步骤(8)的布拉格反射层上生长Al_1-xGa_xAs上限制层；

(10)将温度降低到550±10℃，关闭TMAl，继续通入TMGa和AsH₃，在步骤(9)的Al_{1- x}Ga_xAs上限制层上生长GaAs帽层；

(11)生长完毕后，采用封装技术制作出成品激光器。

实施例4：

一种带布拉格反射镜的非对称结构大功率激光器的制备方法，如实施例3所示，所不同的是，MOCVD设备的压力为100mbar；

GaAs缓冲层、Al_1-xIn_xP下限制层的N型掺杂源均为Si₂H₆；Al_1-xGa_xAs/Al_1-xGa_xAs布拉格反射层、Al_1-xGa_xA上限制层和GaAs帽层的掺杂源均为CBr₄。

实施例5：

一种带布拉格反射镜的非对称结构大功率激光器的制备方法，如实施例3所示，所不同的是，H₂的流量为10000sccm；TMGa的纯度为99.9999％，TMGa的恒温槽的温度为(-5)～15℃；TMIn的纯度为99.9999％，TMIn的恒温槽的温度为10-25℃；TMAl的纯度为99.9999％，TMAl的恒温槽的温度为10-25℃；AsH₃的纯度为99.9999％；所述Si₂H₆的纯度为99.9999％；所述CBr₄的恒温槽的温度为10-25℃。

实施例6：

一种带布拉格反射镜的非对称结构大功率激光器的制备方法，如实施例3所示，所不同的是，步骤(2)中，GaAs缓冲层中掺杂浓度为1E18个原子/cm³；

步骤(3)中Ga_1-xIn_xP过渡层的掺杂浓度为1E18个原子/cm³，厚度为0.2μm，x为0.52。

实施例7：

一种带布拉格反射镜的非对称结构大功率激光器的制备方法，如实施例3所示，所不同的是，步骤(4)中，n型Al_1-xIn_xP下限制层的厚度为1μm，掺杂浓度为1E18个原子/cm³，x为0.5；

步骤(5)中，x为0.5，y为0.5，(Al_1-xGa_x)_yIn_1-yP下波导层的厚度为0.12μm，本征掺杂浓度为1E16个原子/cm³。

实施例8：

一种带布拉格反射镜的非对称结构大功率激光器的制备方法，如实施例3所示，所不同的是，步骤(6)中Ga_1-xIn_xP量子阱发光区的厚度为10nm，非故意掺杂，x为0.45；

步骤(7)中(Al_1-xGa_x)_yIn_1-yP上波导层的厚度为0.07μm，非故意掺杂，本征掺杂浓度为1E16个原子/cm³，x为0.5，y为0.5。

实施例9：

一种带布拉格反射镜的非对称结构大功率激光器的制备方法，如实施例3所示，所不同的是，步骤(8)中，Al_1-xGa_xAs/Al_1-xGa_xAs布拉格反射层中x为0.2，厚度为0.2μm，掺杂浓度为3E18个原子/cm³；

步骤(9)的x为0.15，厚度为1μm，掺杂浓度为1E19个原子/cm³。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。