阅读说明：本技术 一种基于宽谱外延生长结构的激光器件 (Laser device based on wide-spectrum epitaxial growth structure ) 是由 马丽 于 2020-03-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开基于宽谱外延生长结构的激光器件,激光器件的外延层生长结构包括上限制层、有源区、下限制层,所述上限制层、所述有源区和所述有源区依次重叠接触布设,所述有源区包括N个量子阱层、N+1个量子垒层,1≤N≤10；所述N+1个量子垒层和所述N个量子阱层依次间隔接触布设；所述N个量子阱层为压应变结构；所述N+1个量子垒层为张应变结构。所述N个量子阱层采用1％-1.2％的压应变结构,所述N+1个量子垒层采用0.2％-0.3％范围的张应变结构。通过在激光器的有源区外延引入厚度、应变非对称的多量子阱对,通过非对称结构调节材料能带结构,达到加宽PL光谱的目的,可实现激光器具有宽温度工作范围且具有宽的工作光谱,无需额外工艺步骤和结构设计,可以节约激光器件研发成本。(The invention discloses a laser device based on a wide-spectrum epitaxial growth structure, wherein the epitaxial growth structure of the laser device comprises an upper limiting layer, an active region and a lower limiting layer, the upper limiting layer, the active region and the active region are sequentially arranged in an overlapping contact manner, the active region comprises N quantum well layers and N +1 quantum barrier layers, N is more than or equal to 1 and less than or equal to 10, the N +1 quantum barrier layers and the N quantum well layers are sequentially arranged in a contact manner at intervals, the N quantum well layers are compressive strain structures, the N +1 quantum barrier layers are tensile strain structures, the N quantum well layers adopt 1% -1.2% of compressive strain structures, the N +1 quantum barrier layers adopt 0.2% -0.3% of tensile strain structures, and by introducing a multiple quantum well pair with asymmetric strain thickness and strain in an epitaxial manner in the active region of the laser device, the purpose of widening a P L spectrum is achieved by adjusting a material energy band structure through an asymmetric structure, the laser device can have a wide temperature working range and have a wide working spectrum without additional process step and structural design, and the laser device cost can be saved.)

一种基于宽谱外延生长结构的激光器件

技术领域

本发明涉及激光设备技术领域，特别是涉及一种基于宽谱外延生长结构的激光器件。

背景技术

随着信息社会的到来，高速率信息流的载入、传输、交换、处理及存储成为技术的关键，半导体光电子技术是这些核心技术的支柱之一，而半导体光电子器件，特别是半导体激光器处于这些核心技术的心脏地位。半导体激光器又称为激光二极管，是指以半导体材料为工作物质的一类激光器。半导体激光器覆盖的波段范围最广，通过选用不同的半导体激光器有源材料或改变多元化合物半导体各组元的组分，可得到范围很广的激光波长以满足不同的需求。

当物质的尺寸缩小到纳米量级时，不仅尺寸大幅微小化，一些量子效应如表面界面效应等也会特别显著，而这些特性的出现可以应用在电子元件的改良及灵敏度的增加等方面。更详细的来说，由量子力学波粒二象性可知，由于电子具有粒子性和波动性，在纳米材料中，电子波函数长度与量子结构的特征尺寸相近，此时电子的波动性可得到充分展现。所以当一种材料在某一方向降低尺寸到几纳米时，量子局限效应便会出现在这个方向上，此时电子会被局限在另外两个维度所构成的二维空间中自由运动，这样的系统成为量子阱(quantum well)。量子阱可利用较高能隙的半导体层作为能障层，而以能隙较低的半导体作为能阱层，将能障层从两旁夹住能阱层形成阱状的能带结构的量子阱，可使载体容易被局限住，以增加发光的效率。

半导体激光器产生激光的必要设计因素有三个，分别是满足粒子数反转、谐振腔设计和满足阈值增益。半导体激光器结构的一个重要特点是要将受激辐射限制在其有源区中，这种限制作用通过选择形成PN结的材料和有源区结构来实现，对载流子和光的限制效率越高，半导体激光器的效率也就越高。根据形成PN结的材料和结构，可分为同质结、单异质结及量子阱结构。其中，量子阱半导体激光器一般把双异质结激光器的有源厚度做成数十纳米以下的结构，即半导体双异质结中，中间夹层的窄带隙薄到可以和半导体中电子的德布罗意波长或电子平均自由程量级相比拟，这时载流子，即电子和空穴被限制在某一区域，成为量子阱结构。量子阱结构由一个或几个非常薄的窄带隙半导体层和宽带隙半导体层交替组成。量子阱可以相当有效地将载流子约束在很小的区域，量子阱激光器减少了实现粒子数反转所需的载流子数目，所以阈值电流大大降低。量子阱结构是大多数高性能半导体光电子器件的典型结构，多量子阱结构广泛应用于DFB(分布式反馈)激光器中，使这些激光器性能大大提高，主要表现在降低阈值电流、降低功耗，尤其是其能改善激光器工作的温度特性。

在生产实际中，一个困扰激光器生产商的问题是：用户希望在较宽温度范围内使用激光器，如在野外－40～70度时要求其能实现稳定工作，并且具有较宽的工作光谱以扩大其适用范围。因此，如何充分利用量子阱这种结构，通过调节半导体材料的能带结构进行实现半导体激光器能够在宽温度范围内能稳定工作并且具有较宽的工作光谱以扩大其适用范围是急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于宽谱外延生长结构的激光器件，以解决上述现有技术存在的问题，能够使半导体激光器在宽温度范围内稳定工作，并且具有较宽的工作光谱。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于宽谱外延生长结构的激光器件，具体内容如下：

一种基于宽谱外延生长结构的激光器件，所述激光器件的外延层结构包括上限制层、有源区、下限制层，所述上限制层、所述有源区和所述下限制层依次重叠接触布设，其特征在于，所述有源区包括N个量子阱层、N+1个量子垒层，1≤N≤10；

所述N+1个量子垒层和所述N个量子阱层依次间隔接触布设；

所述N个量子阱层为压应变结构；

所述N+1个量子垒层为张应变结构。

优选地，所述N个量子阱层采用1％-1.2％范围的压应变结构。

优选地，所述N+1个量子垒层采用0.2％-0.3％范围的张应变结构。

优选地，所述N+1个量子垒层厚度相同，所述N个量子阱层厚度不相同。

优选地，所述N+1个量子垒层和所述N个量子阱层在加工时偏离设计厚度的误差在±2％以内。

本发明公开了以下技术效果：本发明提供一种基于宽谱外延生长结构的激光器件，从激光器外延结构对激光器有源区PL谱谱宽有重要影响角度出发，量子阱的阶梯状能带允许注入的载流子依子能带逐级填充，因此注入载流子能量量子化，提高了注入有源区内载流子的利用率，充分利用量子阱这种结构能够调节半导体材料的能带结构，通过在激光器的有源区外延引入厚度、应变非对称的多量子阱对，通过非对称结构调节材料能带结构，从而达到加宽PL光谱的目的，可实现激光器的宽温度范围工作并且具有较宽的工作光谱，从而能够具有更宽的波长调谐范围，易与光纤耦合；并且无需额外的工艺步骤和结构设计，可以节约激光器件研发成本。

同时通过在量子阱中引入压应变减小了空穴的有限质量,进一步减小了价带间的跃迁,从而使量子阱激光器的阈值电流大为降低,量子效应和振荡频率大大提高,并且由于价带间跃迁的减小和俄歇复合的降低而进一步改善了温度特性,能够使激光器无致冷工作,在阱和垒中引入应变(压应变/张应变),不仅能够改善材料质量,从而提高激光器的寿命,而且可以利用压应变对应于TE模式、张应变主要对应于TM模式的特性，从而使得本发明的激光器件集成化程度高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为DFB激光器的结构示意图；

图2为本发明激光器件的有源区结构示意图。

其中，1处为注入电流，2为AR膜，3为输出光,4为有源区,5为光栅。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-2所示，本发明提供一种基于宽谱外延生长结构的激光器件，下面先对本实施例的技术构思进行说明。量子阱激光器的有源区光致发光光谱(PL谱)谱宽与有源区外延结构有较大关系，本发明提供一种基于非对称量子阱外延结构的宽谱激光器件，即利用激光器有源区外延材料厚度和应变调节，改变半导体激光器有源区的能带结构，以此来实现宽光谱、可宽温工作的半导体激光器件。、图1为DFB激光器的结构示意图，1处为注入电流，2为AR膜，3为输出光,4为有源区,5为光栅。

本实施例对基于宽谱外延生长结构的激光器件，激光器件的外延层结构包括上限制层、有源区4、下限制层。本实施例的上限制层和下限制层采用现有技术的成熟设计方案，上限制层、有源区4和下限制层依次重叠接触布设，重点对有源区4进行了改进，激光器件的有源区结构如图2所示，有源区4外延结构包括七个量子垒层和六个量子阱层，七个量子垒层分别为第一量子垒层、第二量子垒层、第三量子垒层、第四量子垒层、第五量子垒层、第六量子垒层、第七量子垒层，六个量子阱层分别为第一量子阱层、第二量子阱层、第三量子阱层、第四量子阱层、第五量子阱层、第六量子阱层，六个量子阱层和七个量子垒层依次重叠接触布设。如图2所示，六个量子阱层厚度均不相同，从上到下，第一量子阱层到第六量子阱层厚度分别为8nm、8nm、8nm、6nm、6nm、5nm，七个量子垒层的厚度相同，均为10nm。由于有源区4的外延层生长结构对量子阱的厚度和应变量大小非常敏感，在具体加工时，实际量子阱厚度偏离设计厚度的误差应在正负2％以内，理想偏离值为正负1％，最终的激光器件在室温工作时的激射波长设计值为1550nm。

更进一步优化方案，六个量子阱层均采用压应变结构，压应变大小为1.2％，第一量子阱层、第二量子阱层、第三量子阱层采用同一种半导体材料制成，第四量子阱层采用另外一种半导体材料制成，第五和第六量子阱采用和前面不相同的另外一种半导体材料制成，这三种半导体材料的PL谱波长分别为1570nm、1530nm、1500nm。七个量子垒层均采用张应变结构，张应变大小为0.3％，PL谱波长为1.10μm。

本实施例的激光器件中，有源区由于设计成厚度、应变非对称的多个量子阱和量子垒对，通过引入非对称结构调节有源区材料能带结构，利用激光器件有源区外延材料厚度和应变调节，从而达到加宽PL光谱宽度的目的，可实现激光器的宽温度范围工作并且具有较宽的工作光谱，从而能够具有更宽的波长调谐范围，易与光纤耦合，并且无需额外的工艺步骤和结构设计，可以节约激光器件研发成本。同时通过在量子垒中引入张应变，在量子阱中引入压应变，减小了空穴的有限质量,进一步减小了价带间的跃迁,从而使量子阱激光器件的阈值电流大为降低,量子效应和振荡频率大大提高,并且由于价带间跃迁的减小和俄歇复合的降低而进一步改善了温度特性,能够使激光器无致冷工作,不仅能够改善材料质量,从而提高激光器的寿命,而且可以利用压应变对应于TE模式、张应变主要对应于TM模式的特性，从而使得本发明的激光器件集成化程度高。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。