阅读说明：本技术 带有n面非注入区窗口的半导体激光器 (Semiconductor laser with N-face non-injection region window ) 是由 林涛 穆妍 解佳男 李亚宁 孙婉君 于 2021-07-30 设计创作，主要内容包括：带有N面非注入区窗口的半导体激光器结构,包括从上至下依次设置的P面电极,欧姆接触层,上限制层,上波导层,量子阱,下波导层,下限制层,衬底,N面非注入区窗口一,N面非注入区窗口二,N面电极；本发明带有N面非注入区窗口的半导体激光器结构,通过在较厚的N面衬底制作非注入区窗口来降低前后腔面处的载流子浓度,减少非辐射复合,光吸收相对减少,降低腔面处产生的热量,提高COD阈值,提升器件特性。(The semiconductor laser structure with the N-surface non-injection region window comprises a P-surface electrode, an ohmic contact layer, an upper limiting layer, an upper waveguide layer, a quantum well, a lower waveguide layer, a lower limiting layer, a substrate, an N-surface non-injection region window I, an N-surface non-injection region window II and an N-surface electrode which are sequentially arranged from top to bottom; according to the semiconductor laser structure with the N-surface non-injection region window, the non-injection region window is manufactured on the thicker N-surface substrate to reduce the carrier concentration at the front cavity surface and the back cavity surface, so that non-radiative recombination is reduced, light absorption is relatively reduced, heat generated at the cavity surfaces is reduced, the COD threshold is improved, and the device characteristics are improved.)

带有N面非注入区窗口的半导体激光器

技术领域

本发明属于半导体激光器技术领域，具体涉及带有N面非注入区窗口的半导体激光器。

背景技术

半导体激光器具有体积小、功耗低、寿命长、电光转换效率高、覆盖的波段范围广以及价格便宜等优点。半导体激光器在许多应用领域都要求具有较高的输出功率和较好的光束质量，例如泵浦固体激光器和光纤激光器、激光通信、医疗和军事等诸多领域。

由于半导体激光器体积小，在进一步提高激光器的输出光功率方面首先遇到的就是如何解决大功率半导体激光器的发热问题，其中最主要的就是腔面发热的问题。半导体激光器在高功率输出时，有源区量子阱中的功率密度可以达到10¹⁰W/cm³量级，输入的电能并不能完全转换为光能，部分电能会转化为热能，使激光器局部过热，各项工作性能发生退化，有时还会发生突然灾变性损伤导致激光器失效。

腔面光学灾变性损伤(Catastrophic Optical Damage，COD)是边发射半导体激光器突然失效的主要原因。针对如何抑制大功率半导体激光器腔面处发生COD，目前常用的方法主要有：腔面钝化处理技术、腔面镀膜工艺、非吸收窗口技术、在腔面附近引入电流非注入区和电流阻挡层技术。其中腔面非注入区技术由于具有工艺简单、易于实现、工艺兼容性好的特点，已成为目前高功率半导体激光器的主要结构方式。腔面非注入区技术主要是通过在前后腔面附近各引入一段电流非注入区，限制载流子注入腔面，减小腔面处的载流子浓度，从而减少腔面处载流子的非辐射复合，提高COD阈值。

腔面非注入区技术主要是在半导体激光器的P面实施，在腔面附近引入绝缘性能良好SiO₂介质薄膜形成电流非注入区，可以使腔面温升减小，使COD阈值功率提高。但是从散热角度考虑，特别是封装时管芯P面朝下焊接在热沉上时，SiO₂膜层由于导热性差的问题不利于散热，会导致腔面温度升高，目前有的研究人员在制作半导体激光器时已经不采用该技术方案。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供带有N面非注入区窗口的半导体激光器，基于现有的腔面非注入区技术，通过在较厚的N面衬底制作非注入区窗口来减少前后腔面处的载流子浓度，抑制非辐射复合过程，使载流子感应带隙收缩减小，带隙相对增加，光吸收相对减少，降低腔面处产生的热量，提高COD阈值。

为实现上述目的，本发明采的技术方案是：带有N面非注入区窗口的半导体激光器，带有N面非注入区窗口的半导体激光器，包括有从上至下依次设置的P面电极，欧姆接触层，上限制层，上波导层，量子阱，下波导层，下限制层，衬底，N面非注入区窗口一，N面非注入区窗口二，N面电极。

所述的N面非注入区窗口一，N面非注入区窗口二分设在衬底腐蚀出的两端，N面非注入区窗口一和N面非注入区窗口二的宽度范围为10～500μm，非注入区介质薄膜厚度范围为0.1～5μm。

所述的N面非注入区窗口一的材料采用SiO₂或SiN；N面非注入区窗口二的材料与N面非注入区窗口一相同。

本发明的有益效果是：

通过N面非注入区窗口减少前后腔面附近的电流注入，从而降低了腔面附近的载流子浓度减少非辐射复合。与此同时，腔面的光吸收也会相应减少，达到减少芯片前后腔面温升、提高COD阈值并且延缓腔面退化。

附图说明

图1是本发明带有N面非注入区窗口的半导体激光器的示意图。

图2是实施例1带有N面非注入区窗口的半导体激光器的示意图。

图3是实施例1腔面处有源区量子阱的电子与空穴浓度。

图4是实施例1沿腔长方向有源区量子阱区域的复合率。

图中，1-P面电极，2-欧姆接触层，3-上限制层，4-上波导层，5-量子阱，6-下波导层，7-下限制层，8-衬底，9-N面非注入区窗口一，10-N面非注入区窗口二，11-N面电极。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参见图1-2，带有N面非注入区窗口的半导体激光器，带有N面非注入区窗口的半导体激光器，包括有从上至下依次设置的P面电极1，欧姆接触层2，上限制层3，上波导层4，量子阱5，下波导层6，下限制层7，衬底8，N面非注入区窗口一9，N面非注入区窗口二10，N面电极11。

所述的N面非注入区窗口一9，N面非注入区窗口二10分设在衬底8腐蚀出的两端，N面非注入区窗口一9和N面非注入区窗口二10的宽度范围为10～500μm，非注入区介质薄膜厚度范围为0.1～5μm。

所述的N面非注入区窗口一9的材料采用SiO₂或SiN绝缘性能良好的介质薄膜；N面非注入区窗口二10的材料与N面非注入区窗口一9相同。

本发明的工作原理是：

在给P面电极1与N面电极11施加电压后，通过分设在衬底8两端的N面非注入区窗口一9和N面非注入区窗口二10限制电流注入激光器两端的腔面区域，以减少腔面附近的注入载流子浓度，从而降低腔面区域的光子能量密度和非辐射复合热量，以达到保护激光器腔面，提高器件的寿命的目的。

实施例1

图2为本发明实施例1的带有N面非注入区窗口的半导体激光器结构的示意图。在实施例1中，以808nm半导体激光器为例，腔长为2000μm，条宽200μm。器件结构为N面电极，SiO₂-N面非注入区窗口一，SiO₂-N面非注入区窗口二，GaAs衬底，Al_0.5GaAs下限制层，Al_0.32GaAs下波导层，Al_0.12Ga_0.795In_0.085As量子阱，Al_0.32GaAs上波导层，Al_0.5GaAs上限制层，重掺杂GaAs欧姆接触层，P面电极。

其中，N面电极厚度为0.41μm，GaAs衬底厚度为100μm，SiO₂-N面非注入区窗口一厚度为0.1μm，SiO₂-N面非注入区窗口二厚度为0.1μm，下限制层的厚度为1μm，下波导层厚度为0.4μm，量子阱厚度为7nm，上波导层厚度为0.4μm，上限制层厚度为1μm，欧姆接触层厚度为0.15μm，P面电极厚度为0.2μm。

图3(a)、图3(b)是通过模拟得到实施例1的载流子浓度，图中的载流子浓度为腔面处有源区量子阱的电子与空穴浓度。将无非注入区与实施例1两种结构做对比，无非注入区结构在腔面处的电子浓度约为6.76×10¹⁸cm^-3，空穴浓度约为6.9×10¹⁸cm^-3。实施例1结构腔面处的电子浓度为5.22×10¹⁸cm^-3，空穴浓度为5.12×10¹⁸cm^-3。实施例1在结构中加入N面非注入区窗口后，电子浓度降低了22.8％，空穴浓度降低了25.8％。

图4为模拟得到实施例1沿腔长方向有源区量子阱区域的复合率，将无非注入区结构与实施例1结构进行对比。无非注入区结构腔面处复合率约为1.14×10¹⁸cm^-3，而实施例1结构腔面处复合率约为1.06×10¹⁸cm^-3，降低了7％。