[发明专利]具有低工作电压及高功率转换效率的半导体激光器

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体激光器，具有低工作电压及高功率转换效率，属于半导体激光器技术领域。

背景技术

高功率半导体激光器由于具有结构紧凑、成本较低、光场易于调控等优点，被广泛应用于泵浦固体激光器、材料加工、激光医疗等方面。在这些应用中，要求半导体激光器在长期高功率输出条件下具有优良的可靠性。对于半导体激光器，限制其输出功率及影响其可靠性的主要因素有材料内部缺陷对光子的散射及吸收，有源区温度升高使得载流子溢出，高功率密度下载流子的非辐射复合产生大量热而导致腔面被烧毁。因此在制作大功率半导体激光器时，一方面要优化管芯后道工艺，使得芯片产生的热量尽快释放出去，比如倒装封装以及硬焊料烧结都会提高半导体激光器高功率输出时的寿命。另一方面，要精心设计激光器的外延结构，优化材料生长工艺，提高半导体激光器的电光转换效率，从而降低注入载流子密度及焦耳热的产生。

AlGaAs材料由于易于生长且材料晶格匹配，是最早用于制作半导体激光器的材料。但是含铝材料极易氧化，会形成深能级，增强载流子的非辐射复合速率，致使半导体激光器的腔面过热，促进了暗线缺陷的产生及扩展，从而降低激光器的输出功率及可靠性。近年来，具有无铝有源区的(Al)GaInP/GaAsP结构半导体激光器引起了人们很大关注。相比于AlGaAs材料的半导体激光器，它具有以下优点：有源区无铝能有效抑制暗线缺陷的产生，减少非辐射复合中心；降低了界面复合速率，使得内量子效率增加；张应变量子阱在解理面弛豫增大窗口区带隙，提高腔面光学损伤阈值。但是由于材料能带结构及偏振模式增益的差异，无铝结构的激光器要比有铝结构的激光器的功率转换效率低。以808nm半导体激光器为例，AlGaAs材料体系的半导体激光器的功率转换效率接近70％，而GaAsP体系的半导体激光器的功率转换效率在60％左右。要广泛应用无铝有源区的GaAsP结构的半导体激光器，必须提高其功率转换效率。由于电光功率转换效率等于输出的光功率比上输入电流与电压的乘积，要提高其数值，一方面应该降低阈值电流，提高微分量子效率，以提高光功率，另一方面应当优化材料掺杂及器件结构，尽可能的降低工作电压。

中国专利文献CN103457158A公开了一种TM偏振的GaAsP/GaInP量子阱激光器，有源区采用无铝材料，可以有效降低铝组分的氧化、生长界面粗糙、腔面处附加电场对激光器功率输出及可靠性的影响。同时波导层和限制层设计为非对称结构，能够有效降低内损耗、提高最大输出功率及可靠性。非专利性文献Proc.of SPIE Vol.610461040B研究了InGaAsP/GaInP结构半导体激光器的量子阱应变量对激光器阈值电流密度及增益系数的影响，发现增大张应变量可以有效提高光功率，从而增加半导体激光器的功率转换效率。人们大多研究如何提高光功率去增加半导体激光器的功率转换效率，却鲜有研究人员关注半导体激光器的电压。实际上，由于(Al)GaInP/GaAsP结构半导体激光器的限制层AlGaInP与欧姆接触层GaAs的能带不连续值较大，尤其是价带，在异质结界面处会形成带阶阻碍载流子的注入，产生多余的电压降。所以(Al)GaInP/GaAsP结构半导体激光器要比AlGaAs体系的半导体激光器的工作电压大，这也造成了功率转换效率的差异。

功率转换效率：对于半导体激光器，为测得的输出光功率除以输入的电功率，即光功率比上输入电流与工作电压的乘积。

发明内容

针对现有(Al)GaInP/GaAsP结构半导体激光器工作电压大、功率转换效率低的问题，本发明提供一种具有低工作电压及高功率转换效率的半导体激光器，该激光器还具有高可靠性最大功率输出。

本发明的具有低工作电压及高功率转换效率的半导体激光器，采用以下技术方案：

该半导体激光器，其结构从下至上依次为衬底、缓冲层、下限制层、下波导层、量子阱、上波导层、上限制层、带隙过渡层和欧姆接触层，上波导层与上限制层之间以及上限制层与带隙过渡层之间均设置带隙渐变过渡层，以减小P型区异质结处能带的不连续值，降低阻碍载流子注入的势垒高度。同时，对N侧波导层进行掺杂，降低材料的串联电阻。