[发明专利]一种无铝波导层的红光半导体激光器结构

说明书

本发明涉及一种无铝波导层的红光半导体激光器结构，从下至上依次包括衬底、下限制层、下波导层、量子阱层、上波导层、上限制层和欧姆接触层；所述下波导层、量子阱层、上波导层均为镓铟磷材料。本发明波导层使用无铝的镓铟磷材料，实现有源区全无铝，对生长环境尤其是氧杂质浓度的要求不再那么苛刻。同时腔面解理时由于有源区无铝，抗氧化能力增加，腔面缺陷有效减少。此设计不仅减少了材料内部的氧杂质缺陷，还降低了腔面缺陷的形成，可以减少光吸收，提高腔面的抗烧毁能力及半导体激光器的寿命。

技术领域

本发明涉及一种无铝波导层的红光半导体激光器结构，属于半导体激光器技术领域。

背景技术

红光半导体激光器具有体积小、寿命长、光电转换效率高等优点，正在逐渐取代传统的He-Ne气体激光器及红宝石固体激光器，并且广泛应用于光存储系统、条形码阅读器、工业准直标线仪、医疗保健设备等领域。另外，它还是激光电视、便携式投影仪等激光显示设备的红光光源。这些应用需要激光器保持稳定的光模式及激光功率输出，对激光器的寿命及可靠性要求较高。

最早的红光半导体激光器使用AlGaAs材料体系，比如CD机用的780nm的AlGaAs半导体激光器。由于光盘的存储密度是同激光的波长成反比的，要增加光存储密度，必须降低半导体激光器的激射波长。另外，在红光波段，人眼的视觉灵敏度随着光线波长的变短而提高，例如人眼对635nm光线的敏感度是660nm光线的3倍。因此，用在激光显示的红光半导体激光器也是要求波长越短越好，这样才能获得高亮度的图像。由于AlGaAs材料所限，其半导体激光器的最短激射波长为680nm左右，此时有源区的Al组分要达到30％。如此高的Al含量，很容易导致腔面被氧化，造成缺陷增加，影响激光器性能。而且随着Al组分增加，其能带接近间接带隙，发光效率大幅下降。因此，带隙更大、铝含量更低的AlGaInP材料开始应用于红光半导体激光器，并成为沿用至今的红光主流材料。

中国专利文献CN104269741A提出了一种高可靠性的红光半导体激光器,使用应变GaInP量子阱做为发光区，通过控制阱宽及应变量可以实现630-690nm的红光输出。在传统半导体激光器结构基础上对波导层进行掺杂,使有源区同PN结分离,PN结的强电场会吸引有源区的可移动缺陷,从而使激光器的可靠性得到改善。同时上波导层的掺杂原子可以阻止上限制层的高掺杂浓度原子向有源区的扩散,降低了激光器连续工作时的功率衰减。由于对波导层进行了掺杂,使得激光器的串联电阻减小,提高了转换效率,降低了焦耳热的产生,进一步提高了红光激光器长期工作的可靠性。此专利主要针对发光区及掺杂做出优化，其波导层仍然使用含铝组分20％-30％的AlGaInP材料，虽然比AlGaAs材料中Al组分降低很多，但是仍然存在一定含量的Al。如果材料生长时氧杂质较多，或者工作条件比较苛刻，就会使波导层中的Al发生氧化，形成缺陷。载流子在量子阱中复合，发出大量光子，它们是沿着量子阱两侧的波导层进行传播，通过腔面进行选模并形成稳定震荡，发生激光。如果波导层中含有较多缺陷，会造成光吸收增加，从而影响激光器的性能及可靠性。

中国专利文献CN101340060A公开了一种非对称结构的无铝有源区808nm大功率量子阱激光器，上波导层和下波导层采用无铝材料GaInP,量子阱层为InGaAsP材料,波导层和量子阱层共同组成无铝有源区。此发明能够增加P型材料区的光限制因子,降低光向P型材料区的泄漏,减少高掺杂区的载流子光吸收损耗,提高激光器的工作效率。这项发明也说明了无铝波导层及量子阱层对半导体激光器的确是非常有益的。由于波长决定了发光区材料，此发明的技术方案只能用于近红外发光波长，不能用于红光半导体激光器。