[实用新型]一种高功率半导体激光器结构

说明书

技术领域

本专利涉及光电子学领域，特别涉及一种高功率半导体激光结构。

背景技术

光纤激光器是由泵浦源，耦合器，掺稀土元素光纤，谐振腔等部件构成。作为继CO₂激光器和固体激光器之后的第三代激光器，与传统二氧化碳激光器相比，具有 20% 耗电、10%体积、4倍速度快、20%转换效率高等优点。

高功率光纤激光器将半导体激光器泵浦技术和双包层光纤掺杂制造技术有机结合起来，吸收两者优势，将高功率、低亮度、廉价的多模半导体激光器光通过泵浦双包层光纤结构，实现高亮度、衍射受限的单模激光输出，大大提高了耦合及转换效率，增加了输出激光功率。

半导体激光器抽运源作为光纤激光器中的唯一有源器件，其成本占整个光纤激光器的60~70%，并且决定了整个激光器的可靠性和稳定性，是光纤激光器的关键器件，对光纤激光器的可靠性、寿命和制作成本等影响至关重要。

半导体激光器的波长是由稀土元素的吸收峰决定的。掺铥的增益光纤可以发射2μm的激光，其泵浦源为793nm的半导体激光器。其有源区为AlGaInAs系的半导体材料。

半导体激光器制备的最核心技术是外延材料的制备和外延结构的形成技术。产生III-V磊晶结构的方法（以下称为MOCVD）为Manasevit所提出（参见ManasevitH .M . Single-Crystal Gallium Arsenide on Insulating Substrates Appl . Phys .Lett .12 , 156 ( 1968 )）。该方法在于第III族元素之金属-有机化合物，即三甲基镓，与第V族元素之氢化物（砷）通过氢流传送至装有热表面的反应器内，所述热表面上布置有单晶基材（衬底），而砷化镓磊晶层是生长于所述热表面上。生长原理如下图所示。

MOCVD是生长半导体激光器外延结构的主要方法。高功率半导体激光器结构主要由砷化镓基的砷化铝镓和砷化铝铟镓磊晶材料构成。

含Al的高功率激光器具有制作简便，可靠性高，线性度好的优点。但由于Al的存在，一方面，AlGaAs激光器腔面容易氧化，在大电流下缺陷的快速发展容易导致失效；另一方面，Al与O结合容易产生暗线缺陷，暗线缺陷可以沿<100>方向借助位错快速传播，从而使器件快速老化。因此，提高磊晶层的质量，降低其中的O含量是MOCVD生长中需要特别关注的问题。

为了降低材料中的氧含量，通常采用的手段包括采用高质量的砷烷、磷烷和金属有机源。砷烷和磷烷的纯度要达到99.99995%以上；有机源的纯度需达99.99999%以上。另外，就是采用较高的生长温度。AlGaAs材料的生长温度需要达到720度以上。

然而，尽管如此，含Al材料结构的高功率激光结构，其制备的器件寿命也通常在5000小时到10000小时。较无Al结构的20000小时仍然具有一定的差距。其主要的原因仍然是在外延生长过程中的O沾污。可见，改善现有的外延生长技术，获得更低O含量的外延层、或者抑制外延结构中暗线缺陷传播速度的方法对于改善含Al激光结构可靠性十分的必要。

通常的有源区阱层为铟镓铝砷，垒层为砷化铝镓。在激光器工作过程中，由于高功率半导体激光器长期工作于的电流密度下，强电场的存在会加速与Al相关的暗线缺陷的运动，使暗线缺陷获得扩展，并最终在器件内部形成一个长的暗线通道。当暗线缺陷通过有源区，就会形成非辐射复合中心，从而造成器件失效。

发明内容

本实用新型是要提供一种高功率半导体激光器外延结构，能够降低砷化铝铟镓外延层中O含量，并降低暗线缺陷传播速度的外延结构，此外延结构低O成分而且可靠性高。

为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：

一种高功率半导体激光器结构，包括衬底层以及在所述衬底层由下至上依次生长的缓冲层、过渡层一、波导层一、过渡层二、限制层一、有源层、限制层二、过渡层三、波导层二、过渡层四和接触层，所述限制层一和所述有源层之间设有隔离层一，所述有源层和所述限制层二之间设有隔离层二，所述隔离层一和所述隔离层二为非故意掺杂的砷化镓材料。

优选地，所述的隔离层一和所述隔离层二厚度小于3nm。

优选地，所述衬底层为单晶砷化镓，所述单晶砷化镓为本征型、n 型或p 型。