本发明专利技术属于半导体光电子技术领域，涉及一种低阈值小发散角半导体激光器外延结构，包括顺次连接的衬底（1）、缓冲层（2）、n型下限制层（3）、n型下模式扩展层（4）、n型下低折射率层（5）、渐变下波导层（6）、下势垒层（7）、有源层（8）、上势垒层（9）、渐变上波导层（10）、p型上低折射率层（11）、p型上模式扩展层（12）、p型上限制层（13）和欧姆接触层（14）；通过优化设计低折射率层（5）和（11），以及模式扩展层（4）和（12）。通过上述方式，本发明专利技术设计了一种新型的外延结构，引入了低折射率层和模式扩展层来降低激光器垂直发散角，能够获得激光器小发散角，同时具有较小的阈值电流密度。
An epitaxial structure of a low threshold 980nm semiconductor laser with small divergence angle
【技术实现步骤摘要】
一种低阈值小发散角980nm半导体激光器外延结构
本专利技术属于半导体光电子
，特别是一种低阈值小发散角半导体激光器外延结构。
技术介绍
目前，随着新一代超高速、超大容量光纤通讯的迅猛发展，泵浦激光器与光纤的耦合问题越来越引起人们的关注。对光纤耦合而言，可以通过降低半导体激光器的垂直发散角可以提高耦合效率，在不增加激光器的功率的同时获得较好的效果。但是由于半导体激光器有源区厚度很小，半导体激光器的垂直发散角非常大（一般达到40°以上），而水平发散角一般只有10°左右，导致其垂直发散角非常大，使得激光器远场光场光斑呈椭圆形，降低了980nm半导体激光器的泵浦效率和光纤耦合效率。降低半导体激光器的垂直发散角能够扩展其应用范围，具有重要的现实意义。目前降低垂直发散角的方法一般有：窄波导结构、大光腔宽波导结构、非对称波导、模式扩展层结构等。然而通过这些方法降低激光器的发散角，会引起器件限制因子的降低，导致阈值电流密度升高。同时，一般情况下，上述方法受工艺水平限制，只能使得激光器发散角降低至20°左右，没有实际应用的效果。为进一步降低激光器的发散角的同时获得较小的阈值电流密度，设计了一种新型的外延结构，引入了低折射率层和模式扩展层，通过扩展近场光场从而降低垂直发散角的作用。其中低折射率层能够在扩展近场光场的同时提高激光器的限制因子，而模式扩展层随着发散角的减小而降低激光器的限制因子。经过优化，确定当低折射率层材料为Al0.5Ga0.5As，模式扩展层材料为Al0.35Ga0.65As时，两者的折射率差更有利于光的传播。两者都进行一定的掺杂，在降低电阻的同时避免引起光的大规模散射。本专利技术主要是提出并优化低折射率层和模式扩展层，得到一种新型激光器外延结构，使得激光器在降低发散角的同时有较低的阈值电流密度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种小发散角低阈值电流密度的激光器外延结构，通过优化低折射率层和模式扩展层来实现。为了实现上述目的，本专利技术提出了一种小发散角低阈值电流密度980nm半导体激光器结构，依次包括：衬底，为(100)偏<111>2°的n型GaAs材料，该衬底用于在其上外延生长激光器各层材料；缓冲层，为n-GaAs材料，该缓冲层制作在衬底上，用于阻止衬底中缺陷的转移；n型下限制层，为厚度为1200nm的n型Al0.4Ga0.6As材料，该n型下限制层制作在缓冲层上；n型下模式扩展层，为n型Al0.35Ga0.65As材料，该n型下模式扩展层制作在n型下限制层上；n型下低折射率层，为n型Al0.5Ga0.5As材料，该n型下低折射率层制作在n型下模式扩展层上；渐变下波导层，为厚度为150nm的AlxGa1-xAs材料，x从0.5渐变至0.2，该下波导层制作在n型下低折射率层上；下势垒层，为厚度为10nm的GaAs，制作在下波导层上；有源区，为一单量子阱，为厚度6nm的In0.23Ga0.77As，该层制作在下势垒层上；上势垒层，为厚度为10nm的GaAs，制作在有源区上；渐变上波导层，为厚度为150nm的AlxGa1-xAs材料，x从0.2渐变至0.5，该渐变上波导层制作在上势垒层上；p型上低折射率层，为p型Al0.5Ga0.5As材料，该p型上低折射率层制作在渐变上波导层上；p型上模式扩展层，为p型Al0.35Ga0.65As材料，该p型上模式扩展层制作p型上低折射率层上；p型上限制层，为厚度为1200nm的p型Al0.4Ga0.6As材料，该p型上限制层制作在p型上模式扩展层上；欧姆接触层，为厚300nm的Al0.4Ga0.6As材料，掺入浓度为1×1019cm-3的C，该层制作在p型上限制层上；量子阱为In0.23Ga0.77As/GaAs单量子阱，普通常见，易于生长。低折射率层和模式扩展层的折射率差对激光器的光场、阈值电流密度等有重要的影响，适当的折射率差可以降低激光器阈值电流密度和发散角。在一定的范围内提高两者的折射率差，可以降低激光器的发散角和限制因子，需要注意的是器件阈值电流密度会迅速增大。在本专利技术中，最后选择低折射率层材料为Al0.5Ga0.5As，模式扩展层材料为Al0.35Ga0.65As。设计低折射率层厚400nm，变化模式扩展层厚度从200nm-550nm范围，如图3所示，随着模式扩展层厚度的增加，激光器的阈值电流密度以指数形式迅速上升，而远场垂直发散角则呈近线性形式不断下降。当模式扩展层厚度0.4μm时，激光器发散角为16.6°，阈值为256.5A/cm2，此时发散角很小，阈值电流密度也较低。设计模式扩展层厚400nm，变化低折射率层厚度从200nm-600nm范围，如图4所示，可以发现，随着低折射率层厚度的增加，激光器的阈值电流密度近线性降低，垂直发散角的降低趋势逐渐变缓，当厚度达到500nm后，低折射率层继续加宽，但是垂直发散角没有明显变化。激光器垂直发散角最小可以降低到18°，器件的阈值电流密度为172.9A/cm2。请参阅图2，图2是本专利技术的一种具体实施方式：一种低阈值小发散角半导体激光器外延结构，其包括：缓冲层（20），厚度100nm的GaAs，掺入浓度为1×1018cm-3的Si；n型下限制层（21），厚度1200nm的Al0.4Ga0.6As，掺入浓度为1×1018cm-3的Si；n型下模式扩展层（22），厚度400nm的Al0.35Ga0.65As，掺入浓度为1×1018cm-3的Si；n型下低折射率层（23），厚度600nm的Al0.5Ga0.5As，掺入浓度为1×1018cm-3的Si；渐变下波导层（24），厚度150nm的AlxGa1-xAs，x从0.5渐变至0.2；下势垒层（25），厚度10nm的GaAs；有源层（26），厚度6nm的In0.23Ga0.77As；上势垒层（27），厚度10nm的GaAs；渐变上波导层（28）厚度150nm的AlxGa1-xAs，x从0.2渐变至0.5；p型上低折射率层（29），厚度600nm的Al0.5Ga0.5As，掺入浓度为8×1017cm-3的Zn；p型上模式扩展层（30），厚度400nm的Al0.35Ga0.65As，掺入浓度为8×1017cm-3的Zn；p型上限制层（31），厚度1200nm的Al0.4Ga0.6As，掺入浓度为8×1017cm-3的Zn；欧姆接触层（32），厚度300nm的Al0.4Ga0.6As，掺入浓度为1×1019cm-3的C。以上所述，仅为本专利技术中的一种具体实施方式。同时，由图3、图4可知，通过改变低折射率层和模式扩展层的厚度，可以有效控制激光器的发散角和阈值电流密度，获得所需要的结构。以上所述，仅为本专利技术中的具体实施方式，但本专利技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本专利技术所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本专利技术的包含范围之内。因此，本专利技术的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。附图说明：图1是本专利技术的一种低阈值小发散角980nm激光器外延结构示意图，1为衬底，2为缓冲层，3为n型下限制层，4为n型下模式扩展层，5为n型下低折射率层，6为渐变下波导层，7为下势垒层，8为有源区，9为上势垒层，10为渐变上波导层，11为p本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种低阈值小发散角980nm半导体激光器外延结构，其特征在于，包括：衬底（1）、缓冲层（2）、n型下限制层（3）、n型下模式扩展层（4）、n型下低折射率层（5）、渐变下波导层（6）、下势垒层（7）、有源层（8）、上势垒层（9）、渐变上波导层（10）、p型上低折射率层（11）、p型上模式扩展层（12）、p型上限制层（13）和欧姆接触层（14）。
【技术特征摘要】
1.一种低阈值小发散角980nm半导体激光器外延结构，其特征在于，包括：衬底（1）、缓冲层（2）、n型下限制层（3）、n型下模式扩展层（4）、n型下低折射率层（5）、渐变下波导层（6）、下势垒层（7）、有源层（8）、上势垒层（9）、渐变上波导层（10）、p型上低折射率层（11）、p型上模式扩展层（12）、p型上限制层（13）和欧姆接触层（14）。2.根据权利要求1所述的低阈值小发散角980nm半导体激光器外延结构，其各部分材料组分为：衬底层（1）的材料为GaAs；缓冲层（2），厚度为100nm，材料为GaAs，掺入浓度为1×1018cm-3的Si；n型下限制层（3），厚度为1200nm，材料为Al0.4Ga0.6As，掺入浓度为1×1018cm-3的Si；n型下模式扩展层（4），材料为Al0.35Ga0.65As，掺入浓度为1×1018cm-3的Si；n型下低折射率层（5），材料为Al0.5Ga0.5As，掺入浓度为1×1018cm-3的Si；渐变下波导层（6），厚度为150nm，材料为AlxGa1-xAs，x从0.5渐变至0...
【专利技术属性】
技术研发人员：李林，曾丽娜，李再金，赵志斌，李特，曲轶，彭鸿雁，张铁民，
申请(专利权)人：海南师范大学，
类型：发明
国别省市：海南,46
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