专利名称：多叠层隧道级联半导体激光器的利记博彩app
技术领域：
本实用新型属于半导体激光器领域，特别涉及一种多叠层隧道级联半导体激光器。
背景技术：
由于大功率半导体激光器具有体积小、重量轻、效率高、寿命长等优点，已广泛用于激光加工(打孔、切割、焊接、表面加工、材料改性等)、激光医疗(诊断、治疗、手术、美容等)、激光显示及科学研究等领域。为了实现小电流大功率工作，必须采用芯片串联的方式。半导体芯片的串联比并联复杂的多，不利于集成。传统的做法是通过物理叠加的方式实现串联，通过分立芯片叠层排列烧结串联多个半导体激光器，然后通过键合将线性排列的芯片组连接。这种方式的缺点有两个分立芯片叠层烧结的方法工艺复杂，器件的成品率和可靠性低；因为管芯厚度和焊片(约150um)的原因，使激光器的输出光斑加大，并且出现二维排列，需要二维整形，不适合应用。隧道级联半导体激光器由于其大功率的输出和可实现多波长的优点，成为制作大功率激光器的首选。关键技术隧道结就是各激光器在界面处插入高掺杂的P+层和N+层，此技术可以在材料外延过程中直接将多个激光器外延层串联，如果把多个有源区通过反偏隧道结级联后，激光器两电极间注入的每一对电子空穴可以在多个有源区中多次复合，产生多个光子，使其量子效率大大提高，实现在注入较少的电流情况下，发出较强的光功率。隧道结的设计和质量直接影响激光器的电阻、电压和效率。以往隧道结都是在提高掺杂浓度上下功夫，虽然可以降低电阻，但是电子和空穴扩散后会吸收光，降低出光效率和功率。此外，以往的隧道级联激光器存在光场交迭、隧道结的电阻和电压过高、发散角大等问题。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题是提供一种高功率小发散角的多叠层隧道级联半导体激光器，该半导体激光器具有高功率的光输出，可减少光场交迭及光输出的发散角，并且具有较小的隧道结内阻及压降。为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为一种多叠层隧道级联半导体激光器，包括2-4个垂直连接的单层激光器单元；相邻两单层激光器单元之间按照半导体晶体生长规则通过具有特殊结构的隧道结单元生长连接；所述隧道结单元包括高掺杂的PN结和按规则生长在PN结上侧或/和下侧的超晶格层。所述超晶格层为高掺杂型。所述超晶格层为按照半导体晶体生长规则生长于高掺杂的PN结的下侧的P型超晶格层或/和上侧的N型超晶格层。所述PN结由高掺杂的P型半导体层和由δ掺杂技术生成的N型半导体层组成。[0010]所述多叠层隧道级联半导体激光器包括三个单层激光器单元。所述多叠层隧道级联半导体激光器中的各单层激光器单元的结构相同或者不同。所述单层激光器单元自下而上依次包括下包覆层、下非掺波导层、量子阱、上非掺波导层和上包覆层。所述下包覆层包括自下而上依次生长连接的第一下包覆层、下扩展波导层和第二下包覆层。所述上包覆层包括自下而上依次生长连接的第一上包覆层、上扩展波导层和第二上包覆层。 采用上述技术方案取得的技术效果为本实用新型采用带有超晶格的特殊隧道结形成隧道级联半导体激光器，大大提高了半导体激光器的输出光功率，且优化后的隧道结使得半导体激光器中隧道结处的内阻及其压降变小；通过在半导体激光器内加入扩展波导，大大减小了光输出的远场发散角；本实用新型具有较高的经济效益，有利于高功率半导体激光器的小型化应用。
图I为本实用新型实施例I中单层激光器单元和隧道结单元的具体结构示意图；图2为本实用新型实施例I的结构示意图；图3为实施例I中隧道结与δ掺杂暂停生长I0次形成的隧道结的伏安特性曲线比较图；图4为实施例I中具有特殊结构的隧道结单元与普通隧道结的PI特性曲线比较图；图5为实施例I与常规结构的半导体激光器的远场发散角比较图；图6为本实用新型实施例2中第一单层激光器单元的结构示意图；图7为本实用新型实施例2的结构示意图；其中，I、第一下包覆层，2、下扩展波导层，3、第二下包覆层，4、下非掺波导层，5、量子阱，6、上非掺波导层，7、第一上包覆层，8、上扩展波导层，9、第二上包覆层，10、单层激光器单元，11、P型超晶格层，12、P型半导体层，13、N型半导体层，14、N型超晶格层，15、隧道结单元，16、第一单层激光器单元，17、第一量子阱，18、第二单层激光器单元。
具体实施方式
实施例I由图I所示可知，多叠层隧道级联半导体激光器，包括3个垂直连接的结构相同的单层激光器单元10 ;相邻两单层激光器单元10之间按照半导体晶体生长规则通过具有特殊结构的隧道结单元15生长连接；所述隧道结单元15包括高掺杂的PN结和按规则生长在PN结上侧和下侧的高掺杂的超晶格层；所述超晶格层包括按照半导体晶体生长规则生长于闻惨杂的PN结的下侧的P型超晶格层11和上侧的N型超晶格层14 ;所述PN结由闻掺杂的P型半导体层12和由δ掺杂技术生成的N型半导体层13组成。在本实施例中11-14构成具有特殊结构的隧道结单元15。所述单层激光器单元10为900nm半导体激光器，所述单层激光器单元10自下而上依次包括下包覆层、下非掺波导层4、量子阱5、上非掺波导层6和上包覆层；所述下包覆层包括自下而上依次生长连接的第一下包覆层I、下扩展波导层2和第二下包覆层3 ;所述上包覆层包括自下而上依次生长连接的第一上包覆层7、上扩展波导层8和第二上包覆层9，1-9构成一个单层激光器单元10亦即900nm半导体激光器，整个多叠层隧道级联半导体激光器就是将三个结构相同的900nm半导体激光器由两个具有特殊结构的隧道结单元15连接而成。在本实施例中所述下包覆层为N型，采用高掺杂的高铝组分铝镓砷材料，即第一下包覆层I和第二下包覆层3为高掺杂的高铝组分铝镓砷材料，这两层的其目的是限制光场横模向缓冲层和衬底扩展，减小光的损耗，也是限制载流子的扩散。所述下扩展波导层2为N型的低掺杂低铝组分铝镓砷材料，此层采用模式扩展的方法将半导体激光器的光输出的发散角减小。所述下非掺波导层4和上非掺波导层6为非掺杂低铝组分铝镓砷材料，其目的是加强对光场的限制，减小光束的远场发散角，提高器件的光束质量。所述量子阱5为铟镓砷材料，其作用是作为半导体激光器的有源区，提供足够的光增益，并决定器件的激射波长以及器件的使用寿命。所述上包覆层为P型，采用非掺杂低铝组分铝镓砷材料，即所述第一上包覆层7和第二上包覆层9为高掺杂的高铝组分铝镓砷材料，这样的结构能够有效阻碍电子的扩散和漂移，而且限制光场横模向该层的扩展，从而减小光的损耗，即降低势垒，减小电压亏损。所述上扩展波导层8为低掺杂的低铝组分铝镓砷材料，此层同下扩展波导2的作用相同，也是采用模式扩展的方法减小半导体激光器的发散角。具有特殊结构的隧道结单元15包括高掺杂的PN结和按规则生长在PN结两侧的闻惨杂P型超晶格层11和闻惨杂的N型超晶格层14。所述PN结由高掺杂的P型半导体层12和N型半导体层13组成，高掺杂的P型半导体层12采用高掺杂的砷化镓材料，高掺杂的N型半导体层13采用高掺杂的砷化镓材料，此PN结中的N型半导体层13由δ掺杂技术暂停生长40次形成。此种结构的隧道结的反向电压比利用δ掺杂技术暂停生长10次形成的隧道结的反向电压明显降低，具体比较结果如图3所示。在高掺杂的PN结的两侧按半导体晶体生长规则生长有高掺杂的P型超晶格层11和N型超晶格层14。高掺杂的P型超晶格层11和N型超晶格层14均采用高掺杂的5个周期的砷化镓和铝镓砷材料，目的是减少光场交迭。由高掺杂的PN结以及生长于PN结两侧的超晶格层形成的具有特殊结构的隧道结单元15，通过此种隧道结单元15级联形成的半导体激光器比通常的仅由PN隧道结级联形成的半导体激光器的输出功率有明显提高，光输出功率由以往的20Α出55W提高到59W，具体结果如图4所示；同时近场光斑显示表明通过此隧道结单元15形成的多叠层隧道级联半导体激光器的输出光场交迭较少；本实用新型通过加入扩展波导(上扩展波导层8和下扩展波导层2)，使得多叠层隧道级联半导体激光器光输出的远场发散角由普通结构的35°减小为17°，具体结果如图5所示。上述特点使得本实用新型与现有技术相比具有较大的技术优势。为了将单层激光器单元10通过隧道结单元15连接，单层激光器单元10中各层的材料分布应当与隧道结单元15各层的材料分布相适配，应满足半导体晶体生长规则。[0038]实施例2由图6和图7所知可知，与实施例I不同的是本实施例由2个单层激光器单元10—第一单层激光器单元16和第二单层激光器单元18，这两个激光器单元通过具有特殊结构的隧道结单元15连接。这两个单层激光器单元10的结构不相同，第一单层激光器单元16为940nm半导体激光器，第二单层激光器单元18为980nm半导体激光器，第二单层激光器单元18的层级分布与实施例I中的单层激光器单兀10 (900nm半导体激光器)的层级分布相同，而第一单层激光器单元16与实施例I中单层激光器单元10的层级分布不同，最大的不同之处在于，在上包覆层和下包覆层里并未含有扩展波导层，由图6所示，第一单层激光器单元16自下而上依次包括N型下包覆层、N型下非掺波导层、第一量子阱17、P型上非掺波导层和P型上包覆层。实施例2中的隧道结单元15的结构也与实施例I中的不同。实施 例2的隧道结单元15仅包含一个超晶格层，即隧道结单元15由高掺杂的PN结和生长于PN结上侧的N型超晶格层14组成(也可仅有一个P型超晶格层，超晶格层还可以为高掺杂的)。本实施例2中各单层激光器单元10的各层材料根据实际需求自行设计，实施例2也可以到达实施例I的各种技术效果。本实用新型仅给出两个具有代表性的实施例。本领域技术人员可以根据具体情况，按照本实用新型的结构特点制作适于实用的各种半导体激光器。
权利要求1.一种多叠层隧道级联半导体激光器，包括2-4个垂直连接的单层激光器单元(10)；其特征在于相邻两单层激光器单元(10)之间按照半导体晶体生长规则通过具有特殊结构的隧道结单元(15)生长连接；所述隧道结单元(15)包括高掺杂的PN结和按规则生长在PN结上侧或/和下侧的超晶格层。
2.根据权利要求I所述的多叠层隧道级联半导体激光器，其特征在于所述超晶格层为高掺杂型。
3.根据权利要求I或2所述的多叠层隧道级联半导体激光器，其特征在于所述超晶格层为按照半导体晶体生长规则生长于高掺杂的PN结的下侧的P型超晶格层(11)或/和上侧的N型超晶格层(14)。
4.根据权利要求I或2所述的多叠层隧道级联半导体激光器，其特征在于所述PN结由高掺杂的P型半导体层(12)和由8掺杂技术生成的N型半导体层(13)组成。
5.根据权利要求I或2所述的多叠层隧道级联半导体激光器，其特征在于所述多叠层隧道级联半导体激光器包括三个单层激光器单元(10)。
6.根据权利要求I或2所述的多叠层隧道级联半导体激光器，其特征在于所述多叠层隧道级联半导体激光器中的各单层激光器单元(10)的结构相同或者不同。
7.根据权利要求I所述的多叠层隧道级联半导体激光器，其特征在于所述单层激光器单元(10)自下而上依次包括下包覆层、下非掺波导层(4)、量子阱(5)、上非掺波导层(6)和上包覆层。
8.根据权利要求7所述的多叠层隧道级联半导体激光器，其特征在于所述下包覆层包括自下而上依次生长连接的第一下包覆层(I)、下扩展波导层(2)和第二下包覆层(3)。
9.根据权利要求7或8所述的多叠层隧道级联半导体激光器，其特征在于所述上包覆层包括自下而上依次生长连接的第一上包覆层(7)、上扩展波导层(8)和第二上包覆层(9)。
专利摘要本实用新型公开了一种多叠层隧道级联半导体激光器，属于半导体激光器领域。本实用新型包括2-4个垂直连接的单层激光器单元；相邻两单层激光器单元之间按照半导体晶体生长规则通过具有特殊结构的隧道结单元层生长连接；隧道结单元包括高掺杂的PN结和按规则生长在PN结上侧或/和下侧的超晶格层。本实用新型采用带有超晶格的特殊隧道结形成隧道级联半导体激光器，大大提高了半导体激光器的输出光功率，且优化后的隧道结使得半导体激光器中隧道结处的内阻及其压降变小；通过在半导体激光器内加入扩展波导，大大减小了光输出的远场发散角；本实用新型具有较高的经济效益，有利于高功率半导体激光器的小型化应用。
文档编号H01S5/34GK202586076SQ20122024310
公开日2012年12月5日 申请日期2012年5月28日 优先权日2012年5月28日
发明者陈宏泰, 林琳, 车相辉, 王晶, 位永平, 张宇, 宁吉丰 申请人:中国电子科技集团公司第十三研究所