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CN114400505B - 一种用于多波长边发射半导体激光器的外延结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于多波长边发射半导体激光器的外延结构，主要解决现有多波长激光器光路复杂、结构复杂以及成本较高的问题。该外延结构包括由下至上依次设置的N型衬底、出射波长为λ1的量子阱单元、第一陷阱隧道结、出射波长为λ2的量子阱单元、第二陷阱隧道结、出射波长为λ3的量子阱单元和P型接触层；第一陷阱隧道结用于调制出射波长为λ1的量子阱单元、出射波长为λ2的量子阱单元激射的光场；第二陷阱隧道结用于调制出射波长为λ2的量子阱单元、出射波长为λ3的量子阱单元激射的光场；第一陷阱隧道结和第二陷阱隧道结均包括由下至上依次设置的P型陷阱层、P型重掺杂层、N型重掺杂层和N型陷阱层。

Description

一种用于多波长边发射半导体激光器的外延结构
技术领域
本发明属于半导体激光器领域，具体涉及一种用于多波长边发射半导体激光器的外延结构。
背景技术
随着激光器技术的发展，激光器在各个领域得到充分的应用。尤其是半导体激光器，由于其体积小、效率高、易集成及免维护等特点，已经广泛应用于材料加工、医疗美容、激光雷达和航天航空等领域。但在很多应用和研究中，如激光共聚焦扫描显微镜、共焦显微拉曼、流式细胞仪及光遗传等领域，单一波长的激光器已经无法满足需求，需要多波长激光器。
常规的半导体激光器为单一波长，如果在应用中需要多种波长的激光器，需要将不同波长的芯片封装在一起，然后再通过设计光路进行光束耦合，将不同波长的激光耦合到光线内输出。
目前在多波长激光器的应用和研究中，均使用多个不同波长的单一波长半导体激光芯片耦合而成，因使用了多个不同波长的半导体激光器芯片，需要设计复杂的光路，同时使用较多的透镜，多种芯片和各种透镜的使用大大提高了应用和研究的成本。
发明内容
本发明的目的是解决现有多波长激光器光路复杂、结构复杂以及成本较高的问题，提供一种用于多波长边发射半导体激光器的外延结构。
为实现以上发明目的，本发明的技术方案是：
一种用于多波长边发射半导体激光器的外延结构，包括由下至上依次设置的N型衬底、出射波长为λ1的量子阱单元、第一陷阱隧道结、出射波长为λ2的量子阱单元、第二陷阱隧道结、出射波长为λ3的量子阱单元和P型接触层；出射波长为λ1的量子阱单元、出射波长为λ2的量子阱单元通过第一陷阱隧道结串联，第一陷阱隧道结用于调制出射波长为λ1的量子阱单元、出射波长为λ2的量子阱单元激射的光场；出射波长为λ2的量子阱单元、出射波长为λ3的量子阱单元通过第二陷阱隧道结串联，第二陷阱隧道结用于调制出射波长为λ2的量子阱单元、出射波长为λ3的量子阱单元激射的光场；所述第一陷阱隧道结和第二陷阱隧道结均包括由下至上依次设置的P型陷阱层、P型重掺杂层、N型重掺杂层和N型陷阱层；其中N型陷阱层和N型重掺杂层共同作用，将位于其上方紧邻的量子阱单元激射出的高阶模限制在N型陷阱层中，同时与P型重掺杂层作用，形成隧穿效应；P型重掺杂层与P型陷阱层共同作用，将位于其下方紧邻的量子阱单元激射出的高阶模限制在P型陷阱层中，同时与N型重掺杂层作用，形成隧穿效应，连接上下两个相邻的量子阱单元。
进一步地，出射波长为λ1的量子阱单元的激射波长为755nm，出射波长为λ2的量子阱单元的激射波长为808nm；出射波长为λ3的量子阱单元的激射波长为1064nm。
进一步地，出射波长为λ1的量子阱单元包括由下至上依次设置的N-Alx1GaAs层、U-Alx2GaAs层、Inx3Alx4GaAs层、U-Alx2GaAs层、P-Alx1GaAs层。
进一步地，出射波长为λ2的量子阱单元包括由下至上依次设置的N-Aly1GaAs层、U-Aly2GaAs层、Iny3Aly4GaAs层、U-Aly2GaAs层、P-Aly1GaAs层。
进一步地，出射波长为λ3的量子阱单元包括由下至上依次设置的N-Alz1GaAs层、U-Alz2GaAs层、Inz3Alz4GaAs层、U-Alz2GaAs层、P-Alz1GaAs层。
与现有技术相比，本发明技术方案具有以下有益效果：
1.本发明通过设计不同出射波长的SCH-QW结构，使用陷阱隧道结将不同波长的SCH-QW结构串联起来，使用MOCVD或MBE设备生长该设计的外延结构，通过半导体激光器芯片制造工艺制造出可以出射几种波长混合的半导体激光器芯片，以满足多波长激光器的应用和研究，该结构无需设置透镜和光路，其结构简单，成本较小。
2.本发明结构使用陷阱隧道结将激射多个波长(λ1，λ2，λ3)的SCH-QW结构串联起来，该陷阱隧道结不仅可调制激射λ1和λ2，λ2和λ3的量子阱单元之间的光场分布，同时连接相邻两个的量子阱单元，进而使用该外延制造的半导体激光器芯片可以同时激射多个波长。
附图说明
图1为本发明用于多波长边发射半导体激光器的外延结构示意图；
图2为本发明实施一中用于多波长边发射半导体激光器的外延结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
本发明提出一种在单一芯片上激射多种波长的半导体激光器的外延结构，每一个激射波长的量子阱单元与相邻的量子阱单元不是孤立的发光单元，相邻量子阱单元激射的波长可以通过陷阱隧道结进行调制，该陷阱隧道结在此起到两个作用，第一，调制相邻两个量子阱激射的光场，第二，连接相邻量子阱单元，通过陷阱隧道结将激射不同波长的SCH-QW结构串联起来，以实现单一半导体激光器芯片同时激射多个波长。
如图1所示，本发明提供的用于多波长边发射半导体激光器的外延结构包括由下至上依次设置的N型衬底、出射波长为λ1的量子阱单元、第一陷阱隧道结、出射波长为λ2的量子阱单元、第二陷阱隧道结、出射波长为λ3的量子阱单元和P型接触层；出射波长为λ1的量子阱单元、出射波长为λ2的量子阱单元通过第一陷阱隧道结串联，第一陷阱隧道结用于调制出射波长为λ1的量子阱单元、出射波长为λ2的量子阱单元激射的光场；出射波长为λ2的量子阱单元、出射波长为λ3的量子阱单元通过第二陷阱隧道结串联，第二陷阱隧道结用于调制出射波长为λ2的量子阱单元、出射波长为λ3的量子阱单元激射的光场。
如图1所示，上述出射波长为λ1的量子阱单元包括由下至上依次设置的N-Alx1GaAs层、U-Alx2GaAs层、Inx3Alx4GaAs层、U-Alx2GaAs层、P-Alx1GaAs层。出射波长为λ2的量子阱单元包括由下至上依次设置的N-Aly1GaAs层、U-Aly2GaAs层、Iny3Aly4GaAs层、U-Aly2GaAs层、P-Aly1GaAs层。出射波长为λ3的量子阱单元包括由下至上依次设置的N-Alz1GaAs层、U-Alz2GaAs层、Inz3Alz4GaAs层、U-Alz2GaAs层、P-Alz1GaAs层。
本发明首先设计出射波长分别为λ1、λ2、λ3的限制异质结的量子阱结构(separate-confinement heterostructure quantum well：SCH-QW)，然后使用陷阱隧道结(N+/P+)将3个出射波长分别为λ1、λ2、λ3的SCH-QW隧道结串联起来，通过MOCVD或MBE等外延设备生长外延结构，然后进行芯片工艺制造，便可制造出出射波长为λ1、λ2、λ3三种波长混合的半导体激光器芯片，满足多波长激光器的应用和研究。该陷阱隧道结是由N型陷阱层、N型重掺杂层、P型重掺杂层和P型陷阱层组成。其中N型陷阱层和N型重掺杂层共同作用，可以将上面紧邻的量子阱单元激射出的高阶模限制在N型陷阱层中，同时与P型重掺杂层作用，形成隧穿效应；P型重掺杂层与P型陷阱层共同作用，可以将下面紧邻的量子阱单元激射出的高阶模限制在P型陷阱层中，同时与N型重掺杂层作用，形成隧穿效应，连接上下两个相邻的量子阱单元。
实施例一
如图2所示，本发明首先设计射波长分别为755nm、808nm、1064nm的限制异质结的量子阱结构(separate-confinement heterostructure quantum well：SCH-QW)，然后使用陷阱隧道结(N+/P+)将3个出射波长分别为755nm、808nm、1064nm的SCH-QW串联起来，通过MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)或MBE(molecular beam epitaxy)等外延设备生长外延结构，然后进行芯片工艺制造，便可制造出出射波长为755nm、808nm、1064nm三种波长混合的半导体激光器芯片，满足在医疗美容行业的应用和研究。
该实施例中，使用陷阱隧道结将激射波长为755nm、808nm和1064nm的三个SCH-QW结构串联起来，该陷阱隧道结不仅可调制激射1064nm和808nm，808nm和755nm的量子阱单元之间的光场分布，同时连接相邻两个的量子阱单元，进而使用该外延制造的半导体激光器芯片可以同时激射755nm、808nm和1064nm三个波长。

Claims (5)

1.一种用于多波长边发射半导体激光器的外延结构，其特征在于：包括由下至上依次设置的N型衬底、出射波长为λ1的量子阱单元、第一陷阱隧道结、出射波长为λ2的量子阱单元、第二陷阱隧道结、出射波长为λ3的量子阱单元和P型接触层；
出射波长为λ1的量子阱单元、出射波长为λ2的量子阱单元通过第一陷阱隧道结串联，第一陷阱隧道结用于调制出射波长为λ1的量子阱单元、出射波长为λ2的量子阱单元激射的光场；
出射波长为λ2的量子阱单元、出射波长为λ3的量子阱单元通过第二陷阱隧道结串联，第二陷阱隧道结用于调制出射波长为λ2的量子阱单元、出射波长为λ3的量子阱单元激射的光场；
所述第一陷阱隧道结和第二陷阱隧道结均包括由下至上依次设置的P型陷阱层、P型重掺杂层、N型重掺杂层和N型陷阱层；其中N型陷阱层和N型重掺杂层共同作用，将位于其上方紧邻的量子阱单元激射出的高阶模限制在N型陷阱层中，同时与P型重掺杂层作用，形成隧穿效应；P型重掺杂层与P型陷阱层共同作用，将位于其下方紧邻的量子阱单元激射出的高阶模限制在P型陷阱层中，同时与N型重掺杂层作用，形成隧穿效应，连接上下两个相邻的量子阱单元。
2.根据权利要求1所述的用于多波长边发射半导体激光器的外延结构，其特征在于：出射波长为λ1的量子阱单元的激射波长为755nm，出射波长为λ2的量子阱单元的激射波长为808nm；出射波长为λ3的量子阱单元的激射波长为1064nm。
3.根据权利要求1所述的用于多波长边发射半导体激光器的外延结构，其特征在于：出射波长为λ1的量子阱单元包括由下至上依次设置的N-Alx1GaAs层、U-Alx2GaAs层、Inx3Alx4GaAs层、U-Alx2GaAs层、P-Alx1GaAs层。
4.根据权利要求1所述的用于多波长边发射半导体激光器的外延结构，其特征在于：出射波长为λ2的量子阱单元包括由下至上依次设置的N-Aly1GaAs层、U-Aly2GaAs层、Iny3Aly4GaAs层、U-Aly2GaAs层、P-Aly1GaAs层。
5.根据权利要求1所述的用于多波长边发射半导体激光器的外延结构，其特征在于：出射波长为λ3的量子阱单元包括由下至上依次设置的N-Alz1GaAs层、U-Alz2GaAs层、Inz3Alz4GaAs层、U-Alz2GaAs层、P-Alz1GaAs层。
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