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1、(10)申请公布号 CN 102651536 A (43)申请公布日 2012.08.29 C N 1 0 2 6 5 1 5 3 6 A *CN102651536A* (21)申请号 201210168458.9 (22)申请日 2012.05.28 H01S 5/34(2006.01) H01S 5/20(2006.01) (71)申请人中国电子科技集团公司第十三研究 所 地址 050051 河北省石家庄市合作路113号 179信箱 (72)发明人陈宏泰 林琳 车相辉 王晶 位永平 张宇 宁吉丰 (74)专利代理机构石家庄国为知识产权事务所 13120 代理人李荣文 (54) 发明名称 多。
2、叠层隧道级联半导体激光器 (57) 摘要 本发明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。本发明包括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。本发明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；本发明具有较高的 经济效益，有利于高功率半导体。
3、激光器的小型化 应用。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书4页 附图6页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 6 页 1/1页 2 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1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。
4、求1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1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）和由掺杂技术生成的N型半导体层（13）组成。 5.根据权利要求1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1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。
5、者不同。 7.根据权利要求1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（1）、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）。 权 利 要 求 书CN 102651536 A 1/4页 3 多叠层隧道。
6、级联半导体激光器 技术领域 0001 本发明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 0002 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。 0003 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。
7、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。 0004 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。
8、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。 发明内容 0005 本发明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。 0006 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：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。
9、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。 0007 所述超晶格层为高掺杂型。 0008 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。 0009 所述PN结由高掺杂的P型半导体层和由掺杂技术生成的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。 说 明 书CN 102651536 A 2/4页 4 0011 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。 0012 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。
10、导层、量子阱、上非掺 波导层和上包覆层。 0013 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。 0014 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。 0015 采用上述技术方案取得的技术效果为：本发明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；本发明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。 附图说明 0016 图1为本发明。
11、实施例1中单层激光器单元和隧道结单元的具体结构示意图； 图2为本发明实施例1的结构示意图； 图3为实施例1中隧道结与掺杂暂停生长10次形成的隧道结的伏安特性曲线比较 图； 图4为实施例1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1与常规结构的半导体激光器的远场发散角比较图； 图6为本发明实施例2中第一单层激光器单元的结构示意图； 图7为本发明实施例2的结构示意图； 其中，1、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。
12、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 0017 实施例1 由图1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高 掺杂的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结由高掺杂的。
13、P 型半导体层12和由掺杂技术生成的N型半导体层13组成。 0018 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1、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 说 明 书CN 102651536 A 3/4页 5 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。
14、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。 0019 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1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。 0020 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。 0021 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。 0022 所述量。
15、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。 0023 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。 0024 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。 0025 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 高掺杂P型超晶。
16、格层11和高掺杂的N型超晶格层14。 0026 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。 0027 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。 0。
17、028 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20A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；本发明通过加入扩展波导（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。上述特点使得本发明与现有技术相比具有较大的技术优 势。 0029 为了将单。
18、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。 0030 实施例2 由图6和图7所知可知，与实施例1不同的是本实施例由2个单层激光器单元10第 说 明 书CN 102651536 A 4/4页 6 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。 0031 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1中的单层激。
19、光器单元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1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。 0032 实施例2中的隧道结单元15的结构也与实施例1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）。 0033 本实施例2中各单层激光。
20、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1的各种技术效果。 0034 本发明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 照本发明的结构特点制作适于实用的各种半导体激光器。 说 明 书CN 102651536 A 1/6页 7 图1 说 明 书 附 图CN 102651536 A 2/6页 8 图2 说 明 书 附 图CN 102651536 A 3/6页 9 图3 说 明 书 附 图CN 102651536 A 4/6页 10 图4 说 明 书 附 图CN 102651536 A 10 5/6页 11 图5 图6 说 明 书 附 图CN 102651536 A 11 6/6页 12 图7 说 明 书 附 图CN 102651536 A 12 。