一种无铝有源区的红光半导体激光器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种无铝有源区的红光半导体激光器及其制备方法，包括由下至上依次设置的GaAs衬底、GaAs缓冲层、Ga

【技术实现步骤摘要】
一种无铝有源区的红光半导体激光器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及光电子
,具体地说是一种无铝有源区的红光半导体激光器件及其制备方法。

技术介绍

[0002]红光半导体激光器具有体积小、寿命长、光电转换效率高等优点，逐渐取代传统的He
‑
Ne气体激光器及红宝石固体激光器，广泛应用于光存储系统、条形码阅读器、工业准直标线仪、医疗保健设备等领域。其中，激光电视、便携式投影仪等激光显示设备的红光光源波长选择主要考虑两个方面的因素：1)根据人眼对波长的响应度来选择人眼敏感的波长，以获得较高的光视效能；2)所选波长能够扩大色域的覆盖范围，从而获得更好的色彩体验。国际上用于激光显示的红光波长通常集中在630
‑
660nm，其中635nm红光半导体激光器的综合性能更好。为满足正常的投影需要，商用红光半导体激光器的功率需要达到瓦级，对激光器的寿命及可靠性要求较高。
[0003]为满足激光显示对红光半导体波长的需求，有源区一般选择AlGaInP材料，腔面光学灾变损伤(COD)成为限制功率提高的主要因素之一，原因在于：(1)半导体激光器是采用自然解理面形成光学谐振腔，解理面上存在大量的表面态和界面态，形成更多的非辐射复合中心，产生更多的热，使端面的温度升高；(2)由于端面处化学键的断裂和加热，加剧了端面处含Al材料的氧化，造成缺陷密度提高，非辐射复合进一步增强，从而引起位错和缺陷的产生与向内传播，使得该材料系更易发生COD。
[0004]提高激光器的最大输出功率，抑制COD现象的方法通常有以下几种：(1)制作非吸收窗口结构，最成熟的方法是通过快速退火的方式将Zn作为杂质扩散到有源区，加强AlGaInP超晶格的无序性，扩展能带宽度，减少光吸收。如中国专利文献CN103368072A公开了一种对红光半导体激光器进行Zn扩散的方法，在MOCVD反应室中通入二甲基锌进行腔面扩散，制作的非吸收窗口的激光器输出功率比闭管扩Zn的激光器功率提高10％；但这种方法需额外增加管芯工艺，成本增加，同时该方法并没有从外延结构设计解决有源区含铝材料氧化造成的性能退化。(2)采用真空解离技术，将外延片的解理、装架、镀膜等工艺都在真空中(低于10
‑
7Torr)完成，解决含Al材料在空气中极易氧化的缺点，提高器件的性能和可靠性；但该方法需购买真空解离设备，价格昂贵。(3)采用无铝有源区，从材料生长及外延结构设计出发，根本上解决Al材料极易氧化的缺点，提高光学灾变阈值，如中国专利文献CN108233179A公开了一种无铝波导层的红光半导体激光器结构，下波导层、量子阱层、上波导层均为镓铟磷材料，实现有源区无铝，抗氧化能力增加，腔面缺陷有效减少，可以减少光吸收，提高腔面的抗烧毁能力及半导体激光器的寿命；但该方法量子阱材料为有序GaInP(带隙1.84eV)，波导层材料为无序GaInP(带隙1.91eV)，带隙差较小，量子阱内载流子限制能力差，载流子溢出到波导层，导致无效发光，内量子效率降低。

技术实现思路

[0005]为解决现有红光半导体激光器的波导层为含铝材料，对材料生长要求较高，且容易形成缺陷，影响激光器性能的缺点，本专利技术提供了一种无铝有源区的红光半导体激光器以及制备方法，调控GaInAsP四元合金组分，实现与GaAs衬底晶格匹配，避免生长过程中的应力积聚；优化生长条件，降低四元合金表面粗糙度较大对材料性能的影响；利用GaInAsP作为波导层、GaInP作为量子阱，实现无铝有源区设计。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术公开了如下技术方案：
[0007]一种无铝有源区的红光半导体激光器，包括由下至上依次设置的GaAs衬底、GaAs缓冲层、Ga
x1
In1‑
x1
P下过渡层3、AlGaInP下限制层、Ga
x5
In1‑
x5
As
y4
P1‑
y4
下波导层、Ga1‑
x6
In
x6
P下垒层、Ga1‑
x7
In
x7
P量子阱、Ga1‑
x8
In
x8
P上垒层、Ga
x9
In1‑
x9
As
y5
P1‑
y5
上波导层、AlGaInP上限制层、Ga1‑
x12
In
x12
P上过渡层和GaAs帽层；
[0008]所述AlGaInP下限制层包括由下自上设置的(Al1‑
x2
Ga
x2
)
y1
In1‑
y1
P下限制层
‑
1、(Al1‑
x3
Ga
x3
)
y2
In1‑
y2
P下限制层
‑
2、(Al1‑
x4
Ga
x4
)
y3
In1‑
y3
P下限制层
‑
3；
[0009]所述AlGaInP上限制层包括由下自上设置的(Al1‑
x10
Ga
x10
)
y6
In1‑
y6
P上限制层
‑
1、(Al1‑
x11
Ga
x11
)
y7
In1‑
y7
P上限制层
‑
2；
[0010]其中，0.4≤x1≤0.6；0≤x2≤0.3，0.4≤y1≤0.6；0≤x3≤0.3，0.4≤y2≤0.6；0≤x4≤0.3，0.4≤y3≤0.6；0.85≤x5≤0.93，0.7≤y4≤0.85；0.35≤x6≤0.45；0.55≤x7≤0.7；0.35≤x8≤0.45；0.85≤x9≤0.93，0.7≤y5≤0.85；0.05≤x10≤0.35，0.4≤y6≤0.6；0≤x11≤0.3，0.4≤y7≤0.6；0.4≤x12≤0.6。
[0011](Al1‑
x2
Ga
x2
)
y1
In1‑
y1
P下限制层
‑
1、(Al1‑
x3
Ga
x3
)
y2
In1‑
y2
P下限制层
‑
2、(Al1‑
x4
Ga
x4
)
y3
In1‑
y3
P下限制层
‑
3主要是因为存在温度的一个变化，分别由680
‑
700、700、700
‑
640，因为GaInAsP波导层中As/P比例对温度非常敏感，所以在限制层
‑
3降温，避免温度对波导层的影响，没有特殊效果。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无铝有源区的红光半导体激光器，其特征在于，包括由下至上依次设置的GaAs衬底、GaAs缓冲层、Ga
x1
In1‑
x1
P下过渡层3、AlGaInP下限制层、Ga
x5
In1‑
x5
As
y4
P1‑
y4
下波导层、Ga1‑
x6
In
x6
P下垒层、Ga1‑
x7
In
x7
P量子阱、Ga1‑
x8
In
x8
P上垒层、Ga
x9
In1‑
x9
As
y5
P1‑
y5
上波导层、AlGaInP上限制层、Ga1‑
x12
In
x12
P上过渡层和GaAs帽层；所述AlGaInP下限制层包括由下自上设置的(Al1‑
x2
Ga
x2
)
y1
In1‑
y1
P下限制层
‑
1、(Al1‑
x3
Ga
x3
)
y2
In1‑
y2
P下限制层
‑
2、(Al1‑
x4
Ga
x4
)
y3
In1‑
y3
P下限制层
‑
3；所述AlGaInP上限制层包括由下自上设置的(Al1‑
x10
Ga
x10
)
y6
In1‑
y6
P上限制层
‑
1、(Al1‑
x11
Ga
x11
)
y7
In1‑
y7
P上限制层
‑
2；其中，0.4≤x1≤0.6；0≤x2≤0.3，0.4≤y1≤0.6；0≤x3≤0.3，0.4≤y2≤0.6；0≤x4≤0.3，0.4≤y3≤0.6；0.85≤x5≤0.93，0.7≤y4≤0.85；0.35≤x6≤0.45；0.55≤x7≤0.7；0.35≤x8≤0.45；0.85≤x9≤0.93，0.7≤y5≤0.85；0.05≤x10≤0.35，0.4≤y6≤0.6；0≤x11≤0.3，0.4≤y7≤0.6；0.4≤x12≤0.6。2.根据权利要求1所述的一种无铝有源区的红光半导体激光器，其特征在于，x5＝0.9，y4＝0.8。3.根据权利要求1所述的一种无铝有源区的红光半导体激光器，其特征在于，所述Ga
x5
In1‑
x5
As
y4
P1‑
y4
下波导层的厚度为0.1
‑
0.3μm，非故意掺杂；进一步优选的，所述Ga
x5
In1‑
x5
As
y4
P1‑
y4
下波导层的厚度为0.2μm；进一步优选的，x9＝0.9，y5＝0.8。4.根据权利要求1所述的一种无铝有源区的红光半导体激光器，其特征在于，所述Ga
x9
In1‑
x9
As
y5
P1‑
y5
上波导层的厚度为0.1
‑
0.3μm，非故意掺杂；进一步优选的，所述Ga
x9
In1‑
x9
As
y5
P1‑
y5
上波导层的厚度为0.13μm；进一步优选的，x7＝0.65。5.根据权利要求1所述的一种无铝有源区的红光半导体激光器，其特征在于，所述Ga1‑
x7
In
x7
P量子阱的厚度为5
‑
10nm，非故意掺杂；进一步优选的，所述Ga1‑
x7
In
x7
P量子阱的厚度为7nm。6.根据权利要求1所述的一种无铝有源区的红光半导体激光器，其特征在于，所述GaAs缓冲层的掺杂浓度为3E18
‑
6E18个原子/cm3，厚度为0.1
‑
0.3μm；所述Ga
x1
In1‑
x1
P下过渡层的掺杂浓度为1E18
‑
3E18个原子/cm3，厚度为0.1
‑
0.3μm；所述(Al1‑
x2
Ga
x2
)
y1
In1‑
y1
P下限制层
‑
1的厚度为0.01
‑
0.05μm，掺杂浓度为7E17
‑
1.5E18个原子/cm3；所述(Al1‑
x3
Ga
x3
)
y2
In1‑
y2
P下限制层
‑
2的厚度为0.8
‑
1.2μm，掺杂浓度为7E17
‑
1.5E18个原子/cm3；所述(Al1‑
x4
Ga
x4
)
y3
In1‑
y3
P下限制层
‑
3的厚度为0.01
‑
0.05μm，掺杂浓度为7E17
‑
1.5E18个原子/cm3；所述Ga1‑
x6
In
x6
P下垒层的厚度为3
‑
15nm，非故意掺杂；所述Ga1‑
x8
In
x8
P上垒层的厚度为3
‑
15nm，非故意掺杂；所述(Al1‑
x10
Ga
x10
)
y6
In1‑
y6
P上限制层
‑
1的厚度为0.03
‑
0.08μm，掺杂浓度为7E17
‑
1.5E18个原子/cm3；所述(Al1‑
x11
Ga
x11
)
y7
In1‑
y7
P上限制层
‑
2的厚度为0.8
‑
1.2μm，掺杂浓度为7E17
‑
1.5E18个
原子/cm3；所述Ga1‑
x12
In
x12
P上过渡层的厚度为0.01
‑
0.05μm，掺杂浓度为1E18
‑
3E18个原子/cm3；所述GaAs帽层的厚度为0.1
‑
0.5μm，掺杂浓度为4E19
‑
1E20个原子/cm3；进一步优选的，所述GaAs缓冲层的掺杂浓度为4E18个原子/cm3，厚度为0.2μm；所述Ga
x1
In1‑
x1
P下过渡层的掺杂浓度为2E18个原子/cm3，厚度为0.1μm，x1＝0.5；所述(Al1‑
x2
Ga
x2
)
y1
In1‑
y1
P下限制层
‑
1的厚度为0.02μm，掺杂浓度为1E18个原子/cm3，x2＝0，y1＝0.5；所述(Al1‑
x3
Ga
x3
)
y2
In1‑
y2
P下限制层
‑
2的厚度为1μm，掺杂浓度为1E18个原子/cm3，x3＝0，y2＝0.5；所述(Al1‑
x4
Ga
x4
)
y3
In1‑
y3
P下限制层
‑
3的厚度为0.02μm，掺杂浓度为1E18个原子/cm3，x4＝0，y3＝0.5；所述Ga1‑
x6
In
x6
P下垒层的厚度为5nm，x6＝0.4；所述Ga1‑
x8
In
x8
P上垒层的厚度为5nm，x8＝0.4；所述(Al1‑
x10
Ga
x10
)
y6
In1‑
y6
P上限制层
‑
1的厚度为0.05μm，掺杂浓度为1E18个原子/cm3，x10＝0.3，y6＝0.5；所述(Al1‑
x11
Ga
x11

【专利技术属性】
技术研发人员：刘飞，朱振，于军，辛欣，
申请(专利权)人：山东华光光电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：