一种优化电子阻挡层的小功率AlGaInP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优化电子阻挡层的小功率AlGaInP红光半导体激光器及其制备方法。所述红光半导体激光器包括由下至上依次设置的衬底、缓冲层、下过渡层、下限制层、下波导层、第一量子阱、垒层、第二量子阱、上波导层、(Al

【技术实现步骤摘要】
一种优化电子阻挡层的小功率AlGaInP红光半导体激光器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种优化电子阻挡层的小功率AlGaInP红光半导体激光器及其制备方法，属于半导体激光器


技术介绍

[0002]AlGaInP红光半导体激光器具有价格低、寿命长的特点，在医疗美容、激光显示及工业测量等领域有着广泛的应用前景。小功率激光器由于输出功率较小(一般小于100mW)，要求激光器具有更低的阈值电流，及更高的光电转换效率，减少热量的产生，避免废热对材料性能的损伤，造成激光器性能衰退，影响激光器的工作寿命。
[0003]为降低激光器工作时的阈值电流，需要提高光限制因子，文献2013SPIE，86400E1
‑
7指出AlInP作为限制层，具有更高的光限制因子，有助于实现低阈值电流；文献IEEE Journal ofQuantum Electronics，27(6)，1991，1476
‑
1482指出AlInP作为限制层时，与GaInP量子阱的导带带隙差只有190meV，电子限制能力较差，电子从有源区向P型限制层溢出较为严重，导致阈值电流增加、斜率效率降低，产生更多的废热，而(Al70Ga30)50In50P与GaInP具有最大的导带带隙差(270meV)，可以在一定程度上降低电子溢出现象，提高激光器的工作稳定性；文献IEEE Journal of Quantum Electronics，31(12)，1995，2159
‑
2164指出波导层及垒层采用低Al组分AlGaInP有助于提高光增益，增加斜率效率，提升光电转换效率。
[0004]利用低Al组分AlGaInP作为波导层可以实现更大的光增益，利用(Al70Ga30)50In50P 作为电子阻挡层减少电子溢出，同时利用AlInP作为限制层，有助于实现高限制因子下，高增益、低电子溢出，实现更好的光电性能；但文献Phys.Status Solidi.
–
A Appl.Mater.Sci， 213(1)，2016，210
–
214指出P层插入高带隙电子阻挡层将使界面产生极化负电荷，从而在界面处形成空穴积累，影响空穴注入，导致复合效率降低，光电转换效率降低。文献PhotonicsRes.，7(4)，2019，B1
‑
B6指出Al组分渐变的具备极化自屏蔽的作用，可有效提高空穴能量，从而增加空穴漂移速度，进而提高空穴注入效率；但文献集中在GaN基激光器AlN电子阻挡层的优化，与GaAs衬底AlGaInP激光器差别较大，电子阻挡层优化不具备适用性，且没有涉及电子阻挡层厚度优化。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种优化电子阻挡层的小功率AlGaInP红光半导体激光器及其制备方法，通过优化电子阻挡层结构及厚度设计，在低Al组分AlGaInP波导层及 AlInP限制层中插入组分渐变(Al1
‑
xGax)yIn1
‑
yP结构，优化该层厚度设计，达到抑制电子溢出的目的，同时有效提高空穴能量，提高空穴注入效率，使小功率AlGaInP红光激光器具有较小的工作电流及更高的光电转换效率。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
[0007]本专利技术第一方面提供了一种优化电子阻挡层的小功率AlGaInP红光半导体激光器，所述激光器包括由下至上依次设置的衬底、缓冲层、下过渡层、下限制层、下波导层、第一量子阱、垒层、第二量子阱、上波导层、(Al
x6
Ga1‑
x6
)
y4
In1‑
y4
P渐变电子阻挡层、第一上限制层、腐蚀终止层、第二上限制层、带隙过渡层和GaAs帽层；
[0008]其中，0.25≤x6≤0.75，0.4≤y4≤0.6；
[0009]其中，(Al
x6
Ga1‑
x6
)
y4
In1‑
y4
P组分渐变，x6由0.25渐变至0.75，Al组分线性增加、Ga组分线性减少，提高导带带隙，阻挡电子溢出，降低能量势垒，同时渐变结构有效提高空穴能量，增加空穴漂移速度，进而提高空穴注入效率，提高光电转换效率，生长厚度为1～20nm。
[0010]根据本专利技术所优选的，所述优化电子阻挡层的小功率AlGaInP红光半导体激光器中，包括下列条件之一或多种：
[0011]I.所述衬底是GaAs衬底；
[0012]II.缓冲层是GaAs缓冲层；
[0013]III.下过渡层是Ga
0.5
In
0.5
P下过渡层；
[0014]IV.下限制层是Al
0.52
In
0.48
P下限制层；
[0015]V.下波导层是(Al
x1
Ga1‑
x1
)
y1
In1‑
y1
P下波导层；0.25≤x1≤0.5，0.4≤y1≤0.6；
[0016]VI.第一量子阱是Ga
x2
In1‑
x2
P第一量子阱；0.3≤x2≤0.7；
[0017]VII.垒层是(Al
x3
Ga1‑
x3
)
y2
In1‑
y2
P垒层；0.25≤x3≤0.55，0.4≤y2≤0.6；
[0018]VIII.第二量子阱是Ga
x4
In1‑
x4
P第二量子阱；0.3≤x4≤0.7；
[0019]IX.上波导层是(Al
x5
Ga1‑
x5
)
y3
In1‑
y3
P上波导层；0.25≤x5≤0.5，0.4≤y3≤0.6；
[0020]X.第一上限制层是Al
0.52
In
0.48
P第一上限制层；
[0021]XI.腐蚀终止层是Ga
x7
In1‑
x7
P腐蚀终止层；0.5≤x7≤0.7；
[0022]XII.第二上限制层是Al
0.52
In
0.48
P第二上限制层；
[0023]XIII.带隙过渡层是Ga
0.5
In
0.5
P带隙过渡层；
[0024]XIV.帽层是GaAs帽层。
[0025]根据本专利技术所优选的，所述优化电子阻挡层的小功率AlGaInP红光半导体激光器中， (Al
x6
Ga1‑
x6
)
y4
In1‑
y4
P渐变电子阻挡层的掺杂浓度为4E17
‑
1E18个原子/cm3，x6由0.4渐变至0.7，y4＝0.5，厚度为5nm，掺杂浓度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种优化电子阻挡层的小功率AlGaInP红光半导体激光器，所述激光器包括由下至上依次设置的衬底、缓冲层、下过渡层、下限制层、下波导层、第一量子阱、垒层、第二量子阱、上波导层、(Al
x6
Ga1‑
x6
)
y4
In1‑
y4
P渐变电子阻挡层、第一上限制层、腐蚀终止层、第二上限制层、带隙过渡层和GaAs帽层；其中，0.25≤x6≤0.75，0.4≤y4≤0.6；其中，(Al
x6
Ga1‑
x6
)
y4
In1‑
y4
P组分渐变，x6由0.25渐变至0.75，Al组分线性增加、Ga组分线性减少，生长厚度为1～20nm。2.根据权利要求1所述的优化电子阻挡层的小功率AlGaInP红光半导体激光器，其特征在于，所述优化渐电子阻挡层的小功率AlGaInP红光半导体激光器中，包括下列条件之一或多种：I.所述衬底是GaAs衬底；II.缓冲层是GaAs缓冲层；III.下过渡层是Ga
0.5
In
0.5
P下过渡层；IV.下限制层是Al
0.52
In
0.48
P下限制层；V.下波导层是(Al
x1
Ga1‑
x1
)
y1
In1‑
y1
P下波导层；0.25≤x1≤0.5，0.4≤y1≤0.6；VI.第一量子阱是Ga
x2
In1‑
x2
P第一量子阱；0.3≤x2≤0.7；VII.垒层是(Al
x3
Ga1‑
x3
)
y2
In1‑
y2
P垒层；0.25≤x3≤0.55，0.4≤y2≤0.6；VIII.第二量子阱是Ga
x4
In1‑
x4
P第二量子阱；0.3≤x4≤0.7；IX.上波导层是(Al
x5
Ga1‑
x5
)
y3
In1‑
y3
P上波导层；0.25≤x5≤0.5，0.4≤y3≤0.6；X.第一上限制层是Al
0.52
In
0.48
P第一上限制层；XI.腐蚀终止层是Ga
x7
In1‑
x7
P腐蚀终止层；0.5≤x7≤0.7；XII.第二上限制层是Al
0.52
In
0.48
P第二上限制层；XIII.带隙过渡层是Ga
0.5
In
0.5
P带隙过渡层；XIV.帽层是GaAs帽层。3.根据权利要求1所述的优化渐电子阻挡层的小功率AlGaInP红光半导体激光器，其特征在于，所述优化渐电子阻挡层的小功率AlGaInP红光半导体激光器件中，(Al
x6
Ga1‑
x6
) y4
In1‑
y4
P渐变电子阻挡层的掺杂浓度为4E17
‑
1E18个原子/cm3，x6由0.4渐变至0.7，y4＝0.5，厚度为5nm，掺杂浓度由4E17个原子/cm3渐变至7E17个原子/cm3。4.根据权利要求1所述的优化电子阻挡层的小功率AlGaInP红光半导体激光器件，其特征在于，包括下列条件之一或多种：
①
.缓冲层为GaAs缓冲层，GaAs缓冲层的掺杂浓度为2E18
‑
5E18个原子/cm3，厚度为0.1
‑
0.3μm；
②
.下过渡层为Ga
0.5
In
0.5
P下过渡层，Ga
0.5
In
0.5
P下过渡层的掺杂浓度为1E18
‑
3E18个原子/cm3，厚度为0.1
‑
0.3μm；
③
.下限制层为n型Al
0.52
In
0.48
P下限制层，n型Al
0.52
In
0.48
P下限制层的厚度为0.5
‑
1.5μm，掺杂浓度为5E17
‑
3E18个原子/cm3；
④
.下波导层为Al1‑
x1
Ga
x1
)
y1
In1‑
y1
P下波导层，(Al1‑
x1
Ga
x1
)
y1
In1‑
y1
P下波导层的厚度为0.05
‑
0.15nm，非故意掺杂，0.25≤x1≤0.5，0.4≤y1≤0.6；
⑤
.第一量子阱为Ga1‑
x2
In
x2
P第一量子阱，Ga1‑
x2
In
x2
P第一量子阱的厚度为4
‑
7nm，非故
意掺杂，0.3≤x2≤0.7；
⑥
.垒层为(Al1‑
x3
Ga
x3
)
y2
In1‑
y2
P垒层，(Al1‑
x3
Ga
x3
)
y2
In1‑
y2
P垒层的厚度为5
‑
15nm，非故意掺杂，0.25≤x3≤0.55，0.4≤y2≤0.6；
⑦
.第二量子阱为Ga1‑
x4
In
x4
P第二量子阱，Ga1‑
x4
In
x4
P第二量子阱的厚度为4
‑
7nm，非故意掺杂，0.3≤x4≤0.7；
⑧
.上波导层为(Al1‑
x5
Ga
x5
)
y3
In1‑
y3
P上波导层，(Al1‑
x5
Ga
x5
)
y3
In1‑
y3
P上波导层的厚度为0.05
‑
0.15μm，远离量子阱的1/2厚度掺杂浓度为4E17
‑
1E18个原子/cm3，0.25≤x5≤0.5，0.4≤y3≤0.6；
⑨
.第一上限制层为P型Al
0.52
In
0.48
P第一上限制层，P型Al
0.52
In
0.48
P第一上限制层的厚度为0.1
‑
0.3μm，掺杂浓度为3E17
‑
1.5E18个原子/cm3；
⑩
.腐蚀终止层为P型Ga1‑
x7
In
x7
P腐蚀终止层，P型Ga1‑
x7
In
x7
P腐蚀终止层的厚度为10
‑
30nm，掺杂浓度为5E17
‑
2E18个原子/cm3，0.4≤x7≤0.6；.第二上限制层为P型Al
0.52
In
0.48
P第二上限制层，P型Al
0.52
In
0.48
P第二上限制层的厚度为0.5
‑
1.2μm，掺杂浓度为5E17
‑
1.5E18个原子/cm3；.带隙过渡层为Ga
0.5
In
0.5
P带隙过渡层，Ga
0.5
In
0.5
P带隙过渡层的厚度为0.01
‑
0.05μm，掺杂浓度为1E18
‑
3E18个原子/cm3；.帽层为GaAs帽层，GaAs帽层的厚度为0.1
‑
0.5μm，掺杂浓度为4E19
‑
1E20个原子/cm3。5.根据权利要求1所述的优化电子阻挡层的小功率AlGaInP红光半导体激光器，其特征在于，包括下列条件之一或多种：
①
.缓冲层为GaAs缓冲层，GaAs缓冲层的掺杂浓度为4E18个原子/cm3，厚度为0.2μm；
②
.下过渡层为Ga
0.5
In
0.5
P下过渡层，Ga
0.5
In
0.5
P下过渡层的掺杂浓度为2E18个原子/cm3，厚度为0.12μm；
③
.下限制层为n型Al
0.52
In
0.48
P下限制层，n型Al
0.52
In
0.48
P下限制层的厚度为1.05μm，掺杂浓度为1E18个原子/cm3；
④
.下波导层为(Al1‑
x1
Ga
x1
)
y1
In1‑
y1
P下波导层，Al1‑
x1
Ga
x1
)
y1
In1‑
y1
P下波导层的厚度为0.05nm，非故意掺杂，x1＝0.4，y2＝0.5；
⑤
.第一量子阱为Ga1‑
x2
In
x2
P第一量子阱，Ga1‑
x2
In
x2
P第一量子阱的厚度为5nm，非故意掺杂，x2＝0.4；
⑥
.垒层为(Al1‑
x3
Ga
x3
)
y2
In1‑
y2
P垒层，(Al1‑
x3
Ga
x3
)
y2
In1‑
y2
P垒层的厚度为7nm，非故意掺杂，x3＝0.5，y2＝0.42；
⑦
.第二量子阱为Ga1‑
x4
In
x4
P第二量子阱，Ga1‑
x4
In
x4
P第二量子阱的厚度为5nm，非故意掺杂，x4＝0.4；
⑧
.上波导层为(Al1‑
x5
Ga
x5
)
y3
In1‑
y3
P上波导层，(Al1‑
x5
Ga
x5
)
y3
In1‑
y3
P上波导层的厚度为0.05μm，远离量子阱的1/2厚度掺杂浓度为4E17个原子/cm3，x5＝0.4，y3＝0.5；
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘飞，于军，朱振，邓桃，
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：