一种双阱窄垒的640nm半导体激光器件及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种双阱窄垒的640nm半导体激光器件及其制备方法，属于光电子技术领域。由下至上依次包括GaAs衬底、GaAs缓冲层、下限制层、下波导层一、下波导层二、量子阱一、垒层、量子阱二、上波导层一、上波导层二、上限制层、(Al

【技术实现步骤摘要】
一种双阱窄垒的640nm半导体激光器件及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种双阱窄垒的640nm半导体激光器件及其制备方法，属于光电子


技术介绍

[0002]640nm半导体激光器作为红光光源广泛应用于激光显示、激光投影等领域，带来色彩更真实、沉浸感更强的护眼感官体验，随消费者对大尺寸、多场景应用方面需求增加，激光投影进入发展关键期，在消费人群、场景应用等层面具有巨大的发展空间。
[0003]激光器输出功率越大，光视效能越高，人眼感官更加明亮。而AlGaInP体系640nm半导体激光器随着波长变短，张应变GaInP和AlGaInP限制层之间导带带隙差小，载流子溢出严重，使激光器高温工作困难，同时较低的光电转换效率，导致有源区温度升高，使器件光电性能退化，难以在高温下实现连续高功率输出。提高量子阱个数可以有效提高光限制因子，改善高温工作特性，但脉冲响应时间增加，工作特性受影响。因此，改善高温特性同时提高脉冲响应时间，有助于640nm在显示领域的进一步应用。
[0004]文献光电子激光，22(9)，2011，1326
‑
1331比较了不同条件下具有不同垒高、垒宽及阱宽的发光二极管(LED)的
‑
I V特性、光强和内量子效率(IQE)的变化，指出当势垒宽度足够小时，缩短了载流子穿透量子阱结构的距离，将会发生共振隧穿效应，随着透射系数的增加，载流子复合的几率也在增加。但LED面发射结构与边发射半导体激光器(LD)结构设计及工作特性不同，并没有该方向的应用。<br/>[0005]文献激光与光电子学进展，56(18)，2019，180001:1
‑
12总结了目前国内外用于激光显示的红光半导体激光器的研究现状与进展，但量子阱采用张应变GaInP，导带带隙差小，载流子抑制能力差，宽阱结构可以提高高温工作特性，但难以采用双阱结构。

技术实现思路

[0006]针对上述问题，本专利技术提供了一种双阱窄垒的640nm半导体激光器件及其制备方法。
[0007](1)采用双阱结构，提高光限制因子，改善高温工作特性；
[0008](2)降低垒层厚度，提高透射系数，增加载流子复合几率，缩小脉冲响应时间；
[0009](3)采用压应变GaInP，降低量子阱厚度，实现640nm激射波长，压应变结构有助于提高导带带隙差，抑制载流子逸出，加强电子限制能力。
[0010]本专利技术的技术方案如下：
[0011]一种双阱窄垒的640nm半导体激光器件，由下至上依次包括GaAs衬底、GaAs缓冲层、Al
0.5
In
0.5
P下限制层、(Al
x1
Ga1‑
x1
)
y1
In1‑
y1
P下波导层一、(Al
x2
Ga1‑
x2
)
y2
In1‑
y2
P下波导层二、Ga1‑
x3
In
x3
P量子阱一、(Al
x4
Ga1‑
x4
)
y3
In1‑
y3
P垒层、Ga1‑
x5
In
x5
P量子阱二、(Al
x6
Ga1‑
x6
)
y4
In1‑
y4
P上波导层一、(Al
x7
Ga1‑
x7
)
y5
In1‑
y5
P上波导层二、Al
0.5
In
0.5
P上限制层、(Al
0.5
Ga
0.5
)
0.5
In
0.5
P过渡层、Ga
0.5
In
0.5
P过渡层和GaAs帽层；
[0012]其中，0.65≤x1≤0.75，0.4≤y1≤0.6；0.3≤x2≤0.6，0.4≤y2≤0.6；0.35≤x3≤0.5；0.3≤x4≤0.6，0.55≤y3≤0.65；0.35≤x5≤0.5；0.3≤x6≤0.6，0.4≤y4≤0.6；0.65≤x7≤0.75，0.4≤y5≤0.6；
[0013]其中，双GaInP量子阱，改善高温工作特性；采用压应变量子阱，提高导带带隙差，抑制载流子溢出，提高高温工作特性；采用(Al
x4
Ga1‑
x4
)
y3
In1‑
y3
P窄垒结构(厚度小于3.5nm)，增加载流子复合几率，缩小脉冲响应时间。
[0014]一种上述的双阱窄垒的640nm半导体激光器件的制备方法，包括如下步骤：
[0015]S1、将GaAs衬底放在MOCVD设备生长室内，H2环境升温到720
±
10℃烘烤，并通入AsH3，对GaAs衬底进行表面热处理；
[0016]S2、将温度缓降到680
±
10℃，降温速度不高于30℃/min，继续通入TMGa和AsH3，在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层，目的是防止缺陷从衬底蔓延进入限制层，提供新鲜的生长界面，提高材料生长质量；
[0017]S3、温度保持在680
±
10℃，在GaAs缓冲层上生长停顿，通入PH3，通过中止停断V族族源(100％AsH3)及III族源(TMGa)实现生长停顿，停断3s至30s，将反应腔室As原子耗尽，避免生成AsP复合物，影响界面晶格匹配；
[0018]S4、温度缓变至700
±
10℃，升温速度不高于60℃/min，通入TMAl、TMIn和PH3，在GaAs缓冲层上生长n型Al
0.5
In
0.5
P下限制层，限制有源区光场；
[0019]S5、温度保持在700
±
10℃，通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在Al
0.5
In
0.5
P下限制层上生长(Al
x1
Ga1‑
x1
)
y1
In1‑
y1
P下波导层一，生长高Al组分AlGaInP，提高载流子抑制能力，同时作为过渡层，减少限制层与(Al
x2
Ga1‑
x2
)
y2
In1‑
y2
P下波导层二之间带隙差，降低电压降，减小电压；
[0020]S6、温度保持在700
±
10℃，通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在(Al
x1
Ga1‑
x1
)
y1
In1‑
y1
P下波导层一上生长(Al
x2
Ga1‑
x2
)
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双阱窄垒的640nm半导体激光器件，其特征在于，由下至上依次包括GaAs衬底、GaAs缓冲层、Al
0.5
In
0.5
P下限制层、(Al
x1
Ga1‑
x1
)
y1
In1‑
y1
P下波导层一、(Al
x2
Ga1‑
x2
)
y2
In1‑
y2
P下波导层二、Ga1‑
x3
In
x3
P量子阱一、(Al
x4
Ga1‑
x4
)
y3
In1‑
y3
P垒层、Ga1‑
x5
In
x5
P量子阱二、(Al
x6
Ga1‑
x6
)
y4
In1‑
y4
P上波导层一、(Al
x7
Ga1‑
x7
)
y5
In1‑
y5
P上波导层二、Al
0.5
In
0.5
P上限制层、(Al
0.5
Ga
0.5
)
0.5
In
0.5
P过渡层、Ga
0.5
In
0.5
P过渡层和GaAs帽层；其中，0.65≤x1≤0.75，0.4≤y1≤0.6；0.3≤x2≤0.6，0.4≤y2≤0.6；0.35≤x3≤0.5；0.3≤x4≤0.6，0.55≤y3≤0.65；0.35≤x5≤0.5；0.3≤x6≤0.6，0.4≤y4≤0.6；0.65≤x7≤0.75，0.4≤y5≤0.6；(Al
x4
Ga1‑
x4
)
y3
In1‑
y3
P垒层的厚度小于3.5nm。2.一种权利要求1所述的双阱窄垒的640nm半导体激光器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、将GaAs衬底放在MOCVD设备生长室内，H2环境升温到720
±
10℃烘烤，并通入AsH3，对GaAs衬底进行表面热处理；S2、将温度缓降到680
±
10℃，降温速度不高于30℃/min，继续通入TMGa和AsH3，在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层；S3、温度保持在680
±
10℃，在GaAs缓冲层上生长停顿，通入PH3，通过中止停断V族族源及III族源实现生长停顿，停断3s至30s，将反应腔室As原子耗尽；S4、温度缓变至700
±
10℃，升温速度不高于60℃/min，通入TMAl、TMIn和PH3，在GaAs缓冲层上生长n型Al
0.5
In
0.5
P下限制层，限制有源区光场；S5、温度保持在700
±
10℃，通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在Al
0.5
In
0.5
P下限制层上生长(Al
x1
Ga1‑
x1
)
y1
In1‑
y1
P下波导层一；S6、温度保持在700
±
10℃，通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在(Al
x1
Ga1‑
x1
)
y1
In1‑
y1
P下波导层一上生长(Al
x2
Ga1‑
x2
)
y2
In1‑
y2
P下波导层二，为量子阱提供光电限制；S7、温度缓变至640
±
10℃，通入TMIn、TMGa和PH3，在(Al
x2
Ga1‑
x2
)
y2
In1‑
y2
P下波导层二上生长Ga1‑
x3
In
x3
P量子阱一；S8、温度保持在640
±
10℃，通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在Ga1‑
x3
In
x3
P量子阱一上生长(Al
x4
Ga1‑
x4
)
y3
In1‑
y3
P垒层；S9、温度保持在640
±
10℃，通入TMIn、TMGa和PH3，在(Al
x4
Ga1‑
x4
)
y3
In1‑
y3
P垒层上生长Ga1‑
x5
In
x5
P量子阱二；S10、温度缓变至700
±
10℃，通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在Ga1‑
x5
In
x5
P量子阱二上生长(Al
x6
Ga1‑
x6
)
y4
In1‑
y4
P上波导层一，为量子阱提供光电限制；S11、温度保持在700
±
10℃，通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在(Al
x6
Ga1‑
x6
)
y4
In1‑
y4
P上波导层一上生长(Al
x7
Ga1‑
x7
)
y5
In1‑
y5
P上波导层二；S12、温度保持在700
±
10℃，通入TMAl、TMIn和PH3，在(Al
x7
Ga1‑
x7
)
y5
In1‑
y5
P上波导层二上生长p型Al
0.5
In
0.5
P上限制层，限制有源区光场；S13、温度缓变至670
±
10℃，通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在Al
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘飞，李强，陈康，
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：