CN101572387A - 采用(In)GaAs/GaAs应变隔离层的808nm激光器材料的设计和外延方法 - Google Patents
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Abstract
大功率808nm半导体激光器被广泛应用于抽运Nd:YAG固体激光器、激光加工和激光医疗等领域。这是因为半导体激光器具有高效、结构紧凑、调制方便等优点。但是同时，人们一直关注半导体激光器的效率和温度特性等问题。本发明是关于一种采用(In)GaAs/GaAs应变隔离层的808nm激光器材料的设计和外延生长。采用波导层与有源层中插入应变量子势垒作为增大量子阱和起始垒层生长界面的物理距离和电子反射层，并且降低有源区与波导区异质结界面氧的积累的方法，在外延生长中利用多种有效方法和特殊的波导结构设计，提高导带边势能，增强防载流子泄露的能力，限制阈值电流密度，改善温度特性和激光器的量子效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器材料技术领域，属于半导体激光器结构设计和材料外延生长技术领域。
背景技术
大功率808nm半导体激光器被广泛应用于抽运Nd:YAG固体激光器、激光加工和激光医疗等领域。这是因为半导体激光器具有高效、结构紧凑、调制方便等优点。但是同时，人们一直关注半导体激光器的效率和温度特性等问题。
由于半导体激光器能带结构的特殊性，带间跃迁型(双极型)半导体激光器的发射波长是体材料的禁带宽度、量子阱结构中的材料参数(量子尺寸、掺杂)的函数，因而激光发射波长也随器件的工作温度等因素而发生变化。例如，半导体激光器在大功率情况下，波长随温度变化的温度系数(Δλ/ΔT≈0.3nm/K)。
这限制了半导体激光器作为泵浦固体激光器和光纤激光器的应用，另外，在各种激光对抗、通信等许多应用中也对激光器发射波长温度稳定性提出要求。
半导体激光器件在温度升高时，激射阈值、输出功率、电光转换效率、光束质量、寿命等参数都要发生变化，甚至停止工作。从半导体激光器材料体系、能带设计、外延生长以及器件总体结构等方面，探索研究提高半导体激光器高温工作特性的途径，使其具有较好的温度稳定性，特别是较好的高温工作特性，以保证器件在较宽温度范围内性能参数的一致性和较高温度下保持较好的品质因数。从半导体激光器本身的内部因素出发，研究高温下激光器特性与结构、材料之间的关系，从根本上提高激光器的效率和高温性能是最根本的途径。
近年来世界各国越来越重视对高功率半导体激光器温度特性研究以及高温工作半导体激光器研制，从高温激光器机理、材料和器件结构设计与制备、产品化等方面都进行了很多研究。特别是在器件结构和材料设计出发提高器件的特征温度方面开展了大量的理论和实验研究。2000年德国的Nicolas Wiedamann等人根据热电子发射模型计算了超晶格势垒结构的电子隧穿，并设计了基于该势垒方式的激光器结构，使器件的特征温度达到300K，几乎是一般器件的两倍。另外异质结界面的晶格失配将导致严重的失配位错、界面态，对异质结界面的能带形状产生干扰，起着载流子陷阱或非辐射复合中心的作用，严重影响器件的量子效率与工作可靠性。Rajesh Kumar等人在量子阱激光器结构的基础上，研究了对量子垒在抑制电子泄露到有源区之外的概率，详细研究了室温和高温情况下的材料发光特性，得到器件在20-100℃范围内，微分量子效率变化量仅仅为5％。J.Rennie报道了可见光波段(646nm)InGaAlP激光器的高温研究结果，在激光器结构的Cladding中引入量子势垒，器件可以在90℃连续工作。法国、德国、美国的多家公司的激光器件产品在高温工作方面具有较好的特性。
国内研究状况：朱东海等报道了分子束外延方法生长制作的量子阱激光器的高温特性。器件在室温下连续输出功率为2W，在95℃时，连续工作状态下输出功率可达500mW，输出功率斜效率下降23％。
发明内容
本发明是一种采用(In)GaAs/GaAs应变隔离层实现高效率、高温工作的808nm半导体激光器材料的设计和外延生长。采用波导层与有源层中插入应变量子势垒作为增大量子阱和起始垒层生长界面的物理距离和电子反射层，并且降低有源区与波导区异质结界面氧的积累的方法，在外延生长中利用多种有效方法和特殊的波导结构设计，提高导带边势能，增强防载流子泄露的能力，限制阈值电流密度，改善温度特性和激光器的量子效率。
本发明是这样实现的，见图1所示，一种采用应变(In)GaAs/GaAs应变隔离层高效实现高效率、高温工作的808nm半导体激光器材料的结构包括：衬底(1)为(100)取向、Si掺杂浓度1～2×1018cm-3的GaAs晶体材料，EPD≤100-2；GaAs缓冲层(2)；Al0.55Ga0.45As下包层(3)，Al0.4Ga0.6As下波导层(4)；1～2个周期的(In)GaAs/GaAs应变下隔离层(5)、上隔离层(7)，2个周期的8nm厚的In0.1Ga0.75Al0.15As/10nm厚的Al0.4Ga0.6As有源层(6)；Al0.45Ga0.55As上波导层(8)；Al0.55Ga0.45As上包层(9)；GaAs欧姆接触层(10)。所采用的设备为分子束外延设备(MBE)。
本发明的技术效果在于量子隔离插入层和波导结构的设计，可有效提高半导体激光器的性能。
本发明可以使半导体激光器的量子效率和高温特性得到有效改善，从而提高激光器的整体性能。
具体实施方式
如图1所示，一种采用(In)GaAs/GaAs应变隔离层高效实现高效率、高温工作的808nm半导体激光器材料的结构包括：
衬底(1)为(100)取向、Si掺杂浓度1～2×1018cm-3的GaAs晶体材料，EPD≤100-2；GaAs缓冲层(2)，生长温度580℃，n(Si)掺杂2×1018cm-3，厚度1μm厚；
Al0.55Ga0.45As下包层(3)，n(Si)掺杂3.0×1017cm-3，1.2μm厚；
Al0.4Ga0.6As下波导层(4)，0.35μm厚；
引入一层1～2个周期的(In)GaAs/GaAs应变隔离层(5)，以增大量子阱和起始垒层生长界面的物理距离和加强对电子的反射作用，并且降低有源区与波导区异质结界面氧的积累，从而提高器件工作寿命和可靠性，非掺杂，20nm厚；
对应得引入一层1～2个周期的应变(In)GaAs/GaAs上隔离层(7)，非掺杂，20nm厚；
半导体激光器在高温工作时，包层与波导层的势垒差降低，导致效率下降，采用具有高势垒差的2个周期的8nm厚的In0.1Ga0.75Al0.15As/10nm厚的Al0.4Ga0.6As作为有源区(6)，使注入电子更好的被限制，即使在高温下，电子也会被束缚在电子阱中参加辐射复合；
Al0.45Ga0.55As上波导层(8)，0.4μm厚；
Al0.55Ga0.45As上包层(9)，p(Be)掺杂5×1017cm-3，1.35μm厚；
GaAs欧姆接触层(10)，p(Be)重掺杂2×1019cm-3，200nm厚。
下面结合实例说明本发明，采用的设备为分子束外延设备(MBE)。
衬底(1)为(100)取向、Si掺杂浓度1～2×1018cm-3的GaAs晶体材料，EPD≤100-2；
GaAs缓冲层(2)，生长温度580℃，n(Si)掺杂2×1018cm-3，厚度1μm；
Al0.55Ga0.45As下包层(3)，n(Si)：3.0×1017cm-3，1.2μm厚；
Al0.4Ga0.6As下波导层(4)，非掺，0.35μm厚；
引入一层1～2个周期的应变(In)GaAs/GaAs下隔离层(5)，以增大量子阱和起始垒层生长界面的物理距离和加强对电子的反射作用，并降低有源区与波导区异质结界面氧的积累，从而提高器件工作寿命和可靠性，非掺杂，20nm厚；对应得引入一层1～2个周期的应变(In)GaAs/GaAs上隔离层(7)，非掺杂，20nm厚；
半导体激光器在高温工作时，包层与波导层的势垒差降低，导致效率下降！采用具有高势垒差的2个周期的8nm厚的In0.1Ga0.75Al0.15As/10nm厚的Al0.4Ga0.6As作为有源层(6)，使注入电子更好的被限制，即在高温下，电子被束缚在电子阱中参加辐射复合；
Al0.45Ga0.55As上波导层(8)，非掺，0.4μm厚；
Al0.55Ga0.45As上包层(9)，p(Be)掺杂，5×1017cm-3，1.35μm厚；
GaAs欧姆接触层(10)，p(Be)重掺杂2×1019cm-3，200nm厚。
将外延片p面沉积一层Al2O3，光刻制作成100μm×1200μm的条形接触；通过磁控溅射(美国Denton)方法制作p面Ti-Pt-Au电极；减薄抛光至100μm，真空蒸镀n面Au-Ge-Ni，解理成bar条，用激光器综合测试仪在脉冲条件下进行特性测试。
附图说明：
图1为采用(In)GaAs/GaAs应变隔离层的808nm激光器材料的设计和外延方法的结构示意图。
Claims (6)
1.一种采用(In)GaAs/GaAs应变隔离层高效实现高效率、高温工作的808nm半导体激光器材料的结构包括：
衬底(1)为(100)取向、Si掺杂浓度1～2×1018cm-3的GaAs晶体材料，EPD≤100-2；
GaAs缓冲层(2)，生长温度580℃，n(Si)掺杂2×1018cm-3，厚度1μm；
Al0.55Ga0.45As下包层(3)，n(Si)掺杂3.0×1017cm-3，1.2μm厚；
Al0.4Ga0.6As下波导层(4)，0.35μm厚；
一层1～2个周期的(In)GaAs/GaAs应变下隔离层(5)，非掺杂，20nm厚；
一层1～2个周期的(In)GaAs/GaAs应变上隔离层(7)，非掺杂，20nm厚；
2个周期的8nm厚的In0.1Ga0.75Al0.15As/10nm Al0.4Ga0.6As作为有源区(6)；
Al0.45Ga0.55As上波导层(8)，0.4μm厚；
Al0.55Ga0.45As上包层(9)，p(Be)掺杂5×1017cm-3，1.35μm厚；
GaAs欧姆接触层(10)，p(Be)重掺杂2×1019cm-3，200nm厚。
2.根据权利要求1所述的一种采用(In)GaAs/GaAs应变隔离层高效实现高效率、高温工作的808nm半导体激光器材料的结构，其特征在于，缓冲层(1)生长温度580℃，n(Si)掺杂2×1018cm-3，厚度1μm。
3.根据权利要求1所述的一种采用(In)GaAs/GaAs应变隔离层高效实现高效率、高温工作的808nm半导体激光器材料的结构，其特征在于，Al0.55Ga0.45As下包层(3)，n(Si)掺杂3.0×1017cm-3，1.2μm厚；Al0.4Ga0.6As下波导层(4)，0.35μm厚；Al0.45Ga0.55As上波导层(8)，0.4μm厚；Al0.55Ga0.45As上包层(9)，p(Be)掺杂5×1017cm-3，1.35μm厚。
4.根据权利要求1所述的一种采用(In)GaAs/GaAs应变隔离层高效实现高效率、高温工作的808nm半导体激光器材料的结构，其特征在于，一层1～2个周期的(In)GaAs/GaAs应变下隔离层(5)、上隔离层(7)，非掺杂，20nm厚；其作用和设计思想描述为：增大量子阱和起始垒层生长界面的物理距离和加强对电子的反射作用，并且降低有源区与波导区异质结界面氧的积累，从而提高器件工作寿命和可靠性。
5.根据权利要求1所述的一种采用(In)GaAs/GaAs应变隔离层高效实现高效率、高温工作的808nm半导体激光器材料的结构，其特征在于，2个周期的8nm厚的In0.1Ga0.75Al0.15As/10nm厚的Al0.4Ga0.6As作为有源区(6)；其作用和设计思想描述为：半导体激光器在高温工作时，包层与波导层的势垒差降低，导致效率下降，采用这种具有高势垒差的有源区，使注入电子更好的被限制，即使在高温下，电子也会被束缚在电子阱中参加辐射复合。
6.根据权利要求1所述的一种采用(In)GaAs/GaAs应变隔离层高效实现高效率、高温工作的808nm半导体激光器材料的结构，其特征在于，GaAs欧姆接触层(10)，p(Be)重掺杂2×1019cm-3，200nm厚。
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