CN103715605A - 一种半导体激光器外延片及其制造方法 - Google Patents

一种半导体激光器外延片及其制造方法 Download PDF

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李学敏
马淑芳
田海军
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Taiyuan University of Technology
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Abstract

本发明涉及一种半导体激光器外延片及其制造方法，本发明公开了一种半导体激光器件及其制备方法。在n-GaAs衬底上由下至上外延生长n-GaAs缓冲层，n-AlxGa1-xAs渐变层，n-AlyGa1-yAs下限制层，AlzGa1-zAs下波导层，多个InGaAs量子阱层及相应的GaAsP势垒层，AlzGa1-zAs上波导层，p-AlyGa1-yAs上限制层，p-AlxGa1-xAs渐变层，p-GaAs顶层。空穴浓度的增加使得量子阱内电子与空穴的复合几率增加，器件效率得到提高。本发明提供了一种既能提高半导体激光器效率又能降低外延片制作成本的较为简单实用的方法。

Description

一种半导体激光器外延片及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器外延片及其制造方法，属于半导体激光技术领域，特别涉及半导体激光器外延片的效率提高和制备方法。
背景技术
半导体激光器是一种新型高效的小型光源，具有体积小、电光转换效率高等优点，在材料处理、医疗仪器、航天及军事等领域获得了广泛的应用。
提高激光器的效率可从多方面考虑：1)减小非辐射复合造成的损耗；2)减小由于异质结材料界面能带不对准引起的内建电场损耗；3)减小波导散射、自由载流子吸收等因素产生的光吸收和散射损耗。可以通过对器件的结构进行设计、工艺改进等措施来解决上述问题。另外，减小载流子溢出损耗，增加量子阱里两种载流子的复合机率，减小来源于二极管的欧姆接触电阻、半导体体电阻等焦耳热损耗，也可提高激光器效率。在p-GaAs顶层进行C和Zn的高掺杂，增加空穴浓度，可增加量子阱内两种载流子的复合机率，减小器件体电阻；高掺杂使GaAs表面得到改善，制作电极时易形成欧姆接触，减小器件电阻；同时在n-GaAs缓冲层和n-AlyGa1-yAs下限制层之间插入n-AlxGa1-xAs渐变层，在p-AlyGa1-yAs上限制层和p-GaAs顶层之间插入p-AlxGa1-xAs渐变层，亦可以减小器件的电阻，进而提高器件的效率。
发明内容
本发明公开了一种半导体激光器外延片及其制造方法。在n-GaAs衬底上由下至上外延生长n-GaAs缓冲层，n-AlxGa1-xAs渐变层，n-AlyGa1-yAs下限制层，AlzGa1-zAs下波导层，多个lnGaAs量子阱层及相应的GaAsP势垒层，AlzGa1-zAs上波导层，p-AlyGa1-yAs上限制层，p-AlxGa1-xAs渐变层,p-GaAs顶层。其制备方法是：采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)的方法在n-GaAs衬底上至下而上依次外延生长各层。本发明的优点是：p-AlyGa1-yAs上限制层，p-AlxGa1-xAs渐变层采用CBr4作为掺杂源，在p-GaAs顶层首先采用CBr4作为掺杂源，后采用DMZn作为掺杂源。由于Zn原子的大的扩散系数，使的p-GaAs顶层表面有大的掺杂浓度，减少了p-GaAs顶层表面的弗伦克尔缺陷，使的外延片表面得到改善，在制作电极时，可与电极材料形成良好的欧姆接触，器件电压降低；同时Zn原子可扩散到p-AlxGa1-xAs渐变层，进而使p-GaAs顶层和p-AlxGa1-xAs渐变层的空穴载流子的浓度增加，电阻降低，器件的工作电压降低。空穴浓度的增加使得量子阱内电子与空穴的复合几率增加，器件效率得到提高。n-Al xGa1-xAs渐变层的带隙能量处于n-GaAs缓冲层和n-AlyGa1-yAs下限制层两者的带隙能量之间，可以防止n-GaAs缓冲层和n-AlyGa1-yAs下限制层之间的异质界面上形成高势垒；同样，p-AlxGa1-xAs渐变层的带隙能量处于p-GaAs顶层和p-AlyGa1-yAs上限制层两者的带隙能量之间，可以防止p-GaAs顶层和p-AlyGa1-yAs上限制层之间异质界面上形成高势垒，进而降低器件电压。本发明提供了一种既能提高半导体激光器效率又能降低外延片制作成本的较为简单实用的方法。
附图说明
通过参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例，本发明的以上和其它方面及优点将变得更加易于清楚，在附图中：
图1为本发明的一种半导体激光器外延片的纵剖面结构示意图。
具体实施方式
在下文中，现在将参照附图更充分地描述本发明，在附图中示出了各种实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，且不应该解释为局限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完全的，并将本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。
在下文中，将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。
参考附图1，本发明公开了一种半导体激光器件及其制备方法。在n-GaAs衬底上由下至上外延生长n-GaAs缓冲层，n-AlxGa1-xAs渐变层，n-AlyGa1-yAs下限制层，AlzGa1-zAs下波导层，多个lnGaAs量子阱层及相应的GaAsP势垒层，AlzGa1-zAs上波导层，p-AlyGa1-yAs上限制层，p-AlxGa1-xAs渐变层，p-GaAs顶层。其制备方法是：采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)的方法在n-GaAs衬底上至下而上依次外延生长各层。本发明的优点是：p-AlyGa1-yAs上限制层，p-AlxGa1-xAs渐变层采用CBr4作为掺杂源，在p-GaAs顶层首先采用CBr4作为掺杂源，后采用DMZn作为掺杂源。由于Zn原子的大的扩散系数，使的p-GaAs顶层表面有大的掺杂浓度，减少了p-GaAs顶层表面的弗伦克尔缺陷，使的外延片表面得到改善，在制作电极时，可与电极材料形成良好的欧姆接触，器件电压降低；同时Zn原子可扩散到p-AlxGa1-xAs渐变层，进而使p-GaAs顶层和p-AlxGa1-xAs渐变层的空穴载流子的浓度增加，电阻降低，器件的工作电压降低。空穴浓度的增加使得量子阱内电子与空穴的复合几率增加，器件效率得到提高。n-AlxGa1-xAs渐变层的带隙能量处于n-GaAs缓冲层和n-AlyGa1-yAs下限制层两者的带隙能量之间，可以防止n-GaAs缓冲层和n-AlyGa1-yAs下限制层之间的异质界面上形成高势垒；同样，p-AlxGa1-xAs渐变层的带隙能量处于p-GaAs顶层和p-AlyGa1-yAs上限制层两者的带隙能量之间，可以防止p-GaAs顶层和p-AlyGa1-yAs上限制层之间异质界面上形成高势垒，进而降低器件电压。本发明提供了一种既能提高半导体激光器效率又能降低外延片制作成本的较为简单实用的方法。
本发明提供一种半导体激光器外延片，所述外延片的结构：在n-GaAs衬底上由下至上外延生长n-GaAs缓冲层，n-AlxGa1-xAs渐变层，n-AlyGa1-yAs下限制层，AlzGa1-zAs下波导层，多个InGaAs量子阱层及相应的GaAsP势垒层，AlzGa1-zAs上波导层，p-AlyGa1-yAs上限制层，p-AlxGa1-xAs渐变层，p-GaAs顶层；其中，p-GaAs顶层首先采用CBr4作为掺杂源，后使用DMZn作为掺杂源。p-GaAs顶层首先采用CBra作为掺杂源，在p-GaAs顶层的表层使用DMZn作为掺杂源。在n-GaAs缓冲层和n-AlyGa1-yAs下限制层之间插入n-AlxGa1-xAs渐变层，其Al组分采用渐变方式且x范围：0<x≤y；在p-AlyGa1-yAs上限制层和p-GaAs顶层之间插入p-AlxGa1-xAs渐变层，其Al组分采用渐变方式且x范围：0≤x<y。
所述半导体激光器外延片的制造方法，所述方法包括以下步骤：
1)以n-GaAs衬底作为基板；
2)在上述基板上采用金属有机化学气相沉积的方法(MOCVD)一次性沉积n-GaAs缓冲层，n-AlxGa1-xAs渐变层，n-AlyGa1-yAs下限制层，AlzGa1-zAs下波导层，多个InGaAs量子阱层及相应的GaAsP势垒层，AlzGa1-zAs上波导层，p-AlyGa1-yAs上限制层，p-AlxGa1-xAs渐变层；
3)在p-AlxGa1-xAs渐变层生长完毕后，接着生长p-GaAs顶层，分为两个部分，前50nm采用CBr4作为掺杂源，后100nm表层使用DMZn作为掺杂源。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。本发明可以有各种合适的更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种半导体激光器外延片，其特征在于：所述外延片的结构：在n-GaAs衬底上由下至上外延生长n-GaAs缓冲层，n-AlxGa1-xAs渐变层，n-AlyGa1-yAs下限制层，AlzGa1-zAs下波导层，多个InGaAs量子阱层及相应的GaAsP势垒层，AlzGa1-zAs上波导层，p-AlyGa1-yAs上限制层，p-AlxGa1-xAs渐变层，p-GaAs顶层；其中，p-GaAs顶层首先采用CBr4作为掺杂源，后使用DMZn作为掺杂源。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器外延片，其特征在于：p-GaAs顶层首先采用CBr4作为掺杂源，在p-GaAs顶层的表层使用DMZn作为掺杂源。
3.根据权利要求1所述的半导体激光器外延片，其特征在于：在n-GaAs缓冲层和n-AlyGa1-yAs下限制层之间插入n-AlxGa1-xAs渐变层，其Al组分采用渐变方式且x范围：0<x≤y；在p-AlyGa1-yAs上限制层和p-GaAs顶层之间插入p-AlxGa1-xAs渐变层，其Al组分采用渐变方式且x范围：0≤x<y。
4.一种如权利要求1、2或3所述半导体激光器外延片的制造方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
1)以n-GaAs衬底作为基板；
2)在上述基板上采用金属有机化学气相沉积的方法(MOCVD)一次性沉积n-GaAs缓冲层，n-AlxGa1-xAs渐变层，n-AlyGa1-yAs下限制层，AlzGa1-zAs下波导层，多个InGaAs量子阱层及相应的GaAsP势垒层，AlzGa1-zAs上波导层，p-AlyGa1-yAs上限制层，p-AlxGa1-xAs渐变层；
3)在p-AlxGa1-xAs渐变层生长完毕后，接着生长p-GaAs顶层，分为两个部分，前50nm采用CBr4作为掺杂源，后100nm表层使用DMZn作为掺杂源。
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