CN104242058A

CN104242058A - 无铝半导体激光器结构

Info

Publication number: CN104242058A
Application number: CN201410526595.4A
Authority: CN
Inventors: 许并社; 董海亮; 梁建; 马淑芳; 余春艳
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2014-10-09
Filing date: 2014-10-09
Publication date: 2014-12-24

Abstract

本发明属于半导体光电子学技术领域，具体公开了一种无铝半导体激光器结构，该结构包括采用金属有机化学气相沉积方法在衬底上至下而上依次外延生长的缓冲层、下匹配层、下限制层、下过渡层、下波导层、多量子阱层、上波导层、上过渡层、上限制层、上匹配层和电极接触层。本发明是在非对称波导层的基础上对器件的波导层材料和限制层材料如何影响模式限制因子、吸收损耗、阈值电流、输出功率以及长寿命可靠性等进行改进，得到的新结构材料体系的半导体激光器，其中，下、上限制层采用导带差小的InGaP材料，下、上波导层采用导带差小的InGaAsP材料并且选择无铝的非对称的直波导结构。

Description

无铝半导体激光器结构

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，具体是一种无铝半导体激光器结构。

背景技术

大功率半导体激光器在泵浦固体激光器和光钎激光器领域、医疗领域和通讯信息领域有着非常广泛的应用和市场需求。随着对激光器功率的要求越来越高，器件可靠性的问题越来越突出。对大功率半导体激光器而言，由于高输出光功率密度引起的腔面光学灾变损伤和各种载流子复合热效应引起有源区和腔面的温度的升高成为限制最大输出光功率密度，影响其可靠性和寿命的主要因素。

随着激光器技术和半导体薄膜生长技术的发展，以低铝组分的AlGaAs为量子阱、不同铝组分分别为波导层和限制层的激光器结构。在大电流高功率的工作条件下，产生大量的热能使Al元素易氧化、腔面光学损伤阈值低等，这种材料的缺点逐渐将会被新的材料所代替以适应市场对大功率激光器的需求。

为解决上述问题，专利CN103457158A提出了在无铝量子阱材料，专利CN1866653A 提出了无铝波导层，专利CN102780159A提出了无铝限制层材料，但是这些方法都没有摆脱高Al组分结构的范畴，仍然受到如前文所述的不利因素的影响。随着技术的发展，目前为了获得稳定的高功率输出，降低光功率密度的大光腔宽波导结构成为大功率激光器的常用结构。但是铝组分材料却限制了该结构的最大输出功率水平。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高功率无铝半导体激光器结构，在非对称波导层的基础上对器件的波导层材料和限制层材料如何影响模式限制因子、吸收损耗、阈值电流、输出功率以及长寿命可靠性等进行研究，以期得到最优化的新结构材料体系的半导体激光器。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种无铝半导体激光器结构，包括：

衬底，为（100）面的N型GaAs材料；

缓冲层，设于衬底上，为N型GaAs材料；

下匹配层，设于缓冲层上，为N型InGaP材料；

下限制层，设于下匹配层上，为N型InGaP材料；

下过渡层，设于下限制层上，为N型GaAs材料；

下波导层，设于下过渡层上，为N型InGaAsP材料；

多量子阱层，设于下波导层上，包括InGaAs势阱层及相应的GaAsP势垒层，周期数为2≤N≤6；

上波导层，设于多量子阱层上，为P型InGaAsP材料；

上过渡层，设于上波导层上，为P型GaAs材料；

上限制层，设于上过渡层上，为P型InGaP材料；

上匹配层，设于上限制层上，为P型InGaP材料；

电极接触层，设于上匹配层上，为P型GaAs材料。

本发明所述的无铝半导体激光器结构的制备方法是：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。

进一步地，缓冲层的厚度为150nm，掺杂元素为硅。

下匹配层的厚度为30nm，其中In的组分为大于等于0.45、小于等于0.6。

下限制层的厚度为1850nm，其中In的组分大于0.45，下限制采用导带差小的InGaP材料，这种材料体系能够提供较小的导带差和较大的价带差，有利于导带电子形成良好的限制，同时降低价带空穴注入有源区的阻碍，下限制层掺杂元素为硅。

下过渡层的厚度为2nm，下过渡层采用GaAs材料，使得下限制层和下波导层的界面容易得到高质量的外延材料，减少界面态数目，降低载流子复合热效应导致的温升，提高激光器的可靠性。

下波导层的厚度为400nm，其中In的组分大于0小于0.45，P的组分小于等于0.1，下波导层采用导带差小的InGaAsP材料，这种材料体系能够提供较小的导带差和较大的价带差，有利于导带电子注入和价带中对空穴形成更高的势垒，提高COD值，增加器件的可靠性；并且下波导层选择无铝的非对称的直波导结构，这种波导结构的量子阱限制因子较小，在相同量子阱厚度的条件下可以提高出光功率。

多量子阱层采用应变补偿量子阱InGaAs/GaAsP材料，这样能降低应变，降低阈值电流，从而满足高功率的需求；多量子阱层包括由下而上的下势垒层、势阱层和上势垒层，其中，上、下势垒层为GaAsP材料，势阱层为InGaAs材料。

上波导层的厚度为250nm，其中In的组分大于0小于0.45，P的组分小于等于0.1，上波导层采用导带差小的InGaAsP材料，这种材料体系能够提供较小的导带差和较大的价带差，有利于导带电子注入和价带中对空穴形成更高的势垒，提高COD值，增加器件的可靠性；并且上波导层选择无铝的非对称的直波导结构，这种波导结构的量子阱限制因子较小，在相同量子阱厚度的条件下可以提高出光功率。

上过渡层的厚度为2nm，上过渡层采用GaAs材料，使得上波导层和上限制层的界面容易得到高质量的外延材料，减少界面态数目，降低载流子复合热效应导致的温升，提高激光器的可靠性。。

上限制层的厚度为1850nm，其中In的组分大于0.45，上限制层采用导带差小的InGaP材料，这种材料体系能够提供较小的导带差和较大的价带差，有利于导带电子形成良好的限制，同时降低价带空穴注入有源区的阻碍，上限制层掺杂元素为碳。

上匹配层的厚度为30nm，其中In的组分为大于等于0.45、小于等于0.6，掺杂元素为碳。

电极接触层的厚度为150nm，掺杂元素为碳。

本发明的优点为：1）非对称直波导：量子阱限制因子较小，在相同量子阱厚度的条件下，可以得到更大的光点尺寸，降低电压，提高电光转换效率，改善出光功率；2）InGaAsP四元波导层：提供较小的导带差和较大的价带差，这样易于导带电子注入和在价带中对空穴形成更高的势垒，有利用载流子的COD值明显提高，约AlGaAs波导层的2倍，器件可靠稳定性提高；3）无铝MQW应变补偿：降低应变量，提高量子阱薄膜质量，增加复合效率；4）无铝限制层：COD值提高，降低失配度。

附图说明

图1为本发明无铝半导体激光器结构的示意图。

图中：1-衬底、2-缓冲层、3-下匹配层、4-下限制层、5-下过渡层、6-下波导层、7-下势垒层、8-势阱层、9-上势垒层、10-上波导层、11-上过渡层、12-上限制层、13-上匹配层、14-电极接触层。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的描述：

如图1所示，一种无铝半导体激光器结构，包括：

衬底1，为（100）面的N型GaAs材料；

缓冲层2，设于衬底1上，为N型GaAs材料；

下匹配层3，设于缓冲层2上，为N型InGaP材料；

下限制层4，设于下匹配层3上，为N型InGaP材料；

下过渡层5，设于下限制层4上，为N型GaAs材料；

下波导层6，设于下过渡层5上，为N型InGaAsP材料；

多量子阱层，设于下波导层6上，包括InGaAs势阱层及相应的GaAsP势垒层，周期数为2≤N≤6；

上波导层10，设于多量子阱层上，为P型InGaAsP材料；

上过渡层11，设于上波导层10上，为P型GaAs材料；

上限制层12，设于上过渡层11上，为P型InGaP材料；

上匹配层13，设于上限制层12上，为P型InGaP材料；

电极接触层14，设于上匹配层13上，为P型GaAs材料。

该无铝半导体激光器结构的制备方法包括：1）以N-GaAs衬底1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一次沉积缓冲层2、下匹配层3、下限制层4、下过渡层5、下波导层6、多量子阱层、上波导层10、上过渡层11、上限制层12、上匹配层13、和电极接触层14。

进一步的，缓冲层2的厚度为150nm，掺杂元素为硅；

下匹配层3的厚度为30nm，其中In的组分为大于等于0.45、小于等于0.6；

下限制层4的厚度为1850nm，其中In的组分大于0.45，下限制层4采用导带差小的InGaP材料，掺杂元素为硅；

下过渡层5的厚度为2nm；

下波导层6的厚度为400nm，其中In的组分大于0小于0.45

P的组分小于等于0.1，下波导6层采用带差小的InGaAsP材料，并且选择无铝的非对称的直波导结构；

多量子阱层采用应变补偿量子阱InGaAs/GaAsP材料，多量子阱层包括由下而上的下势垒层7、势阱层8和上势垒层9，其中，上、下势垒层9、7为GaAsP材料，势阱层8为InGaAs材料；

上波导层10的厚度为250nm，其中In的组分大于0小于0.45，P的组分小于等于0.1，上波导层10采用带差小的InGaAsP材料，并且选择无铝的非对称的直波导结构；

上过渡层11的厚度为2nm；

上限制层12的厚度为1850nm，其中In的组分大于0.45，上限制层12采用导带差小的InGaP材料，掺杂元素为碳；

上匹配层13的厚度为30nm，其中In的组分为大于等于0.45、小于等于0.6，掺杂元素为碳；

电极接触层14的厚度为150nm，掺杂元素为碳。

具体实施时，下、上波导层6、10采用非对称直波导结构。P-GaAs上过渡层11、P-InGaP上限制层12、P-InGaP上匹配层13、P+GaAs电极接触层14采用CCl₄作为掺杂源，在电极接触层14表层采用DMZn共掺杂。在N-GaAs缓冲层2和N-InGaP下限制层4之间插入N-InGaP下匹配层3，其In组分采用渐变方式且x范围：0.45≦x≦0.6；在P-InGaAsP上波导层10和P-InGaP上限制层12之间插入P-GaAs上过渡层11；在P-InGaP上限制层12和 P+GaAs电极接触层14之间插入P-InGaP上匹配层13，其In组分渐变方式且x范围：0.45≦x≦0.6。

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

1.一种无铝半导体激光器结构，其特征在于，包括：

衬底（1），为（100）面的N型GaAs材料；

缓冲层（2），设于衬底（1）上，为N型GaAs材料；

下匹配层（3），设于缓冲层（2）上，为N型InGaP材料；

下限制层（4），设于下匹配层（3）上，为N型InGaP材料；

下过渡层（5），设于下限制层（4）上，为N型GaAs材料；

下波导层（6），设于下过渡层（5）上，为N型InGaAsP材料；

多量子阱层，设于下波导层（6）上，包括InGaAs势阱层及相应的GaAsP势垒层，周期数为2≤N≤6；

上波导层（10），设于多量子阱层上，为P型InGaAsP材料；

上过渡层（11），设于上波导层（10）上，为P型GaAs材料；

上限制层（12），设于上过渡层（11）上，为P型InGaP材料；

上匹配层（13），设于上限制层（12）上，为P型InGaP材料；

电极接触层（14），设于上匹配层（13）上，为P型GaAs材料。

2.根据权利要求1所述的无铝半导体激光器结构，其特征在于：

缓冲层（2）的厚度为150nm，掺杂元素为硅；

下匹配层（3）的厚度为30nm，其中In的组分为大于等于0.45、小于等于0.6；

下限制层（4）的厚度为1850nm，其中In的组分大于0.45，下限制层（4）采用导带差小的InGaP材料，掺杂元素为硅；

下过渡层（5）的厚度为2nm；

下波导层（6）的厚度为400nm，其中In的组分大于0小于0.45，P的组分小于等于0.1，下波导（6）层采用带差小的InGaAsP材料，并且选择无铝的非对称的直波导结构；

多量子阱层采用应变补偿量子阱InGaAs/GaAsP材料，多量子阱层包括由下而上的下势垒层（7）、势阱层（8）和上势垒层（9），其中，上、下势垒层（9、7）为GaAsP材料，势阱层（8）为InGaAs材料；

上波导层（10）的厚度为250nm，其中In的组分大于0小于0.45，P的组分小于等于0.1，上波导层（10）采用带差小的InGaAsP材料，并且选择无铝的非对称的直波导结构；

上过渡层（11）的厚度为2nm；

上限制层（12）的厚度为1850nm，其中In的组分大于0.45，上限制层（12）采用导带差小的InGaP材料，掺杂元素为碳；

上匹配层（13）的厚度为30nm，其中In的组分为大于等于0.45、小于等于0.6，掺杂元素为碳；

电极接触层（14）的厚度为150nm，掺杂元素为碳。