CN104269741A - 一种高可靠性的红光半导体激光器 - Google Patents

Abstract

一种高可靠性的红光半导体激光器，发射波长为630-690nm，其结构从下至上依次为衬底、下限制层、下波导层、量子阱有源区、上波导层、上限制层和欧姆接触层。在传统半导体激光器结构基础上对波导层进行掺杂，使有源区同PN结分离，PN结的强电场会吸引有源区的可移动缺陷，从而使激光器的可靠性得到改善。同时上波导层的掺杂原子可以阻止上限制层的高掺杂浓度原子向有源区的扩散，降低了激光器连续工作时的功率衰减。由于对波导层进行了掺杂，使得激光器的串联电阻减小，提高了转换效率，降低了焦耳热的产生，进一步提高了红光激光器长期工作的可靠性。

Description

一种高可靠性的红光半导体激光器

技术领域

本发明涉及一种高可靠性的红光半导体激光器，属于半导体激光器技术领域。

背景技术

红光半导体激光器具有体积小、寿命长、光电转换效率高等优点，正在逐渐取代传统的He-Ne气体激光器及红宝石固体激光器，并且广泛应用于光盘读写系统、条形码阅读器、准直标线仪、医疗保健设备等领域。另外，它还是激光电视、便携式投影仪等激光显示设备的红光光源。这些应用需要激光器保持稳定的光模式及激光功率输出，对激光器的的寿命及可靠性要求较高。

最早的红光半导体激光器使用AlGaAs材料体系，比如CD机用的780nm的AlGaAs半导体激光器。由于光盘的存储密度是同激光的波长成反比的，要增加光存储密度，必须降低半导体激光器的激射波长。另外，在红光波段，人眼的视觉灵敏度随着光线波长的变短而提高，例如人眼对635nm光线的敏感度是660nm光线的3倍。因此，用在激光显示的红光半导体激光器也是要求波长越短越好，这样才能获得高亮度的图像。由于AlGaAs材料所限，其半导体激光器的最短激射波长为680nm左右。因此，带隙更大的AlGaInP材料(发光波长570-680nm)开始应用于红光半导体激光器，并成为沿用至今的红光主流材料。

同半导体激光器的发展历程一致，AlGaInP红光激光器也经历了同质结、双异质结、量子阱有源区、应变量子阱激光器等阶段。制作方法也从早期的液相外延(LPE)技术发展变成现在广泛使用的金属有机化学气相沉积(MOCVD)及分子束外延(MBE)。半导体激光器的器件性能优化包括提高最大输出功率、继续缩短波长、提高工作温度、提升器件可靠性及寿命等，其中红光半导体激光器最为重要的是其长期工作的可靠性。现在国际上只有几家公司拥有制作高功率高可靠性AlGaInP红光半导体激光器的技术，比如日本的Mitsubishi。之所以技术水平需求较高，主要有以下几个难点：AlGaInP/GaInP异质结的导带带阶很小，最大值约270meV，小于AlGaAs材料的350meV，因此电子势垒相对较低，容易形成泄露电流，使阈值电流加大，尤其是在高温工作及短波长器件中更为明显；AlGaInP材料由于合金散射，其热阻远高于AlGaAs材料，因此工作中产热较多，提升了结温及腔面温度；AlGaInP材料载流子的有效质量及态密度高于AlGaAs材料，激射时需要更高的透明电流密度。这些原因使得AlGaInP激光器的特征温度较低，连续工作时电光转换效率变低，产生较多的热量。由于半导体材料的禁带宽度随温度升高而变小,因此腔面温度升高会导致腔面处材料带隙变小,这使得载流子向腔面扩散聚集。腔面附近的高浓度载流子以及窄带隙加重了腔面非辐射复合和自由载流子的吸收,造成腔面温度继续升高。在激光器工作过程中,腔面处的各种缺陷在持续的高温作用下会逐步向腔内部生长攀移。腔面以及腔面内部缺陷随老化时间会增加，而随着腔面缺陷的增加,腔面抗烧毁功率密度逐渐降低。因此，半导体激光器结温的升高，不仅会影响输出功率及波长，还会加剧有源区缺陷的产生和延伸，严重时会造成腔面的光学灾变损伤(COD)，使器件失效。

特征温度：半导体激光器是一个对温度很敏感的器件，其阈值电流随温度的升高而加大。在一定温度范围内，阈值电流同温度的关系表示为：

I_th＝I₀exp(T/T₀)，

式中，I_th表示结温为T时的阈值电流，I₀为常数，T₀即为半导体激光器的特征温度，表征阈值电流对工作温度的敏感程度。

对于以上问题，研究人员提出了许多解决方法。在提高特征温度方面，美国专利文献US005319660A公开了在波导层增加多量子势垒结构的方法来提高对电子的限制；非专利性文献Appl.Phys.Lett.,1995,Vol.67(9),pp1265提出增加P限制层掺杂浓度能减少电子的泄露，同时还能提高空穴的迁移率减少器件电阻。在提高COD值方面，中国专利文献CN101114757A公开了Zn扩散制作非吸收窗口的方法提高腔面的COD，CN101515703A公开了一种腔面钝化来抑制腔面劣化的方法。但是以上方法或者提高了外延层生长难度，或者增加了制作成本，且重复性不好，不适用于红光半导体激光器的商业化生产。

发明内容

针对现有红光半导体激光器存在的光吸收及结温高、特征温度和寿命低的问题，本发明提供一种能够降低红光半导体激光器的光吸收及结温，提高特征温度和寿命的高可靠性的红光半导体激光器。

本发明的高可靠性的红光半导体激光器，采用以下技术方案：

该红光半导体激光器，其结构从下至上依次为衬底、下限制层、下波导层、量子阱有源区、上波导层、上限制层和欧姆接触层，对波导层进行掺杂，使掺杂原子阻止上限制层的掺杂原子向量子阱有源区扩散，降低激光器连续工作时的功率衰减，同时PN结界面从有源区移至上波导层及上限制层界面处，PN结的强电场会吸引量子阱有源区的可移动缺陷，从而提高激光器的可靠性。

上波导层掺杂为N型，掺杂浓度为5×10¹⁶-5×10¹⁷cm^-3。

下波导层与上波导层一样，也为N型掺杂，掺杂浓度为5×10¹⁶-5×10¹⁷cm^-3。

下限制层为N型(Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5P，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3，x取值为0.7-1.0，该层厚度为1.0-1.5μm。该下限制层x的取值和厚度可以得到高的光限制及载流子限制。

量子阱有源区材料为Ga_zIn_1-zP，z取值0.4-0.6，激射波长位于630-690nm之间，量子阱宽度为5-15nm。

上限制层为厚度1.0-1.5μm的P型(Al_uGa_1-u)_0.5In_0.5P，u取值0.7-1.0，P型掺杂材料为Mg，掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3。该上限制层中较高的P型掺杂浓度可以使上限制层的导带底远离费米能级，进而提高电子的有效势垒。

欧姆接触层为厚度150-250nm的P型掺杂GaAs，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3-1×10²⁰cm^-3。

上述激光器使用高掺杂的上限制层，提高了电子的有效势垒，可以减少热电子向P型区的泄露，提高了其特征温度；同时该激光器对波导层进行掺杂，上波导层的掺杂原子可以阻止上限制层的高掺杂浓度原子向有源区的扩散，降低了激光器连续工作时的功率衰减。由于对波导层进行了掺杂，PN结界面从有源区移至上波导层及上限制层界面处，PN结的强电场会吸引有源区的可移动缺陷，从而使激光器的可靠性得到显著改善。

同时，该激光器使用宽量子阱及合适的波导层厚度，可以提高光限制因子，增加光增益；上限制层使用高掺杂浓度，增加对电子的限制作用，防止电流泄露；对波导层进行轻掺杂，使PN结移至上限制层与上波导层的界面处。

本发明高可靠性红光半导体激光器的结构具有高的光限制因子，并且对电子有很好的限制作用，可以提高器件的光电转换效率及特征温度。对波导层进行N型掺杂，使有源区同PN结区分离。具有以下特点：

1.PN结移至上限制层与上波导层的界面处。热平衡状态下，上波导层一侧留下了不可移动的带正电的离子，上限制层一侧留下了不可移动的带负电的离子，因此在界面处形成了空间电荷区。此空间电荷区厚度比较薄，电场强度较高，电场方向从上波导层指向上限制层。此处的强电场一方面会形成漂移电流，另一方面会吸引有源区的可移动缺陷，只留下不可移动的缺陷，这样就降低了有源区的总缺陷数，减弱了有源区材料对光的吸收，从而使激光器的可靠性得到显著改善。

2.上限制层使用高掺杂(Mg掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3)。在热平衡状态下，半导体激光器内部的费米能级是统一的。高掺杂的上限制层会产生大量的空穴，使得费米能级更接近上限制层的价带顶。这就整体拉高了上限制层的能级位置，使得其导带底位置高于低掺杂浓度时的能级位置。因此有源区同上限制层的导带带阶会增大，电子的有效势垒会提高，从而减少电子从有源区向上限制层泄露的几率。但是，在外延层生长及激光器工作时，如此高掺杂浓度的Mg很容易扩散进入有源区，不仅会增加内部光损耗，而且严重时会破坏量子阱。当上波导层中引入N型掺杂原子时，会改变了其费米能级位置，破坏界面处的深施主能级的电荷态。而Mg原子的扩散机制同这种深能级施主态是相关的，这就降低了界面处的Mg溶解度。因此当上波导层为N型掺杂时可以很好的阻挡Mg原子的扩散，使Mg原子聚集在上波导层与上限制层的界面处，这样不仅提高了空穴的注入效率还降低了由掺杂原子扩散引起的功率衰减。

3.由于对波导层进行了掺杂，提高了材料的电导率，使得激光器的串联电阻减小。当输出功率一定时，负载电压会降低，这样就提高了激光器的电光转换效率，降低了焦耳热的产生，进一步提高了红光激光器长期工作的可靠性。

4.生长重复性好，且不会增加工艺步骤及生产成本，适合规模化大批量生产。

附图说明

图1为本发明红光半导体激光器的结构示意图。

图2为本发明红光半导体激光器的导带结构示意图。

图3为本发明红光半导体激光器的有源区及PN结位置示意图。

图4为实施例2所述红光半导体激光器与普通红光半导体激光器的阈值电流同工作温度的关系示意图。

图5为实施例2所述红光半导体激光器与普通红光半导体激光器的输出功率同工作时间的关系示意图。

图中，1、衬底，2、下限制层，3、下波导层，4、量子阱有源区，5、上波导层，6、上限制层，7、欧姆接触层，8、PN结。

具体实施方式

如图1所示，本发明的高可靠性的红光半导体激光器，其结构从下至上依次为衬底1、下限制层2、下波导层3、量子阱有源区4、上波导层5、上限制层6和欧姆接触层7。

衬底1为偏向<111>晶向的N型GaAs(100)单晶片，偏角大小为5-15°，可以抑制AlGaInP材料的有序生长；优选的，所述N型掺杂材料为Si，掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3-5×10¹⁸cm^-3。

下限制层2为与GaAs匹配的N型(Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5P，所述N型掺杂材料为Si或Se，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3；根据本发明优选的，x取值范围为0.7-1.0，厚度1.0-1.5μm。该下限制层x的取值和厚度可以得到高的光限制及载流子限制。

下波导层3为弱N型(Al_yGa_1-y)_0.5In_0.5P，y取值范围为0.3-0.6，优选的y为0.5；根据本发明优选的，所述N型掺杂材料为Si或Se，掺杂浓度为5×10¹⁶-5×10¹⁷cm^-3；该下波导层既可以保证足够的自由电子又能避免杂质过多对光子的吸收。

量子阱有源区4材料为Ga_zIn_1-zP，z取值范围为0.4-0.6，激射波长位于630-690nm之间；优选的量子阱宽度为5-15nm。该量子阱宽度既可以保证在应变量子阱的临界厚度以内，还能提高光增益系数，增加受激辐射的光子数。

上波导层5同下波导层材料一致，为N型(Al_yGa_1-y)_0.5In_0.5P，_y取值范围为0.3-0.6，优选的y为0.5；根据本发明优选的，所述N型掺杂材料为Si或Se，掺杂浓度为5×10¹⁶-5×10¹⁷cm^-3；所述上下波导层总厚度为200-250nm，所述上、下波导层厚度可对称，可不对称。此厚度可以保证其光限制因子最大，可以降低阈值电流。

上限制层6为厚度1.0-1.5μm的P型(Al_uGa_1-u)_0.5In_0.5P，u取值范围是0.7-1.0；根据本发明优选的，所述P型掺杂材料为Mg，Mg的掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3。该上限制层中较高的P型掺杂浓度可以使上限制层的导带底远离费米能级，进而提高电子的有效势垒。

欧姆接触层7为厚度150-250nm的P型掺杂的GaAs，所述掺杂材料为Zn或C，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3-1×10²⁰cm^-3。

图2给出了本发明红光半导体激光器的导带结构。

图3给出了本发明红光半导体激光器的量子阱有源区4及PN结位置。PN结8移至上限制层6与上波导层5的界面处。热平衡状态下，上波导层5一侧留下了不可移动的带正电的离子，上限制层5一侧留下了不可移动的带负电的离子，因此在界面处形成了空间电荷区。此空间电荷区厚度比较薄，电场强度较高，电场方向从上波导层5指向上限制层6。此处的强电场一方面会形成漂移电流，另一方面会吸引有源区的可移动缺陷，只留下不可移动的缺陷，这样就降低了有源区的总缺陷数，减弱了有源区材料对光的吸收，从而使激光器的可靠性得到显著改善。

根据上述内容，以下给出两个具体结构的实施例。

实施例1

衬底1为偏向<111>晶向15°的Si掺杂GaAs(100)单晶衬底，掺杂浓度为3×10¹⁸cm^-3。

下限制层2为厚度1.3μm的Si掺杂的(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3。

下波导层3为厚度125nm的弱N型Si掺杂(Al_0.5Ga_0.5)_0.5In_0.5P，掺杂浓度为6×10¹⁶cm^-3。

量子阱有源区4为厚度15nm的Ga_0.5In_0.5P。

上波导层5为厚度125nm的弱N型Si掺杂(Al_0.5Ga_0.5)_0.5In_0.5P，掺杂浓度为6×10¹⁶cm^-3。

上限制层6为厚度1.3μm的Mg掺杂的(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P，掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3。

欧姆接触层7为厚度200nm的GaAs，Zn的掺杂浓度为3×10¹⁹cm^-3。

此实施例中限制层为(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P材料，其位于直接带隙同间接带隙的交界点处，同Ga_0.5In_0.5P有最大的导带带阶，能最大限度的减少电子的泄露。

实施例2

本实施例与实施例1所述高可靠性的红光半导体激光器的区别在于：

下限制层2为厚度1.0μm的Se掺杂的Al_0.5In_0.5P，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3。

下波导层3为厚度150nm的弱N型Se掺杂(Al_0.5Ga_0.5)_0.5In_0.5P，掺杂浓度为8×10¹⁶cm^-3。

量子阱4为厚度10nm的Ga_0.6In_0.4P。

上波导层5为厚度50nm的弱N型Se掺杂(Al_0.5Ga_0.5)_0.5In_0.5P，掺杂浓度为8×10¹⁶cm^-3。

上限制层6为厚度1.0μm的Mg掺杂的Al_0.5In_0.5P，掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3。

欧姆接触层7为厚度200nm的GaAs，C的掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3。

此实施例中，限制层使用折射率更小的Al_0.5In_0.5P材料，光限制要优于实施例1，所以厚度可以减薄至1.0μm，降低了器件的串联电阻，并且使有源区更贴近热沉，既降低了焦耳热的产生又增强了器件的散热。波导层使用非对称厚度，使得光场偏向N型区，相比实施例1有较低的光吸收。量子阱Ga组分较高，是伸张应变，为避免外延层失配，其厚度要低于实施例1，但比实施例1有更低的激射波长，同时应变量子阱的使用会改变器件的增益及偏振特性。

以上两个实施例的上限制层的Mg掺杂浓度都为2×10¹⁸cm^-3，高掺杂浓度下，上限制层的费米能级更接近价带顶，从而提高了导带底的能级位置，可以减少高温下电子的泄露，提高其特征温度。如图4所示，图中A为普通红光半导体激光器，B为实施例2所述的红光半导体激光器，A的特征温度为40K，而B的特征温度为47K。实施例1及实施例2都在波导层中进行了弱N型掺杂，使得有源区同PN结分离，PN结的强电场会吸引有源区的可移动缺陷向外移动，如图3所示。此结构的激光器在工作初期，阈值电流会降低，输出功率会增加，如图5中曲线B所示。同时，上波导层的N型掺杂原子可以阻止上限制层的高掺杂Mg原子向有源区的扩散，降低了激光器连续工作时的功率衰减。波导层进行了掺杂，使得激光器的串联电阻减小，提高了转换效率，降低了焦耳热的产生。

如图5所示，工作500小时后，激光器A的功率衰减大于30％，而激光器B的输出功率较为稳定，几乎未有衰减。因此，本发明提供的红光半导体激光器在长期工作时具有高的可靠性。

Claims (7)

1.一种高可靠性的红光半导体激光器，其结构从下至上依次为衬底、下限制层、下波导层、量子阱有源区、上波导层、上限制层和欧姆接触层，其特征是：对波导层进行掺杂，使掺杂原子阻止上限制层的掺杂原子向量子阱有源区扩散，降低激光器连续工作时的功率衰减，同时PN结界面从有源区移至上波导层及上限制层界面处，PN结的强电场会吸引量子阱有源区的可移动缺陷，从而提高激光器的可靠性。

2.如权利要求1所述的高可靠性的红光半导体激光器，其特征是：所述上波导层为N型掺杂，掺杂浓度为5×10¹⁶-5×10¹⁷ cm^-3。

3.如权利要求1所述的高可靠性的红光半导体激光器，其特征是：所述下波导层与上波导层一样，也为N型掺杂，掺杂浓度为5×10¹⁶-5×10¹⁷ cm^-3。

4.如权利要求1所述的高可靠性的红光半导体激光器，其特征是：所述下限制层为N型(Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5P，掺杂浓度为1×10¹⁸ cm^-3，x取值为0.7-1.0，该层厚度为1.0-1.5 μm。

5.如权利要求1所述的高可靠性的红光半导体激光器，其特征是：所述量子阱有源区材料为Ga_zIn_1-zP，z取值0.4-0.6，激射波长位于630-690 nm之间，量子阱宽度为5-15nm。

6.如权利要求1所述的高可靠性的红光半导体激光器，其特征是：所述上限制层为厚度1.0-1.5 μm的P型(Al_uGa_1-u)_0.5In_0.5P，u取值0.7-1.0，P型掺杂材料为Mg，Mg的掺杂浓度为2×10¹⁸ cm^-3。

7.如权利要求1所述的高可靠性的红光半导体激光器，其特征是：所述欧姆接触层为厚度150-250nm的P型掺杂GaAs，掺杂浓度为1×10¹⁹ cm^-3-1×10²⁰ cm^-3。