CN104795729A - 应变平衡有源区梯度势阱层半导体激光器结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体光电子学技术领域，具体公开了一种应变平衡有源区梯度势阱层半导体激光器结构，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。本发明是在改善多量子阱层的势垒层和势阱层材料突变异质界面质量、降低晶格常数应变失配率过大，减少量子阱有源区总的累积应变失配率，避免量子阱异质界面发生晶格弛豫现象，从而对降低激光器的阈值电流、增大输出功率，提高光电转换效率以及延长寿命可靠性等进行改进，得到的新型结构材料体系的半导体激光器。

Description

应变平衡有源区梯度势阱层半导体激光器结构

技术领域

本发明涉及半导体光电子学技术领域，特别涉及一种半导体激光器，具体是一种应变平衡有源区梯度势阱层半导体激光器结构。

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InGaAs/AlGaAs为量子阱、InGaAs/GaAs传统量子阱以及新型的InGaAs/GaAsP有源区激光器结构。在大电流高功率的工作条件下，产生大量的热能使有源区中Al元素氧化、腔面光学损伤阈值低等，InGaAs/GaAs传统量子阱材料会产生载流子泄漏，工作阈值电流高，光电转换效率低等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。InGaAs/GaAsP有源区激光器是一种新型的大功率半导体激光器材料，能有效的解决有源区Al氧化、载流子泄漏等缺点。但是这种新型的半导体量子阱材料的缺点：1. 材料生长晶格匹配问题，如何实现高质量应变补偿量子阱材料共格生长；2. 在高In组分下，生长势阱层量子阱材料之后，In易发生偏析，导致异质界面差，如何实现生长高质量的适用于激光器领域的光滑的突变异质界面。

为了解决有源区应变补偿量子阱高质量的异质界面的制备，在普通的应变补偿量子阱的基础上，提出生长完高In组分势阱层到势垒层中间插入超薄的低In组分InGaAs层和超薄的GaAs层，从而解决了失配率过大，导致生长表面粗糙度大，In偏析等问题。

随着技术的发展，目前为了获得稳定的高功率输出，提高腔面光学灾变阈值电流低，提高斜率效率以及光电转换效率等，对半导体激光器有源区量子阱材料异质界面的生长质量要求越来越高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应变平衡有源区梯度势阱层半导体激光器结构，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：

一种应变平衡有源区梯度势阱层半导体激光器结构，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AlGaAs材料；

下限制层，设于下匹配层上，为N型AlGaAs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，包括高In组分InGaAs/低In组分InGaAs/GaAs/GaAsP势垒层，周期数为2≤N≤6；多量子阱层由下而上包括：第一GaAsP势垒层，第一晶格匹配缓冲层GaAs，第一低In组分应变补偿中间层InGaAs，InGaAs势阱层，第二低In组分应变补偿中间层InGaAs，第二晶格匹配缓冲层GaAs和第二GaAsP势垒层；

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AlGaAs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。

进一步的，衬底高温清洗温度为700℃；

缓冲层的厚度为150nm，掺杂元素为硅，载流子浓度为3.5E18，                                                /比为5，生长温度为550℃；

下匹配层的厚度为30nm，其中Al的组分为大于等于0.05、小于等于0.2，载流子浓度为3.0E18，/比为5，生长温度为550℃到650℃；

下限制层的厚度为1850nm，其中Al的组分大于0.45，掺杂元素为硅；载流子浓度为2.0E18；/比为50，生长温度为650℃；

下过渡层的厚度为2nm，生长温度为690℃；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；下波导层的载流子浓度为3.0E17，/比为80，生长温度为690℃；

多量子阱层采用应变补偿量子阱高In组分InGaAs/低In组分InGaAs/GaAs/GaAsP材料，这样能降低累积应变失配率，降低工作阈值电流，从而满足大电流高功率的需求；第一GaAsP势垒层的厚度为12nm-20nm，其中P组分大于0.1；第一晶格匹配缓冲层GaAs的厚度为0.56nm；第一低In组分应变补偿中间层InGaAs的厚度为0.57nm，其中组分为大于0.075小与0.15；InGaAs势阱层的厚度为6nm-10nm，其中组分大于0.15小于0.22；第二低In组分应变补偿中间层InGaAs的厚度为0.57nm，其中组分为大于0.075小于0.15；第二晶格匹配缓冲层GaAs的厚度为0.56nm；第二GaAsP势垒层厚度为12nm-20nm，其中P组分大于0.1；多量子阱层的/比为100，生长温度为690℃；这种梯度In组分渐变层能够有效的解决高In组分下的偏析现象，达到改善界面质量的目的。还可以解决在高In组分下晶格匹配，避免量子阱材料发生弛豫现象。因此，梯度超薄渐变层的插入可以提高因失配导致的位错密度的降低，从而改善量子阱的界面质量；

上波导层的厚度为250nm，其中ln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；并且选择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，工作电压低，在相同量子阱厚度的条件下可以提高出光功率；上波导层的/比为80，生长温度为690℃；

上过渡层的厚度为2nm，/比为50，生长温度为690℃；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Al的组分大于0.25，掺杂元素为碳或碳锌共掺，载流子浓度为7.0E17，/比为50，生长温度为690℃；上限制层采用导带差小的AlGaAs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；

上匹配层的厚度为30nm，其中In的组分大于等于0.45、小于等于0.6，掺杂元素为碳或碳锌共掺，载流子浓度≥2.0E19，/比为5，生长温度为690℃；

电极接触层的厚度为150nm，掺杂元素为碳或碳锌共掺，载流子浓度≥1.0E20，/比为5，生长温度为650℃。

本发明所述的应变平衡有源区梯度势阱层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。

本发明是在改善多量子阱层的势垒层和势阱层材料突变异质界面质量、降低晶格常数应变失配率过大，减少量子阱有源区总的累积应变失配率，避免量子阱异质界面发生晶格弛豫现象，从而对降低激光器的阈值电流、增大输出功率，提高光电转换效率以及延长寿命可靠性等进行改进，得到的新型结构材料体系的半导体激光器。

本发明的有益效果如下：

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）应变补偿量子阱：降低应变失配率，提高多量子阱薄膜以及界面的的晶体质量，增加电子空穴对的复合效率；

4）势阱梯度渐变层：避免高In组分下的偏析现象，降低异质结的失配率，提高量子阱界面表面的光滑度，降低能带弯曲，从而实现增加粒子反转数。

附图说明

图1位本发明应变平衡有源区梯度势阱层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-第一GaAsP势垒层、8-第一晶格匹配缓冲层GaAs、9-第一低In组分应变补偿中间层InGaAs、10- InGaAs势阱层、11-第二低In组分应变补偿中间层InGaAs、12-第二晶格匹配缓冲层GaAs、13-第二GaAsP势垒层、14-上波导层、15-上过渡层、16-上限制层、17-上匹配层、18-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，一种应变平衡有源区梯度势阱层半导体激光器结构，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AlGaAs材料；

下限制层4，设于下匹配层3上，为N型AlGaAs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，包括高In组分InGaAs/低In组分InGaAs/GaAs/GaAsP势垒层，周期数为2≤N≤6；多量子阱层由下而上包括：第一GaAsP势垒层7，第一晶格匹配缓冲层GaAs8，第一低In组分应变补偿中间层InGaAs9，InGaAs势阱层10，第二低In组分应变补偿中间层InGaAs11，第二晶格匹配缓冲层GaAs12和第二GaAsP势垒层13；

上波导层14，设于多量子阱层上，为P型InGaAsP材料；

上过渡层15，设于上波导层14上，为P型GaAs材料；

上限制层16，设于上过渡层15上，为P型AlGaAs材料；

上匹配层17，设于上限制层16上，为P型InGaP材料；

电极接触层18，设于上匹配层17上，为P型GaAs材料。

该应变平衡有源区梯度势阱层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、多量子阱层由下而上包括：第一GaAsP势垒层7，第一晶格匹配缓冲层GaAs8，第一低In组分应变补偿中间层InGaAs9，InGaAs势阱层10，第二低In组分应变补偿中间层InGaAs11，第二晶格匹配缓冲层GaAs12，第二GaAsP势垒层13、上波导层14、上过渡层15、上限制层16、上匹配层17、和电极接触层18。

具体实施时，衬底1高温清洗温度为700℃；

缓冲层2的厚度为150nm，掺杂元素为硅，载流子浓度为3.5E18，/比为5，生长温度为550℃；

下匹配层3的厚度为30nm，其中Al的组分为大于等于0.05、小于等于0.2，载流子浓度为3.0E18，/比为5，生长温度为550℃到650℃；

下限制层4的厚度为1850nm，其中Al的组分大于0.45，掺杂元素为硅；载流子浓度为2.0E18；/比为50，生长温度为650℃；

下过渡层5的厚度为2nm，生长温度为690℃；

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，载流子浓度为3.0E17；/比为80，生长温度为690℃；

多量子阱层采用应变补偿量子阱高In组分InGaAs/低In组分InGaAs/GaAs/GaAsP材料，第一GaAsP势垒层7的厚度为12nm-20nm，其中P组分大于0.1；第一晶格匹配缓冲层GaAs8的厚度为0.56nm；第一低In组分应变补偿中间层InGaAs9的厚度为0.57nm，其中组分为大于0.075小与0.15；势阱层10的厚度为6nm-10nm，其中组分大于0.15小于0.22；第二低In组分应变补偿中间层InGaAs11的厚度为0.57nm，其中组分为大于0.075小于0.15；第二晶格匹配缓冲层GaAs12的厚度为0.56nm；第二GaAsP势垒层13厚度为12nm-20nm，其中P组分大于0.1；多量子阱层的/比为100，生长温度为690℃；

上波导层14的厚度为250nm，其中ln的组分大于0小于0.45，P的组分小于等于0.1，上波导层14采用带差小的InGaAsP材料，并且选择非对称的直波导结构；上波导层14的/比为80，生长温度为690℃；

上过渡层15的厚度为2nm，/比为50，生长温度为690℃；

上限制层16的厚度为1850nm，其中Al的组分大于0.25，掺杂元素为碳或碳锌共掺，载流子浓度为7.0E17，/比为50，生长温度为690℃；

上匹配层17的厚度为30nm，其中In的组分大于等于0.45、小于等于0.6，掺杂元素为碳或碳锌共掺，载流子浓度≥2.0E19，/比为5，生长温度为690℃；

电极接触层18的厚度为150nm，掺杂元素为碳或碳锌共掺，载流子浓度≥1.0E20，/比为5，生长温度为650℃。

下、上波导层6、14采用非对称直波导结构。P-GaAs上过渡层15、P-AlGaAs上限制层16、P-GaAs上匹配层17、P+GaAs电极接触层18采用CCl4作为掺杂源或与DEZn共掺杂。在N-GaAs缓冲层2和N-AlGaAs下限制层4之间插入N-GaAs下匹配层3；在P-InGaAsP上波导层14和P-AlGaAs上限制层16之间插入P-GaAs上过渡层15；在P-AlGaAs上限制层16和 P+GaAs电极接触层18之间插入GaAs上匹配层17。

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 (2)

1.一种应变平衡有源区梯度势阱层半导体激光器结构，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AlGaAs材料；

下限制层（4），设于下匹配层（3）上，为N型AlGaAs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，包括高In组分InGaAs/低In组分InGaAs/GaAs/GaAsP势垒层，周期数为2≤N≤6；多量子阱层由下而上包括：第一GaAsP势垒层（7），第一晶格匹配缓冲层GaAs（8），第一低In组分应变补偿中间层InGaAs（9），InGaAs势阱层（10），第二低In组分应变补偿中间层InGaAs（11），第二晶格匹配缓冲层GaAs（12）和第二GaAsP势垒层（13）；

上波导层（14），设于多量子阱层上，为P型InGaAsP材料；

上过渡层（15），设于上波导层（14）上，为P型GaAs材料；

上限制层（16），设于上过渡层（15）上，为P型AlGaAs材料；

上匹配层（17），设于上限制层（16）上，为P型InGaP材料；

电极接触层（18），设于上匹配层（17）上，为P型GaAs材料。

2.根据权利要求1所述的应变平衡有源区梯度势阱层半导体激光器结构，其特征在于：

衬底（1）高温清洗温度为700℃；

缓冲层（2）的厚度为150nm，掺杂元素为硅，载流子浓度为3.5E18，                                                /比为5，生长温度为550℃；

下匹配层（3）的厚度为30nm，其中Al的组分为大于等于0.05、小于等于0.2，载流子浓度为3.0E18，/比为5，生长温度为550℃到650℃；

下限制层（4）的厚度为1850nm，其中Al的组分大于0.45，掺杂元素为硅；载流子浓度为2.0E18；/比为50，生长温度为650℃；

下过渡层（5）的厚度为2nm，生长温度为690℃；

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，载流子浓度为3.0E17；/比为80，生长温度为690℃；

多量子阱层采用应变补偿量子阱高In组分InGaAs/低In组分InGaAs/GaAs/GaAsP材料，第一GaAsP势垒层（7）的厚度为12nm-20nm，其中P组分大于0.1；第一晶格匹配缓冲层GaAs（8）的厚度为0.56nm；第一低In组分应变补偿中间层InGaAs（9）的厚度为0.57nm，其中组分为大于0.075小与0.15；势阱层（10）的厚度为6nm-10nm，其中组分大于0.15小于0.22；第二低In组分应变补偿中间层InGaAs（11）的厚度为0.57nm，其中组分为大于0.075小于0.15；第二晶格匹配缓冲层GaAs（12）的厚度为0.56nm；第二GaAsP势垒层（13）厚度为12nm-20nm，其中P组分大于0.1；多量子阱层的/比为100，生长温度为690℃；

上波导层（14）的厚度为250nm，其中ln的组分大于0小于0.45，P的组分小于等于0.1，上波导层（14）采用带差小的InGaAsP材料，并且选择非对称的直波导结构；上波导层（14）的/比为80，生长温度为690℃；

上过渡层（15）的厚度为2nm，/比为50，生长温度为690℃；

上限制层（16）的厚度为1850nm，其中Al的组分大于0.25，掺杂元素为碳或碳锌共掺，载流子浓度为7.0E17，/比为50，生长温度为690℃；

上匹配层（17）的厚度为30nm，其中In的组分大于等于0.45、小于等于0.6，掺杂元素为碳或碳锌共掺，载流子浓度≥2.0E19，/比为5，生长温度为690℃；

电极接触层（18）的厚度为150nm，掺杂元素为碳或碳锌共掺，载流子浓度≥1.0E20，/比为5，生长温度为650℃。