CN105390937B - 一种短波长AlGaInP红光半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

一种短波长AlGaInP红光半导体激光器，其结构从下至上依次为衬底、下缓冲层、下限制层、下波导层、量子阱层、上波导层、上限制层、上缓冲层和欧姆接触层；下缓冲层为AlxIn1‑xP组分渐变层，x由0.5线性渐变至0.6；上缓冲层为AlyIn1‑yP组分渐变层，y由0.6线性渐变至0.5；下波导层及上波导层均为(AlzGa1‑z)0.6In0.4P；下限制层及上限制层均为Al0.6In0.4P。本发明通过AlInP组分渐变缓冲层，使得限制层及波导层的In组分降到0.4，限制层材料折射率减小，波导层材料带隙增加，可以更好地限制光子和载流子，同时，量子阱层在低应变条件下即可获得590‑620nm的短波长的光。

Description

一种短波长AlGaInP红光半导体激光器
技术领域
本发明涉及一种短波长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。
早期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。如果AlGaAs材料Al组分增加，更容易被氧化造成缺陷增加，影响激光器性能。而且随着Al组分增加，其能带接近间接带隙，发光效率大幅下降，所以AlGaAs材料体系的半导体激光器的最短激射波长在680nm左右。因此，带隙更大的AlGaInP材料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。
相比于808nm、980nm等长波长半导体激光器，短波长的红光半导体激光器制作难度更大。主要的难点包括两个方面：一是由于AlGaInP材料体系的限制，有源区及限制层的带隙差较小，因而对注入载流子的限制能力较差，容易产生泄露电流。这不仅会使半导体激光器的内量子效率降低，功率转换效率下降，还会导致器件的特征温度变低，输出功率对温度的敏感度变高。二是红光半导体激光器波长短，光子能量高，在高功率下工作时，对腔面的抗烧毁能力要求更高。
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：
Ith＝I0exp(T/T0)，
式中，Ith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。
文献IEEE J.Sel.Top.Quant.,2011,Vol.17,pp1723报道了一种大功率625nmAlGaInP半导体激光器。高带隙的AlInP被用作限制层来提高光限制因子，减弱漏电流。选择性Zn扩散技术被用来提高腔面的抗损伤能力。此短波长的红光半导体激光器可在25℃时获得220mW及44lm的连续输出。但是由于波长较短，器件对光子及电子的限制能力较差，625nm的半导体激光器的光通量是低于波长略长的638nm半导体激光器的，离实际应用还有一段距离。
中国专利文献CN103124046A公开了一种半导体激光器，包括衬底以及依次层叠设置于所述衬底上的缓冲层、N型下限制层、下波导层、量子阱层、上波导层、P型上限制层、过渡层以及电极接触层，所述上波导层和所述下波导层均为铝镓铟磷材料，激射波长在630-640nm，且所述上波导层的材料组分为Alx1Gay1In0.49P，所述下波导层的材料组分为Alx2Gay2In0.49P，其中x1>x2，y1<y2，x1+y1+0.49＝1，x2+y2+0.49＝1。通过优化各层组分及厚度能够减少对光的总吸收，提高半导体激光器的特性，增加半导体激光器的效率。此发明激光器使用的AlGaInP材料中In占比为0.49，晶格常数与衬底GaAs是匹配的，限制层最大带隙材料为Al0.51In0.49P，而量子阱GaInP由于具有一定厚度，其应变不能太大，即In组分不能偏离0.49太多，所以其激射波长最短在630nm附近，并且波长越短，漏电流越大，半导体激光器的效率越低。
发明内容
针对现有半导体激光器技术存在的不足，本发明提供一种短波长AlGaInP红光半导体激光器，该激光器使得量子阱层在低应变条件下即可获得短波长的光。
本发明的短波长AlGaInP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、下缓冲层、下限制层、下波导层、量子阱层、上波导层、上限制层、上缓冲层和欧姆接触层；下缓冲层为AlxIn1-xP组分渐变层，x由0.5线性渐变至0.6；上缓冲层为AlyIn1-yP组分渐变层，y由0.6线性渐变至0.5；下波导层及上波导层均为(AlzGa1-z)0.6In0.4P；下限制层及上限制层均为Al0.6In0.4P。
所述衬底为N型GaAs。
所述下缓冲层的厚度为1-2μm。
所述上缓冲层AlyIn1-yP的厚度为0.2-0.5μm。
所述下波导层及上波导层(AlzGa1-z)0.6In0.4P中z的取值为0.5-0.7。
所述下限制层及上限制层Al0.6In0.4P的厚度为2-3μm。
所述量子阱层为GauIn1-uP，u取值为0.6-0.7，厚度5-15nm，量子阱发光波长590-620nm。
所述欧姆接触层为P型GaAs。
本发明通过AlInP组分渐变缓冲层，使得限制层及波导层的In组分降到0.4。相比于现有的与GaAs晶格匹配的AlGaInP红光半导体激光器，具有以下特点：
1.限制层的折射率减小，激光器的光限制因子增加，因而增益系数变大，激光器的阈值电流密度下降。
2.波导层带隙增加，可以更有效的限制载流子的逃逸，提高电光转换效率，减少产热，增加器件可靠性。
3.量子阱层在低应变条件下即可使用高带隙材料，获得短波长的光，同时不会存在高应变量带来的缺陷，提高了材料的生长质量。
4.限制层厚度较大，使得发光区远离缓冲层的高位错区，激光器性能不会受到影响。
附图说明
图1为本发明短波长AlGaInP红光半导体激光器的结构示意图。
图中，1、衬底，2、下缓冲层，3、下限制层，4、下波导层，5、量子阱层，6、上波导层，7、上限制层，8、上缓冲层，9、欧姆接触层。
具体实施方式
如图1所示，本发明的短波长AlGaInP红光半导体激光器，其结构由下至上依次为衬底1、下缓冲层2、下限制层3、下波导层4、量子阱层5、上波导层6、上限制层7、上缓冲层8和欧姆接触层9。
衬底1为通用的N型GaAs。
下缓冲层2为1-2μm厚的AlxIn1-xP，Al组分x由0.5线性渐变至0.6，即生长的第一层晶格为与GaAs晶格匹配的Al0.5In0.5P，最后一层为Al0.6In0.4P，且最后一层晶格应变得到释放，其晶格常数同于体材料Al0.6In0.4P。
下限制层3及上限制层7均为2-3μm厚的Al0.6In0.4P。对于620nm红光波长，Al0.6In0.4P折射率约为3.05，低于Al0.5In0.5P的折射率3.15。
下波导层4及上波导层6均为高带隙的(AlzGa1-z)0.6In0.4P，z的取值为0.5-0.7。
量子阱层5为5-15nm厚的GauIn1-uP，u取值为0.6-0.7，量子阱发光波长为590-620nm。相对于两侧下波导层4及上波导层6的(AlzGa1-z)0.6In0.4P，其张应变量在0-0.7％范围内，但是激射波长可短至630nm以下。
上缓冲层8为0.2-0.5μm厚的AlyIn1-yP，Al组分由0.6线性渐变至0.5，即生长的第一层晶格与上限制层7相同，为Al0.6In0.4P，最后一层为Al0.5In0.5P，且最后一层晶格应变得到释放，其晶格常数同于GaAs。
欧姆接触层9为P型GaAs。

Claims (4)

1.一种短波长AlGaInP红光半导体激光器，其结构从下至上依次为衬底、下缓冲层、下限制层、下波导层、量子阱层、上波导层、上限制层、上缓冲层和欧姆接触层；其特征是：下缓冲层为AlxIn1-xP组分渐变层，x由0.5线性渐变至0.6；上缓冲层为AlyIn1-yP组分渐变层，y由0.6线性渐变至0.5；下波导层及上波导层均为 (AlzGa1-z)0.6In0.4P；下限制层及上限制层均为Al0.6In0.4P；
所述下波导层及上波导层(AlzGa1-z)0.6In0.4P中z的取值为0.5-0.7；
所述量子阱层为GauIn1-uP，u取值为0.6-0.7，厚度5-15nm，发光波长为590-620nm。
2.如权利要求1所述的短波长AlGaInP红光半导体激光器，其特征是：所述下缓冲层的厚度为1-2μm。
3.如权利要求1所述的短波长AlGaInP红光半导体激光器，其特征是：所述上缓冲层AlyIn1-yP的厚度为0.2-0.5μm。
4.如权利要求1所述的短波长AlGaInP红光半导体激光器，其特征是：所述下限制层及上限制层Al0.6In0.4P的厚度为2-3μm。
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