CN105406359B - 一种含有高选择性腐蚀阻挡层的AlGaInP半导体激光器 - Google Patents

一种含有高选择性腐蚀阻挡层的AlGaInP半导体激光器 Download PDF

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Abstract

一种含有高选择性腐蚀阻挡层的AlGaInP半导体激光器，包括从下至上依次为衬底、下包层、有源区、第一上包层、腐蚀阻挡层、第二上包层和欧姆接触层；其特征在于，所述腐蚀阻挡层为从下至上依次排列的(AlaGa1‑a)0.5In0.5P、GabIn1‑bP及(AlaGa1‑a)0.5In0.5P三层结构，每层厚度的范围5‑15nm，其中，a取值为0.1‑0.5，b取值为0.5‑0.7；所述有源区为从下至上依次排列的(AlxGa1‑x)0.5In0.5P势垒层、GayIn1‑yP量子阱及(AlxGa1‑x)0.5In0.5P势垒层，其中，x取值为0.4‑0.6，y取值为0.4‑0.6；且b、y取值满足条件：b＞y。本发明在进行杂质诱导量子阱混杂形成非吸收窗口时，所述腐蚀阻挡层可以降低Al、Ga原子互扩散程度，提高腐蚀阻挡层与第二上包层的腐蚀选择比。制作脊型波导结构时，腐蚀面平整，光输出模式稳定。

Description

一种含有高选择性腐蚀阻挡层的AlGaInP半导体激光器
技术领域
本发明涉及一种含有高选择性腐蚀阻挡层的AlGaInP半导体激光器，属于半导体激光器的技术领域。
背景技术
AlGaInP可见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。
半导体激光器的有源区较薄，且与两侧包层存在折射率差异，可以有效地对光进行导引，因此垂直方向上可以实现稳定的基横模输出。横向一般通过制作脊型波导来进行弱折射率导引，有效折射率差异约为10-3量级。脊型波导的宽度及深度的波动会影响光模式的输出，因此要求脊型波导的一致性及均匀性要好。目前广泛使用的方法是在器件上包层中插入一层腐蚀阻挡层，利用材料腐蚀速率的差别控制脊型波导的深度。
非专利性文献Appl.Phys.Lett.,1989,Vol.54,pp1391报道了一种横模稳定的AlGaInP脊型半导体激光器，使用1-2nm的薄层GaAs作为腐蚀阻挡层。由于As及P化合物的化学腐蚀速率相差较大，可以得到形貌较好的脊型结构，形成稳定的横模输出。但是由于GaAs带隙较小，对AlGaInP有源区发出的光有强烈的吸收，GaAs层必须很薄，这对设备及工艺的均匀性有很高的要求。
中国专利CN1848567A公开了一种可以无障碍的在半导体激光器上包层上形成条状凸部，并且能够抑制乃至防止向上包层一侧扩展光分布的装置。此器件使用与外延层晶格匹配的宽带隙材料AlGaAs作为腐蚀阻挡层，且AlGaAs层折射率约等于各包层折射率，不会对光模式造成紊乱。由于外延层生长一般使用化学气相沉积的方式，AlGaInP材料中插入一层AlGaAs会存在As/P气相转换，使得生长界面不明显，存在大量的界面态。这些界面态会俘获载流子，降低载流子的注入效率，影响激光器的性能。
美国专利US005379312A公开了脊波导及选择性掩埋脊波导的可见光半导体激光器，腐蚀阻挡层为张应变的GaInP材料。相比于晶格匹配的GaInP，其腐蚀性选择比更高，且不吸收有源区发出的光，也适合表面材料的再生长。对于传统小功率AlGaInP激光器来说，此方法实用且简洁。但是目前激光器在往高功率高工作温度方向发展，要获得高可靠性的大功率激光器，必须使用非吸收窗口技术。AlGaInP半导体激光器大部分使用杂质诱导量子阱混杂的技术，使得窗口区材料带隙变大。但是在进行量子阱混杂时，腐蚀阻挡层也会发生原子混杂，使得腐蚀阻挡层Ga元素减少，Al元素增加，腐蚀选择比下降。如图2a所示，在进行脊型制作时会出现器件窗口区与增益区腐蚀深度不一致的现象，造成折射率差异，输出光模式发生变化。
发明内容
针对现有技术不足，本发明公开了一种含有高选择性腐蚀阻挡层的AlGaInP半导体激光器。
本发明的技术方案如下：
一种含有高选择性腐蚀阻挡层的AlGaInP半导体激光器，包括从下至上依次为衬底、下包层、有源区、第一上包层、腐蚀阻挡层、第二上包层和欧姆接触层；其特征在于，所述腐蚀阻挡层为从下至上依次排列的(AlaGa1-a)0.5In0.5P、GabIn1-bP及(AlaGa1-a)0.5In0.5P三层结构，每层厚度的范围5-15nm，其中，a取值为0.1-0.5，b取值为0.5-0.7；所述有源区为从下至上依次排列的(AlxGa1-x)0.5In0.5P势垒层、GayIn1-yP量子阱及(AlxGa1-x)0.5In0.5P势垒层，其中，x取值为0.4-0.6，y取值为0.4-0.6；且b、y取值满足条件：b＞y。
根据本发明优选的，所述第二上包层及欧姆接触层构成脊型结构，在所述第二上包层未覆盖欧姆接触层的部分、第二上包层的侧面及裸露的腐蚀阻挡层上方分别包覆有介质膜；在所述欧姆接触层上方包覆接触设置有第一金属电极层，在所述衬底下方设置有第二金属电极层；在所述AlGaInP半导体激光器的前后两个端面设置有非吸收窗口。所述非吸收窗口：半导体激光器制作过程中，通过量子阱混杂技术或者再生长技术使得激光器前后端面处有源区的带隙变大，不吸收发出的光，此端面结构称为非吸收窗口。本发明所述非吸收窗口使用杂质扩散，诱导有源区Al、Ga原子混杂形成。
根据本发明优选的，所述下包层、第一上包层及第二上包层均为与GaAs晶格匹配的Al0.5In0.5P。
根据本发明优选的，所述衬底为偏向<111>晶向的N型GaAs(100)单晶片，偏角大小为5-15°。
根据本发明优选的，所述欧姆接触层为P型GaAs。
根据本发明优选的，所述介质膜为SiO2或Si3N4。
根据本发明优选的，所述第一金属电极层为Ti/Pt/Au；所述第二金属电极层为Ge/Ni/Au。
本发明的优势在于：
1.本发明中所述腐蚀阻挡层中的Ga组分高于量子阱中的Ga组分，因此不会吸收有源区发出的光，不会减弱激光器的增益特性。
2.本发明中所述腐蚀阻挡层中的Ga组分高于其中In组分，且两侧与高Al组分的上包层分离。在进行杂质诱导量子阱混杂形成非吸收窗口时，此腐蚀阻挡层可以降低Al、Ga原子互扩散程度，提高腐蚀阻挡层与第二上包层的腐蚀选择比。制作脊型波导结构时，腐蚀面平整，光输出模式稳定。
附图说明
图1为本发明的AlGaInP半导体激光器的结构示意图；
图2a为现有技术AlGaInP半导体激光器工艺片俯视图；
图2b为本发明的AlGaInP半导体激光器工艺片俯视图；
图中，1、衬底，2、下包层，3、有源区，4、第一上包层，5、腐蚀阻挡层，6、第二上包层，7、欧姆接触层，8、介质膜，9、第一金属电极层，10、第二金属电极层，11、非吸收窗口。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。
如图1所示。
实施例1、
一种含有高选择性腐蚀阻挡层的AlGaInP半导体激光器，包括从下至上依次为衬底1、下包层2、有源区3、第一上包层4、腐蚀阻挡层5、第二上包层6和欧姆接触层7；所述腐蚀阻挡层5为从下至上依次排列的(AlaGa1-a)0.5In0.5P、GabIn1-bP及(AlaGa1-a)0.5In0.5P三层结构，每层厚度的范围5-15nm，其中，a取值为0.1-0.5，b取值为0.5-0.7；所述有源区3为从下至上依次排列的(AlxGa1-x)0.5In0.5P势垒层、GayIn1-yP量子阱及(AlxGa1-x)0.5In0.5P势垒层，其中，x取值为0.4-0.6，y取值为0.4-0.6；且b、y取值满足条件：b＞y。所述有源区的激射波长约为650nm。
实施例2、
如实施例1所述的一种含有高选择性腐蚀阻挡层的AlGaInP半导体激光器，其区别在于，所述第二上包层6及欧姆接触层7构成脊型结构，在所述第二上包层6未覆盖欧姆接触层7的部分、第二上包层6的侧面及裸露的腐蚀阻挡层5上方分别包覆有介质膜8；在所述欧姆接触层7上方包覆接触设置有第一金属电极层9，在所述衬底1下方设置有第二金属电极层10；在所述AlGaInP半导体激光器的前后两个端面设置有非吸收窗口11。
实施例3、
如实施例1、2所述的一种含有高选择性腐蚀阻挡层的AlGaInP半导体激光器，其区别在于，所述下包层、第一上包层及第二上包层均为与GaAs晶格匹配的Al0.5In0.5P。
实施例4、
如实施例1、2、3所述的一种含有高选择性腐蚀阻挡层的AlGaInP半导体激光器，其区别在于，所述衬底为偏向<111>晶向的N型GaAs(100)单晶片，偏角大小为5-15°，进一步优选，偏角大小为10°。
实施例5、
如实施例1、2、3所述的一种含有高选择性腐蚀阻挡层的AlGaInP半导体激光器，其区别在于，所述欧姆接触层为P型GaAs；所述介质膜为SiO2或Si3N4。
实施例6、
如实施例1、2、3所述的一种含有高选择性腐蚀阻挡层的AlGaInP半导体激光器，其区别在于，所述第一金属电极层为Ti/Pt/Au；所述第二金属电极层为Ge/Ni/Au。
对比例、
如图2a所示，使用现有技术的AlGaInP半导体激光器的窗口区出现了腐蚀台阶；如图2b所示，使用本发明所述腐蚀阻挡层的AlGaInP半导体激光器的窗口区则非常平整，腐蚀深度一致性很好，因此，相比于现有技术，本发明具有突出的技术优势。

Claims (6)

1.一种含有高选择性腐蚀阻挡层的AlGaInP半导体激光器，包括从下至上依次为衬底、下包层、有源区、第一上包层、腐蚀阻挡层、第二上包层和欧姆接触层；其特征在于，所述腐蚀阻挡层为从下至上依次排列的(AlaGa1-a)0.5In0.5P、GabIn1-bP及(AlaGa1-a)0.5In0.5P三层结构，每层厚度的范围5-15nm，其中，a取值为0.1-0.5，b取值为0.5-0.7；所述有源区为从下至上依次排列的(AlxGa1-x)0.5In0.5P势垒层、GayIn1-yP量子阱及(AlxGa1-x)0.5In0.5P势垒层，其中，x取值为0.4-0.6，y取值为0.4-0.6；且b、y取值满足条件：b＞y；
所述第二上包层及欧姆接触层构成脊型结构，在所述第二上包层未覆盖欧姆接触层的部分、第二上包层的侧面及裸露的腐蚀阻挡层上方分别包覆有介质膜；在所述欧姆接触层上方包覆接触设置有第一金属电极层，在所述衬底下方设置有第二金属电极层；在所述AlGaInP半导体激光器的前后两个端面设置有非吸收窗口。
2.根据权利要求1所述的一种含有高选择性腐蚀阻挡层的AlGaInP半导体激光器，其特征在于，所述下包层、第一上包层及第二上包层均为与GaAs晶格匹配的Al0.5In0.5P。
3.根据权利要求1所述的一种含有高选择性腐蚀阻挡层的AlGaInP半导体激光器，其特征在于，所述衬底为偏向<111>晶向的N型GaAs(100)单晶片，偏角大小为5-15°。
4.根据权利要求1所述的一种含有高选择性腐蚀阻挡层的AlGaInP半导体激光器，其特征在于，所述欧姆接触层为P型GaAs。
5.根据权利要求1所述的一种含有高选择性腐蚀阻挡层的AlGaInP半导体激光器，其特征在于，所述介质膜为SiO2或Si3N4。
6.根据权利要求1所述的一种含有高选择性腐蚀阻挡层的AlGaInP半导体激光器，其特征在于，所述第一金属电极层为Ti/Pt/Au；所述第二金属电极层为Ge/Ni/Au。
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