CN108092132A - 一种685nmAlGaInP红光半导体激光器 - Google Patents
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Abstract
一种685nm 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0.4；上缓冲层为AlyIn1‑yP组分渐变层，y由0.4线性渐变至0.5。本发明通过AlInP组分渐变缓冲层，使得限制层及波导层的In组分增加到0.6。相比于现有的与GaAs晶格匹配的AlGaInP红光半导体激光器，本发明半导体激光器的量子阱层在低应变或者无应变条件下即可获得685nm的激光输出，不会存在高应变量带来的缺陷，同时可以使用厚阱结构，提高半导体激光器的微分效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种685nm AlGaInP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。其中，波长为685nm的红光半导体激光器主要用于医疗止痛及生物研究等方面。例如,685nm的激光照射牙齿部位时，可以改变神经系统对离子的通透性，在治疗牙齿及口腔疾病时可以用来镇痛。
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。如果要达到685nm的发射波长，有源区的Al组分要达到30％。如此高的Al含量，很容易导致腔面被氧化，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。所以使用AlGaAs材料体系的685nm半导体激光器的性能比近红外激光器要差很多，不能满足医疗及科研对光源可靠性的要求。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。
中国专利文献CN103124046A公开了一种红光半导体激光器，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，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，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，所以其激射波长在630-640nm的范围，离685nm尚有一定的距离。
日本非专利文献Jpn.J.Appl.Phys.,1997,Vol.36,pp.2666-2670报道了一种高可靠性50-60mW级别685nm窗口结构的半导体激光器。利用固态扩Zn方法在3英寸衬底上制备了均匀性好且可靠性高的685nm半导体激光器，能够在80度稳定工作，且寿命长达10000小时。文献中使用与GaAs衬底匹配的限制层与波导层，使用8nm的大应变(约1％)双量子阱结构实现685nm的激光输出。如此高的压应变量容易造成界面不平整，如果量子阱厚度超出临界厚度，则会出现大量位错，降低激光器的辐射复合效率。
中国专利文献CN105390937A公开了一种短波长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。但是，该专利与本申请存在以下区别点：(1)该专利输出波长630nm以下，着重波长短，用于激光显示及指示领域；(2)该专利是为了解决“波长变短后，半导体激光器电子容易溢出，温度特性变差”这个问题，利用缓冲层生长晶格不匹配的AlInP限制层，In组分变为0.4，带隙变大，可以阻挡电子溢出，提高温度特性，重点是生长晶格不匹配的AlInP限制层。该专利应用的技术领域、解决的问题与本申请完全不同。
发明内容
针对现有685nm半导体激光器技术存在的不足，本发明提供一种AlGaInP红光半导体激光器，该激光器使得量子阱层在低应变或者无应变条件下即可获得685nm波长的光。
本发明的技术方案为：
一种685nm AlGaInP红光半导体激光器，从下至上依次包括衬底、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0.4；上缓冲层为AlyIn1-yP组分渐变层，y由0.4线性渐变至0.5。
本发明输出波长685nm左右，属于红光中的长波段，主要用于光动力理疗及医疗。由于激光直接作用于人体组织，必须控制波长范围，使激光与人体目标靶位细胞产生相关作用，而不对人体正常细胞造成伤害。目前，大部分红光激光器使用与GaAs衬底相匹配的AlGaInP材料。量子阱使用晶格匹配的GaInP材料，其输出波长在650nm附近，用在指示领域居多，此波长的红光对某些病变细胞不产生作用，如果长时间照射皮肤还会对表皮产生灼伤等伤害，不太适合做理疗及医疗器件。达到685nm激光输出时，量子阱GaInP中的In组分要高于0.6，应变量很大，量子阱厚度超过15nm时，可能会造成晶格弛豫，产生失配位错。
要使量子阱的GaInP在低应变或者无应变条件下获得685nm波长输出，量子阱两侧的外延层材料的In组分也必须接近甚至一致，本发明中In组分为0.6。但是对于此组分的AlGaInP材料来说，没有与之晶格相匹配的衬底材料，无法进行正常的外延生长。
本发明在已有的GaAs衬底上利用组分渐变缓冲层技术，使外延层的晶格常数从GaAs衬底的晶格常数逐渐向高In组分的AlGaInP材料的晶格常数过渡。同时将晶格常数渐变带来的失配位错限制在缓冲层内，阻止其向有源层内蔓延扩散。这样就实现了在GaAs衬底上外延生长高In组分AlGaInP材料，从而使得量子阱GaInP材料在低应变或者无应变条件下获得理想波段的激光输出。
根据本发明优选的，所述下波导层及上波导层均为(AlzGa1-z)0.4In0.6P，z的取值为0.4-0.6；下限制层及上限制层均为Al0.4In0.6P。
此处设计的优势在于，AlGaInP材料的In组分使用0.6，量子阱GaInP可以使用与之相近的In组分，而应变量很低甚至没有。同时外延层的In组分与GaAs衬底匹配的AlGaInP材料的In组分0.5相差不是很大，组分渐变缓冲层可以实现这种渐变，而不至于使外延层由于失配过大发生断裂。
根据本发明优选的，所述衬底为N型GaAs。
根据本发明优选的，所述下缓冲层的厚度为2-3μm。
此处设计的优势在于，可以充分释放晶格常数改变引入的应力，同时使得应力释放后形成的位错集中在缓冲层区，不进入外延层的发光区。
根据本发明优选的，所述上缓冲层AlyIn1-yP的厚度为0.3-0.4μm。
此处设计的优势在于，上缓冲层在量子阱层后生长，且上方只有一层欧姆接触层，对晶格质量要求不高。此范围内的上缓冲层厚度既能保证欧姆接触层晶格正常过渡，还不会因厚度原因带来散热问题。
根据本发明优选的，所述下限制层及上限制层Al0.4In0.6P的厚度为2-4μm。
此处设计的优势在于，下限制层与上限制层比原有结构中的厚度大，可以使量子阱层远离下缓冲层与上缓冲层的位错区，防止缺陷对光的吸收。
根据本发明优选的，所述量子阱层为GauIn1-uP，u取值为0.35-0.40，厚度10-20nm，激射波长为680-690nm。
此处设计的优势在于，In组分为0.60-0.65，与两侧的AlGaInP外延层的In组分0.6接近甚至一致，可以在低应变量(0.3％以内)或者无应变条件下得到需求波长。同时，低应变下，量子阱的临界厚度增加，可以增加阱厚，提高半导体激光器的微分效率。
根据本发明优选的，所述欧姆接触层为P型GaAs。
本发明取得的有益效果为：
通过AlInP组分渐变缓冲层，使得外延层中的限制层及波导层的In组分增加到0.6。相比于现有的与GaAs晶格匹配的AlGaInP红光半导体激光器，本发明半导体激光器的量子阱层在低应变或者无应变条件下即可获得685nm的激光输出，不会存在高应变量带来的缺陷，同时可以使用厚阱结构，提高半导体激光器的微分效率。
附图说明
图1为本发明的685nm 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。
图2为本发明的AlGaInP红光半导体激光器工作时的光谱图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
实施例1
一种685nm AlGaInP红光半导体激光器，从下至上依次包括衬底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；如图1所示：
衬底1为通用的N型GaAs。
下缓冲层2为1.5μm厚的AlxIn1-xP，Al组分x由0.5线性渐变至0.4，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Al0.4In0.6P，且最后一层晶格应变得到释放，其晶格常数同于体材料Al0.4In0.6P。
下限制层3及上限制层7均为2.5μm厚的Al0.4In0.6P。
下波导层4及上波导层6均为(Al0.5Ga0.5)0.4In0.6P。
量子阱层5为10nm厚的Ga0.35In0.65P，相对于两侧下波导层4及上波导层6的(Al0.5Ga0.5)0.4In0.6P，其压应变量仅为0.3％左右，就可获得685nm的激光输出。
上缓冲层8为0.4μm厚的AlyIn1-yP，Al组分由0.4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Al0.4In0.6P，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。
本实施例的AlGaInP红光半导体激光器工作时的光谱图如图2所示。图2中，量子阱层5在低应变或者无应变条件下，即可获得685nm的激光输出。
实施例2
一种685nm AlGaInP红光半导体激光器，从下至上依次包括衬底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1.5μm厚的AlxIn1-xP，Al组分x由0.5线性渐变至0.4，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Al0.4In0.6P，且最后一层晶格应变得到释放，其晶格常数同于体材料Al0.4In0.6P。
下限制层3及上限制层7均为2.5μm厚的Al0.4In0.6P。
下波导层4及上波导层6均为(Al0.5Ga0.5)0.4In0.6P。
量子阱层5为15nm厚的Ga0.4In0.6P，与两侧下波导层4及上波导层6的(Al0.5Ga0.5)0.4In0.6P是晶格匹配的。在保证685nm的激光输出时，由于没有应变带来的量子阱厚度限制，可以使用厚阱结构。相比于10nm厚量子阱的激光器，15nm厚量子阱的激光器的微分效率从0.97提高到了1.05。
上缓冲层8为0.4μm厚的AlyIn1-yP，Al组分由0.4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Al0.4In0.6P，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 (8)
1.一种685nm AlGaInP红光半导体激光器，从下至上依次包括衬底、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；其特征在于，下缓冲层为AlxIn1-xP组分渐变层，x由0.5线性渐变至0.4；上缓冲层为AlyIn1-yP组分渐变层，y由0.4线性渐变至0.5。
2.根据权利要求1所述的一种685nm AlGaInP红光半导体激光器，其特征在于，所述下波导层及上波导层均为(AlzGa1-z)0.4In0.6P，z的取值为0.4-0.6；所述下限制层及上限制层均为Al0.4In0.6P。
3.根据权利要求1所述的一种685nm AlGaInP红光半导体激光器，其特征在于，所述下缓冲层AlxIn1-xP的厚度为2-3μm。
4.根据权利要求1所述的一种685nm AlGaInP红光半导体激光器，其特征在于，所述上缓冲层AlyIn1-yP的厚度为0.3-0.4μm。
5.根据权利要求2所述的一种685nm AlGaInP红光半导体激光器，其特征在于，所述下限制层及上限制层Al0.4In0.6P的厚度为2-4μm。
6.根据权利要求1所述的一种685nm AlGaInP红光半导体激光器，其特征在于，所述量子阱层为GauIn1-uP，u取值为0.35-0.40，厚度10-20nm，激射波长为680-690nm。
7.根据权利要求1所述的一种685nm AlGaInP红光半导体激光器，其特征在于，所述欧姆接触层为P型GaAs。
8.根据权利要求1所述的一种685nm AlGaInP红光半导体激光器，其特征在于，所述衬底为N型GaAs。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180529 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |