CN108233179A - 一种无铝波导层的红光半导体激光器结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无铝波导层的红光半导体激光器结构,从下至上依次包括衬底、下限制层、下波导层、量子阱层、上波导层、上限制层和欧姆接触层;所述下波导层、量子阱层、上波导层均为镓铟磷材料。本发明波导层使用无铝的镓铟磷材料,实现有源区全无铝,对生长环境尤其是氧杂质浓度的要求不再那么苛刻。同时腔面解理时由于有源区无铝,抗氧化能力增加,腔面缺陷有效减少。此设计不仅减少了材料内部的氧杂质缺陷,还降低了腔面缺陷的形成,可以减少光吸收,提高腔面的抗烧毁能力及半导体激光器的寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种无铝波导层的红光半导体激光器结构,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,并且广泛应用于光存储系统、条形码阅读器、工业准直标线仪、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,此时有源区的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。因此,带隙更大、铝含量更低的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CN104269741A提出了一种高可靠性的红光半导体激光器,使用应变GaInP量子阱做为发光区,通过控制阱宽及应变量可以实现630-690nm的红光输出。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。此专利主要针对发光区及掺杂做出优化,其波导层仍然使用含铝组分20%-30%的AlGaInP材料,虽然比AlGaAs材料中Al组分降低很多,但是仍然存在一定含量的Al。如果材料生长时氧杂质较多,或者工作条件比较苛刻,就会使波导层中的Al发生氧化,形成缺陷。载流子在量子阱中复合,发出大量光子,它们是沿着量子阱两侧的波导层进行传播,通过腔面进行选模并形成稳定震荡,发生激光。如果波导层中含有较多缺陷,会造成光吸收增加,从而影响激光器的性能及可靠性。
中国专利文献CN101340060A公开了一种非对称结构的无铝有源区808nm大功率量子阱激光器,上波导层和下波导层采用无铝材料GaInP,量子阱层为InGaAsP材料,波导层和量子阱层共同组成无铝有源区。此发明能够增加P型材料区的光限制因子,降低光向P型材料区的泄漏,减少高掺杂区的载流子光吸收损耗,提高激光器的工作效率。这项发明也说明了无铝波导层及量子阱层对半导体激光器的确是非常有益的。由于波长决定了发光区材料,此发明的技术方案只能用于近红外发光波长,不能用于红光半导体激光器。
中国专利文献CN104242058A公开了一种无铝半导体激光器结构,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改进,得到的新结构材料体系的半导体激光器,其中,下、上限制层采用导带差小的InGaP材料,下、上波导层采用导带差小的InGaAsP材料并且选择无铝的非对称的直波导结构。但是,(1)本专利使用无铝的InGaAsP做为波导,折射率低于InGaAs量子阱,可以实现光波导传输作用,而这种材料无法用在GaInP量子阱激光器,因为InGaAsP的折射率高于GaInP折射率,无法形成波导:(2)本专利针对InGaAsP体系的InGaAs量子阱激光器,波长为红外波段。而本申请是针对AlGaInP体系的GaInP量子阱激光器,波长为红光区,本申请与本专利材料体系与波长不同。
发明内容
针对现有红光半导体激光器的波导层为含铝材料,对材料生长要求较高,且容易形成缺陷,影响激光器性能的缺点,本发明提供一种具有不含铝组分波导层的红光半导体激光器结构。
本发明的技术方案为:
一种无铝波导层的红光半导体激光器结构,从下至上依次包括衬底、下限制层、下波导层、量子阱层、上波导层、上限制层和欧姆接触层;所述下波导层、量子阱层、上波导层均为镓铟磷材料。
波导层使用无铝的镓铟磷材料,实现有源区全无铝,对生长环境尤其是氧杂质浓度的要求不再那么苛刻。同时腔面解理时由于有源区无铝,抗氧化能力增加,腔面缺陷有效减少。此设计不仅减少了材料内部的氧杂质缺陷,还降低了腔面缺陷的形成,可以减少光吸收,提高腔面的抗烧毁能力及半导体激光器的寿命。
根据本发明优选的,所述量子阱层为带隙为1.84eV的有序镓铟磷材料,所述下波导层、上波导层均为带隙为1.91eV的无序镓铟磷材料;所述有序镓铟磷材料是指在600-640℃温度范围内生长的镓铟磷材料;所述无序镓铟磷材料是指在660-700℃温度范围内生长的镓铟磷材料。
镓铟磷材料中,GaP/InP在{111}上的有序程度不同,镓铟磷材料的带隙也会不同,一般有序排列时的带隙为1.84eV,无序时的带隙为1.91eV。影响镓铟磷材料有序或者无序排列的条件有生长温度、五三比、掺杂浓度等,本发明通过生长温度来确定其结构,在660-700℃的高温下形成无序镓铟磷材料,在600-640℃的低温下实现有序镓铟磷材料。无序镓铟磷材料比有序镓铟磷材料带隙至少高0.07eV,无序镓铟磷材料作为波导层,有序镓铟磷材料作为量子阱层,其势垒高度大于70meV,是室温下电子热动能的3倍,很好的限制了量子阱中的载流子。
根据本发明优选的,所述下限制层为(AlxGa1-x)0.5In0.5P,厚度为1000-1500nm,x的取值为0.5-0.7;
所述量子阱层为有序GayIn1-yP,y的取值为0.4-0.5,厚度为5-15nm;所述下波导层为无序Ga0.5In0.5P,厚度为50-200nm;所述上波导层为无序Ga0.5In0.5P,厚度为50-200nm;所述上限制层为(AlzGa1-z)0.5In0.5P,厚度为1000-1500nm,z的取值为0.5-0.7。
无序镓铟磷材料的波导层折射率高于两侧的AlGaInP限制层折射率,可以很好限制光子。
根据本发明优选的,所述量子阱层为有序Ga0.5In0.5P,厚度为6nm;所述下波导层为无序Ga0.5In0.5P,厚度为100nm;所述上波导层为无序Ga0.5In0.5P,厚度为100nm。
根据本发明优选的,所述量子阱层为有序Ga0.45In0.55P,厚度为6nm;所述下波导层为无序Ga0.5In0.5P,厚度为100nm;所述上波导层为无序Ga0.5In0.5P,厚度为100nm。
上述红光半导体激光器结构的生长方法,具体步骤包括:
(1)将衬底放入气相外延炉中,抽气,使气相外延炉内气压降低至10-4Torr以下;
(2)运行生长程序,升高生长温度至300℃,缓慢加快托盘转速至500转/min;
(3)通入砷烷气体,气相外延炉内气压稳定至50Torr;
(4)继续升高生长温度至600-640℃,停止砷烷气体,通入磷烷及金属有机源,金属有机源包括三甲基镓、三甲基铝、三甲基铟,在所述衬底上生长1000-1500nm厚度的下限制层,在所述下限制层上生长50-200nm厚度的下波导层,停止通入金属有机源;
(5)将生长温度升至660-700℃,再次通入金属有机源,在所述下波导层上生长5-15nm厚度的量子阱层,停止通入金属有机源;
(6)将生长温度降至600-640℃,通入金属有机源,在所述量子阱层上生长50-200nm厚度的上波导层,在所述上波导层上生长1000-1500nm厚度的上限制层,停止通入金属有机源;
(7)将生长温度降至500-550℃,停止通入磷烷,通入砷烷及三甲基镓,在所述上限制层上生长100-300nm厚度的欧姆接触层。
(8)生长完毕后,关闭金属有机源,将生长温度降至100℃以下,关闭砷烷,抽气10min后取片,即得。
本发明的有益效果为:
1、本发明波导层使用无铝的镓铟磷材料,实现有源区全无铝,对生长环境尤其是氧杂质浓度的要求不再那么苛刻。同时,腔面解理时由于有源区无铝,抗氧化能力增加,腔面缺陷有效减少。此设计不仅减少了材料内部的氧杂质缺陷,还降低了腔面缺陷的形成,可以减少光吸收,提高腔面的抗烧毁能力及半导体激光器的寿命。
2、本发明量子阱层为低带隙的有序镓铟磷材料,下波导层、上波导层均为高带隙的无序镓铟磷材料,无序镓铟磷材料比有序镓铟磷材料带隙至少高0.07eV,无序镓铟磷材料做为波导层,可以很好的限制量子阱中的载流子,并且,无序镓铟磷材料的波导层折射率高于两侧的AlGaInP限制层折射率,可以很好限制光子。
附图说明
图1为本发明无铝波导层的红光半导体激光器结构的结构示意图。
1、衬底,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、欧姆接触层。
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
一种无铝波导层的红光半导体激光器结构,如图1所示,从下至上依次包括衬底1、下限制层2、下波导层3、量子阱层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10°的N型GaAs(100)单晶衬底。
下限制层2为厚度1200nm的N型(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5P。
下波导层3为厚度100nm的Ga0.5In0.5P,生长温度700℃,为无序结构,带隙为1.91eV。
量子阱层4为厚度6nm的Ga0.5In0.5P,生长温度600℃,为有序结构,带隙为1.84eV,激射波长约为660nm的红光。
上波导层5为厚度100nm的Ga0.5In0.5P,生长温度700℃,为无序结构,带隙为1.91eV。
上限制层6为厚度1200nm的P型(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5P。
欧姆接触层7为厚度200nm的P型GaAs。
实施例2
根据实施例1所述的一种无铝波导层的红光半导体激光器结构,其区别在于,
衬底1为偏向<111>晶向12°的N型GaAs(100)单晶衬底。
下限制层2为厚度1200nm的N型(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P。
下波导层3为厚度100nm的Ga0.5In0.5P,生长温度680℃,为无序结构,带隙为1.91eV。
量子阱层4为厚度6nm的Ga0.45In0.55P,生长温度620℃,为有序结构,带隙为1.79eV,激射波长约为680nm的红光。
上波导层5为厚度100nm的Ga0.5In0.5P,生长温度680℃,为无序结构,带隙为1.91eV。
上限制层6为厚度1200nm的P型(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P。
欧姆接触层7为厚度200nm的P型GaAs。
实施例2与实施例1的主要不同之处在于,量子阱层4的In组分增加,带隙减小,波长红移。下波导层3及上波导层5同量子阱层4的带隙差增大为0.12eV,可以更好的限制电子的溢出,提高激光器的温度特性。同时可以适当降低限制层的铝组分,在有源区无铝的情况下,整体结构尽量减少铝的含量,降低红光半导体激光器形成缺陷的可能性,提高激光器的性能及可靠性。
Claims (5)
1.一种无铝波导层的红光半导体激光器结构,其特征在于,从下至上依次包括衬底、下限制层、下波导层、量子阱层、上波导层、上限制层和欧姆接触层;所述下波导层、量子阱层、上波导层均为镓铟磷材料。
2.根据权利要求1所述的一种无铝波导层的红光半导体激光器结构,其特征在于,所述量子阱层为带隙为1.84eV的有序镓铟磷材料,所述下波导层、上波导层均为带隙为1.91eV的无序镓铟磷材料;所述有序镓铟磷材料是指在600-640℃温度范围内生长的镓铟磷材料;所述无序镓铟磷材料是指在660-700℃温度范围内生长的镓铟磷材料。
3.根据权利要求1所述的一种无铝波导层的红光半导体激光器结构,其特征在于,所述下限制层为(AlxGa1-x)0.5In0.5P,厚度为1000-1500nm,x的取值为0.5-0.7;所述量子阱层为有序GayIn1-yP,y的取值为0.4-0.5,厚度为5-15nm;所述下波导层为无序Ga0.5In0.5P,厚度为50-200nm;所述上波导层为无序Ga0.5In0.5P,厚度为50-200nm;所述上限制层为(AlzGa1-z)0.5In0.5P,厚度为1000-1500nm,z的取值为0.5-0.7。
4.根据权利要求3所述的一种无铝波导层的红光半导体激光器结构,其特征在于,所述量子阱层为有序Ga0.5In0.5P,厚度为6nm;所述下波导层为无序Ga0.5In0.5P,厚度为100nm;所述上波导层为无序Ga0.5In0.5P,厚度为100nm。
5.根据权利要求3所述的一种无铝波导层的红光半导体激光器结构,其特征在于,所述量子阱层为有序Ga0.45In0.55P,厚度为6nm;所述下波导层为无序Ga0.5In0.5P,厚度为100nm;所述上波导层为无序Ga0.5In0.5P,厚度为100nm。
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GR01 | Patent grant | ||
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