CN108346972B - 一种具有超晶格限制层的AlGaInP半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有超晶格限制层的AlGaInP半导体激光器，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、第一上限制层、第二上限制层和欧姆接触层；第一上限制层为高铝组分的AlGaInP材料与低铝组分的AlGaInP材料交替生长的超晶格结构，所述第一上限制层中，高铝组分的AlGaInP材料的掺杂材料为Mg，低铝组分的AlGaInP材料的掺杂材料为Mg，第二上限制层为高铝组分的AlGaInP材料，第二上限制层的掺杂材料为Mg。本发明使用高掺杂的第一上限制层及第二上限制层，可以降低外延层的串联电阻，减少焦耳热的产生，提高了光电转换效率。

Description

一种具有超晶格限制层的AlGaInP半导体激光器
技术领域
本发明涉及一种具有超晶格限制层的AlGaInP半导体激光器，属于半导体激光器技术领域。
背景技术
AlGaInP四元化合物材料广泛应用于高亮度红光发光二极管及半导体激光器，已经成为红光发光器件的主流材料。但是相比于早期使用的AlGaAs材料，AlGaInP材料体系本身也有其缺点：AlGaInP/GaInP异质结的导带带阶很小，最大值约270meV，小于AlGaAs材料的350meV，因此电子势垒相对较低，容易形成泄露电流，使得激光器阈值电流加大，尤其是在高温及大电流工作中更为明显；AlGaInP材料由于合金散射，其热阻远高于AlGaAs材料，因此工作中产热较多，提升了结温及腔面温度；AlGaInP材料载流子的有效质量及态密度高于AlGaAs材料，激射时需要更高的透明电流密度。这些原因使得AlGaInP激光器的特征温度较低，连续工作时电光转换效率变低，产生较多的热量。
要降低AlGaInP半导体激光器的漏电流，提高其特征温度，对P型限制层进行高掺是一个常用的途径。P型高掺可以提高P型区的准费米能级位置，提高阻挡泄露电子的有效势垒。早期使用Zn原子作为受主杂质进行P型掺杂，可以获得1018cm-3以上掺杂浓度，但是Zn原子在AlGaInP材料中的扩散系数非常大，很容易扩散进入有源区，产生光吸收，影响激光器的性能。后来使用扩散系数更小的Mg代替Zn原子进行P型掺杂，使得激光器的温度特性得到很大提高。但是，在大功率红光激光器中，由于工作电流大，器件结温高，长时间工作后Mg仍然会往外延层内部扩散，降低激光器的寿命。
非专利文献Appl.Phys.Lett.,1989,Vol.55(10),pp1017论述了Mg在MOCVD生长InP材料中的扩散问题，发现当Mg掺杂浓度在5e17cm-3时的掺杂边很陡峭，扩散量很低，而当浓度大于1e18cm-3时扩散得很明显。文章提出通过降低掺杂浓度可以保证Mg的扩散量。但是在半导体激光器中，低掺杂的Mg不仅会导致漏电流严重，还会增加P型层的串联电阻，进一步恶化激光器的温度特性。
中国专利CN104269741A公开了一种高可靠性的红光半导体激光器，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Si掺杂原子可以阻止上限制层的高掺杂浓度Mg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。波导层是光传播的主要区域，非常靠近量子阱发光区，在波导层中进行掺杂，必须精确的控制掺杂原子的浓度，如果过量同样会造成光散射及光吸收，所以这种方法有一定的缺陷。
发明内容
针对现有AlGaInP半导体激光器不易进行Mg原子的高掺，且容易扩散的问题，本发明提供一种具有超晶格限制层的AlGaInP半导体激光器，可以得到陡峭的高浓度Mg掺杂边。
本发明的技术方案为：
一种具有超晶格限制层的AlGaInP半导体激光器，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、第一上限制层、第二上限制层和欧姆接触层；
所述第一上限制层为高铝组分的AlGaInP材料与低铝组分的AlGaInP材料交替生长的超晶格结构，所述第一上限制层中，高铝组分的AlGaInP材料的掺杂材料为Mg，低铝组分的AlGaInP材料的掺杂材料为Mg，所述第二上限制层为高铝组分的AlGaInP材料，所述第二上限制层的掺杂材料为Mg。
本发明使用高掺杂的第一上限制层及第二上限制层，可以降低外延层的串联电阻，减少焦耳热的产生，提高了光电转换效率。第一上限制层使用了高铝组分及低铝组分的AlGaInP材料交替生长的超晶格结构，由于低铝组分的AlGaInP材料中Mg的溶解度更高，可以得到比高铝组分AlGaInP材料更高的Mg掺杂浓度，因此，第一上限制层的平均掺杂浓度要高于第二上限制层。同时，低铝组分的AlGaInP材料中Mg的扩散系数相对较小，可以得到陡峭的掺杂边。
根据本发明优选的，所述第一上限制层中，所述高铝组分的AlGaInP材料为P型的(AlaGa1-a)0.5In0.5P，a的取值为0.7-1.0，所述低铝组分的AlGaInP材料为P型的(AlbGa1-b)0.5In0.5P，b取值为0.5-0.7，所述第一上限制层中Mg的平均掺杂浓度高于1×1018cm-3。
进一步优选的，所述第一上限制层中，所述高铝组分的AlGaInP材料为P型的(AlaGa1-a)0.5In0.5P，a的取值为0.8，所述低铝组分的AlGaInP材料为P型的(AlbGa1-b)0.5In0.5P，b取值为0.6，所述第一上限制层中Mg的平均掺杂浓度为2×1018cm-3。
对于高铝组分的(AlaGa1-a)0.5In0.5P，a取值在0.7以上时，材料由直接带隙变为间接带隙。随着a值增加，铝组分增加，材料折射率变小，光限制增加。同时，材料带隙增加的比较缓慢，而实际阻挡电子溢出的导带带阶是缓慢降低的。因此，a取值为0.8，是对有源区电限制及光限制的较好折中，既能保证较大的光限制因子，又能提供足够的电子有效势垒。此时，Mg的高掺杂浓度在1×1018cm-3附近。对于低铝组分的(AlbGa1-b)0.5In0.5P，铝组分要高于波导层中的铝组分，才不会导致反波导效应产生而影响光场。因此，b取值为0.6，是对光场分布及高掺杂浓度的较好折中，能保证光场稳定的同时还能实现高掺杂浓度。此时，Mg的高掺杂浓度可达到3×1018cm-3附近。超晶格限制层的Mg的平均掺杂浓度为2×1018cm-3，相比单纯高铝组分AlGaInP掺杂浓度的1×1018cm-3，其有效电子势垒要高出40meV，能更好阻挡电子泄露。
根据本发明优选的，所述第一上限制层中高铝组分的AlGaInP材料与低铝组分的AlGaInP材料的厚度为10-20nm，周期对数为2-10对。
根据本发明优选的，所述第二上限制层中Mg的掺杂浓度为8×1017-1.5×1018cm-3。
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°，N型掺杂材料为Si，掺杂浓度为2×1018-5×1018cm-3。
根据本发明优选的，所述下限制层为与GaAs匹配的N型(AlxGa1-x)0.5In0.5P，x取值0.7-1.0，N型掺杂材料为Si，掺杂浓度为5×1017-1×1018cm-3，厚度为1000-1500nm。
根据本发明优选的，所述下波导层、所述上波导层均为非掺杂的(AlyGa1-y)0.5In0.5P，y取值0.3-0.6，所述下波导层、所述上波导的厚度分别为50-150nm。
根据本发明优选的，所述量子阱层为GazIn1-zP，z取值0.4-0.6，厚度为10-15nm，激射波长为635-685nm，位于红光波段。
根据本发明优选的，所述欧姆接触层为厚度150-250nm的重掺杂的GaAs，掺杂材料为Zn，掺杂浓度为1×1019cm-3-1×1020cm-3。
本发明的有益效果为：
本发明半导体激光器中超晶格的应用多为调节组分应变减少缺陷或者用于波导结构调节光场限制，本发明将超晶格结构应用于限制层中代替传统的单层结构限制层，可以调控Mg的掺杂，具有以下优点：
1.由于低铝组分AlGaInP中Mg的溶解度更高，可以在靠近量子阱的限制层实现高掺，可以提高电子的有效势垒，阻挡热电子泄露进入P型区，提高半导体激光器的温度特性。
2.由于低铝组分AlGaInP中Mg的扩散系数更低，可以保证在高掺杂浓度的同时，获得陡峭的掺杂边，使Mg原子位于上限制层内，降低进入量子阱发光区中的几率，减少掺杂原子及空穴对光的吸收，保证其工作时的可靠性。
3.对限制层进行了高掺，提高了材料的电导率，降低了激光器的串联电阻减小。这样就提高了激光器的电光转换效率，降低了焦耳热的产生，提高了激光器大电流工作下的寿命。
附图说明
图1为本发明AlGaInP半导体激光器的结构示意图。
图2为本发明AlGaInP半导体激光器的导带结构示意图。
1、衬底，2、下限制层，3、下波导层，4、量子阱层，5、上波导层，6、第一上限制层，7、第二上限制层，8、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
如图1所示，一种具有超晶格限制层的AlGaInP半导体激光器，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、第一上限制层6、第二上限制层7和欧姆接触层8。
衬底1为偏向<111>晶向的N型GaAs(100)单晶片，偏角大小为10°，N型掺杂材料为Si，掺杂浓度为3×1018cm-3。
下限制层2为与GaAs匹配的N型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P，N型掺杂材料为Si，掺杂浓度为8×1017cm-3，厚度为1200nm。
下波导层3为非掺杂的(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P，厚度为100nm。
量子阱层4为Ga0.45In0.55P，厚度为10nm，激射波长为650nm。
上波导层5同下波导层3一致，为100nm厚的非掺杂的(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P。
第一上限制层6为P型的(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P/(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P超晶格结构，每层厚度10nm，共有3对，总厚度为60nm，P型掺杂材料为Mg，平均的掺杂浓度为1.5×1018cm-3。
第二上限制层7为P型的(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P，厚度为1000nm，掺杂材料为Mg，掺杂浓度为1×1018cm-3。
欧姆接触层8为厚度200nm的重掺杂的GaAs，掺杂材料为Zn，掺杂浓度为1×1020cm-3。
现有技术中非高掺杂的半导体激光器与本实施例激光器的性能参数对比如表1所示，其中激光器1为现有技术中非高掺杂的半导体激光器，激光器2为本实施例AlGaInP半导体激光器；
表1
性能参数 激光器1 激光器2
Mg掺杂浓度 1×10<sup>18</sup>cm<sup>-3</sup> 2×10<sup>18</sup>cm<sup>-3</sup>
限制层导带带阶 320meV 360meV
串联电阻 1.1Ω 0.9Ω
转换效率 28％ 33％
激光器1的Mg最高掺杂浓度1×1018cm-3，而激光器2的Mg的平均掺杂浓度为2×1018cm-3。由表1可以看出，本实施例激光器使用高掺杂的超晶格限制层，可以有效提高限制层的导带带阶，减少电子的泄露。同时可以降低外延层的串联电阻，减少焦耳热的产生，提高了光电转换效率。
图2给出了本实施例AlGaInP半导体激光器的导带结构。
高带隙的高铝组分AlGaInP与低带隙的低铝组分AlGaInP交替生长，构成了超晶格结构的第一上限制层6。由于低铝组分AlGaInP中Mg的溶解度更高，第一上限制层6中的Mg掺杂浓度要高于第二上限制层7，可以很好的阻挡电子的泄露。同时在高掺杂浓度下超晶格结构的AlGaInP中Mg的扩散系数相对较低，可以获得陡峭的掺杂边，降低扩散进入量子阱中的掺杂原子，提高大电流工作下的可靠性。

Claims (10)

1.一种具有超晶格限制层的AlGaInP半导体激光器，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、第一上限制层、第二上限制层和欧姆接触层；其特征在于，所述第一上限制层为高铝组分的AlGaInP材料与低铝组分的AlGaInP材料交替生长的超晶格结构，所述第一上限制层中，高铝组分的AlGaInP材料的掺杂材料为Mg，低铝组分的AlGaInP材料的掺杂材料为Mg，所述第二上限制层为高铝组分的AlGaInP材料，所述第二上限制层的掺杂材料为Mg。
2.根据权利要求1所述的一种具有超晶格限制层的AlGaInP半导体激光器，其特征在于，所述第一上限制层中，所述高铝组分的AlGaInP材料为P型的(AlaGa1-a)0.5In0.5P，a的取值为：0.7≤a＜1.0，所述低铝组分的AlGaInP材料为P型的(AlbGa1-b)0.5In0.5P，b取值为0.5-0.7，所述第一上限制层中Mg的平均掺杂浓度高于1×1018cm-3。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有超晶格限制层的AlGaInP半导体激光器，其特征在于，所述第一上限制层中，所述高铝组分的AlGaInP材料为P型的(AlaGa1-a)0.5In0.5P，a的取值为0.8，所述低铝组分的AlGaInP材料为P型的(AlbGa1-b)0.5In0.5P，b取值为0.6，所述第一上限制层中Mg的平均掺杂浓度为2×1018cm-3。
4.根据权利要求1所述的一种具有超晶格限制层的AlGaInP半导体激光器，其特征在于，所述第一上限制层中高铝组分的AlGaInP材料与低铝组分的AlGaInP材料的厚度均为10-20nm，周期对数为2-10对。
5.根据权利要求1所述的一种具有超晶格限制层的AlGaInP半导体激光器，其特征在于，所述第二上限制层中Mg的掺杂浓度为8×1017-1.5×1018cm-3。
6.根据权利要求1所述的一种具有超晶格限制层的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°，掺杂材料为Si，掺杂浓度为2×1018-5×1018cm-3。
7.根据权利要求1所述的一种具有超晶格限制层的AlGaInP半导体激光器，其特征在于，所述下限制层为与GaAs匹配的N型(AlxGa1-x)0.5In0.5P，x取值0.7-1.0，掺杂材料为Si，掺杂浓度为5×1017-1×1018cm-3，所述下限制层的厚度为1000-1500nm。
8.根据权利要求1所述的一种具有超晶格限制层的AlGaInP半导体激光器，其特征在于，所述下波导层、所述上波导层均为非掺杂的(AlyGa1-y)0.5In0.5P，y取值0.3-0.6，所述下波导层、所述上波导层的厚度分别为50-150nm。
9.根据权利要求1所述的一种具有超晶格限制层的AlGaInP半导体激光器，其特征在于，所述量子阱层为GazIn1-zP，z取值0.4-0.6，厚度为10-15nm，激射波长为635-685nm，位于红光波段。
10.根据权利要求1-2,4-9任一所述的一种具有超晶格限制层的AlGaInP半导体激光器，其特征在于，所述欧姆接触层为厚度150-250nm的重掺杂的GaAs，掺杂材料为Zn，掺杂浓度为1×1019cm-3-1×1020cm-3。
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