CN110165555A - 一种基于GexSi1-x可变晶格常数基体的红光半导体激光器 - Google Patents

一种基于GexSi1-x可变晶格常数基体的红光半导体激光器 Download PDF

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Abstract

一种基于GexSi1‑x可变晶格常数基体的红光半导体激光器，激光器的结构从下至上依次包括：N面电极，锗衬底，应变缓冲层，锗硅基体层，缓冲层，下限制层，下波导层，量子阱和量子垒，上波导层，上限制层，势垒层，介质薄膜，欧姆接触层，P面电极；本发明的基于GexSi1‑x可变晶格常数基体的红光半导体激光器，在保证有源区激射波长变短的同时减小了量子阱的张应变，可解决超短波长红光激光器中面临的较大张应变有源区缺陷多的问题，同时也提高了该波段激光器的输出功率和光电转换效率。

Description

一种基于GexSi1-x可变晶格常数基体的红光半导体激光器
技术领域
本发明属于半导体激光器技术领域，具体涉及一种基于GexSi1-x可变晶格常数基体的红光半导体激光器。
背景技术
红光半导体激光器在激光存储、激光显示、虚拟现实、激光医疗美容等领域有着广泛应用，但之前所研究的红光激光器主要集中在655nm-680nm 波段，随着激光显示技术和红光医疗保健应用对更短波长红光激光器的需求不断增加，研制638nm-642nm短波长红光、甚至620nm-635nm的超短波长红光半导体激光器又重新成为半导体光电领域的热点之一。
激光显示具有优越的画面质量和画幅优势，同时还具有色彩丰富、色饱和度高、寿命长、功耗低、节能环保、轻量化等优点。采用半导体激光器的红、绿、蓝(RGB)三基色光源的激光显示方案特性优势比较明显，成为显示技术领域的重要发展方向。作为激光显示技术的核心之一，激光光源如能得到快速发展，激光显示类产品的竞争力必然更加强劲。
在医疗保健领域，由于光对人体组织能产生光化效应、热效应等特性，各类波长的半导体激光逐渐在医疗、保健和美容等领域得到认可。红光是所有光波中唯一兼有光化学和热作用的波段，对人体组织的穿透深度可高达 10～15mm，能直接作用于血管、淋巴管、神经末梢和皮下组织而发挥着相应的治疗作用。细胞中线粒体对红光有很强的吸收，红光照射后，线粒体的过氧化氢酶活性增加，可以增加细胞的新陈代谢，加强细胞的新生，促进损伤愈合，提高机体的免疫功能，有着其他波段不能比拟的更明显、更直接的生物效应。但由于缺少更短波长、更好性价比的激光光源，目前只能采用峰值波长为620nm-635nm的红光LED阵列进行短波长红光的生物调制、光动力学治疗等光生物医学研究。为了进一步提升红光激光在医疗保健领域的临床效果，实现科技服务人类的终极目标，研发超短波长红光半导体激光器也成为重要动力。
要获得短波长的红光，半导体激光器的核心有源区必须采用张应变 GaInP量子阱结构，随着波长不断变短，有源区GaInP层将承受更大的张应变，器件制作中引入的科学和技术难度则是成倍增加，成为具有相当挑战的工作。
根据化合物半导体材料的特性参数，目前研制红光半导体激光器的主流方法是采用应变补偿方式来提升张应变GaInP量子阱的材料特性，以得到 635nm-642nm半导体激光器。但是由于张应变GaInP和AlGaInP异质结间窄的导带偏移量会导致有源层的电子溢出到限制层，使得激光器高功率和高温工作困难；张应变的GaInP材料要比压应变材料承受更多的晶体缺陷，使得器件内部缺陷的产生和迁移更加复杂；较低的光电转换效率产生的富余热将使得器件的光电特性迅速退化，难以在高温下实现连续高功率输出；高光子能量使得激光腔面承受了更高的能量密度，器件的腔面光学灾变损伤更易发生。虽然从实验上实现了625nm和630nm半导体激光器的制作，但器件特性太差，光衰太多，性价比、输出功率和转换效率均难以满足当前激光显示技术和红光医疗保健应用对更短波长红光激光器的需求。
发明内容
为克服上述方法的不足，本发明的目的是提供一种基于GexSi1-x可变晶格常数基体的红光半导体激光器，通过调整红光激光器结构的整体晶格常数基准点，在保证有源区激射波长变短的同时减小GaInP量子阱的张应变，甚至于实现张应变向压应变量子阱的转变，实现超短波长红光光源；具有输出功率和光电转换效率提升，可靠性好的特点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于GexSi1-x可变晶格常数基体的红光半导体激光器，激光器所用外延片结构从下至上依次包括：N面电极，锗衬底，应变缓冲层，锗硅基体层，缓冲层，下限制层，下波导层，量子阱和量子垒，上波导层，上限制层，势垒层，介质薄膜，欧姆接触层，P面电极；
所述的欧姆接触层的下表面设置有势垒层(13)，上表面设置有脊型波导或条形波导区(15)。
锗衬底的底面上设置有N面电极，脊型波导或条形波导区上同时设置有 P面电极。
所述的应变缓冲层(4)可以为低温Ge层、非晶GeSi层、渐变GeSi 层、Ge/GeSi超晶格层等不同类型的薄膜，薄膜的层厚范围为1nm～2000nm。
所述的GeSi基体层(5)是调整在其上外延层的晶格常数，GexSi1-x基体层中x＝1～0.6，厚度范围为20nm～2000nm。
所述的GaInP缓冲层(6)，AlInP下限制层(7)，AlGaInP下波导层(8)， AlGaInP上波导层(10)，AlInP上限制层(11)，GaInP势垒层(13)的晶格常数应和GeSi基体层(5)保持一致。
所述的GaInP量子阱和AlGaInP量子垒(9)中的GaInP量子阱相比 GexSi1-x可变晶格常数基体具有小的张应变或压应变，应变的范围为 -0.5％～2％。
所述的GaAs欧姆接触层(14)采用低温生长，并通过高的C掺杂浓度来减小GaAs欧姆接触层(14)的晶格常数，使其趋于GexSi1-x基体的晶格常数。
红光激光器结构是在Ge衬底(3)上制作而成。
所述的应变缓冲层(4)是在Ge衬底(3)上制作而成。
本发明的有益效果是：
本发明采用小应变GaInP量子阱结构来实现620nm-635nm超短波长红光光源，基于Ge衬底的可变晶格常数GexSi1-x基体，通过调整红光激光器结构的整体晶格常数基准点，使得AlGaInP材料系的整体晶格常数基准点变小，这样在保证有源区激射波长变短的同时相当于减小了GaInP量子阱的张应变，甚至于实现张应变向压应变量子阱的转变，解决超短波长红光激光器中面临的较大张应变有源区缺陷多的问题；由于激光器量子阱有源区材料能带的改善，半导体激光器可以获得等短的红光波长，其输出功率和光电转换效率均有明显提升，可靠性也会变好。
附图说明
图1是本发明一种基于GexSi1-x可变晶格常数基体的红光半导体激光器的结构示意图。
图2是本发明实施例1的红光半导体激光器的结构示意图。
图3为本发明实施例1的半导体激光器光电特性图。
图中，1-N电极，2-P电极，3-Ge衬底，4-应变缓冲层，5-GeSi基体层，6-GaInP缓冲层，7-AlInP下限制层，8-AlGaInP下波导层，9-GaInP量子阱和AlGaInP量子垒，10-AlGaInP上波导层，11-AlInP上限制层，12-介质薄膜，13-GaInP势垒层，14-GaAs欧姆接触层，15-脊型波导或条形波导区。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明一种基于GexSi1-x可变晶格常数基体的红光半导体激光器，其结构激光器所用外延片结构从下至上依次包括：N面电极1，P面电极2，Ge 衬底3，应变缓冲层4，GexSi1-x基体层5，GaInP缓冲层6，AlInP下限制层 7，AlGaInP下波导层8，GaInP量子阱和AlGaInP量子垒9，AlGaInP上波导层10，AlInP上限制层11，介质薄膜12，GaInP势垒层13，GaAs欧姆接触层14，脊型波导或条形波导区15。
所述的欧姆接触层的下表面设置有势垒层(13)，上表面设置有脊型波导或条形波导区(15)。
锗衬底的底面上设置有N面电极，脊型波导或条形波导区上同时设置有 P面电极。
所述的应变缓冲层(4)可以为低温Ge层、非晶GeSi层、渐变GeSi 层、Ge/GeSi超晶格层等不同类型的薄膜，薄膜的层厚范围为1nm～2000nm。
所述的GeSi基体层(5)是调整在其上外延层的晶格常数，GexSi1-x基体层中x＝1～0.6，厚度范围为20nm～2000nm。
所述的GaInP缓冲层(6)，AlInP下限制层(7)，AlGaInP下波导层(8)， AlGaInP上波导层(10)，AlInP上限制层(11)，GaInP势垒层(13)的晶格常数应和GeSi基体层(5)保持一致。
所述的GaInP量子阱和AlGaInP量子垒(9)中的GaInP量子阱相比 GexSi1-x可变晶格常数基体具有小的张应变或压应变，应变的范围为 -0.5％～2％。
所述的GaAs欧姆接触层(14)采用低温生长，并通过高的C掺杂浓度来减小GaAs欧姆接触层(14)的晶格常数，使其趋于GexSi1-x基体的晶格常数。
红光激光器结构是在Ge衬底(3)上制作而成。
所述的应变缓冲层(4)是在Ge衬底(3)上制作而成。
实施例1
参照图2，为本发明实施例1的基于Ge衬底GexSi1-x基体层的620nm 红光半导体激光器的结构示意图。在实施例1中，整个半导体激光器腔长为 1.5mm，电流注入区条宽为120μm，腔面未镀膜。器件结构为Ge衬底，低温Ge应变缓冲层，Ge0.82Si0.18基体层，Ga0.62In0.38P缓冲层，Al0.62In0.38P下限制层，(AlxGa1-x)0.62In0.38P下波导层，(AlxGa1-x)0.62In0.38P上波导层，Al0.62In0.38P 上限制层，Ga0.62In0.38P势垒层，重掺杂GaAs欧姆接触层。其中量子阱区为相比于Ge0.82Si0.18基体层压应变为0.4％的Ga0.57In0.43P层，阱厚为8nm。
图3是计算得出的上述实施例的半导体激光器光电特性。本发明实施例的器件阈值电流为0.5A，电流为3A时，光功率达到2.7W，斜率效率为 1.08W/A，输出波长为620nm。而对于相同输出波长的红光激光器，如果GaAs 为衬底，其阈值电流为0.7A，电流为3A时，光功率仅为1.3W，斜率效率降低为0.54W/A，如果再考虑材料生长中较大的张应变的GaInP量子阱会引入很多晶体失配缺陷，其实际特性还有降低。可见，本发明实施例的红光半导体激光器，在实现短波长的红光输出同时，明显减小了阈值电流，增加了输出光功率和光电转换效率。

Claims (7)

1.一种基于GexSi1-x可变晶格常数基体的红光半导体激光器，其特征在于，激光器所用外延片结构从下至上依次包括：N面电极(1)，P面电极(2)，Ge衬底(3)，应变缓冲层(4)，GeSi基体层(5)，GaInP缓冲层(6)，AlInP下限制层(7)，AlGaInP下波导层(8)，GaInP量子阱和AlGaInP量子垒(9)，AlGaInP上波导层(10)，AlInP上限制层(11)，介质薄膜(12)，GaInP势垒层(13)，GaAs欧姆接触层(14)。
2.根据权利要求1所述的一种基于GexSi1-x可变晶格常数基体的红光半导体激光器，其特征在于，所述的欧姆接触层的下表面设置有势垒层(13)，上表面设置有脊型波导或条形波导区(15)。
3.根据权利要求1所述的一种基于GexSi1-x可变晶格常数基体的红光半导体激光器，其特征在于，所述的应变缓冲层(4)可以为低温Ge层、非晶GeSi层、渐变GeSi层、Ge/GeSi超晶格层等不同类型的薄膜，薄膜的层厚范围为1nm～2000nm。
4.根据权利要求书1所述的一种基于GexSi1-x可变晶格常数基体的红光半导体激光器，其特征在于，所述的GeSi基体层(5)是调整在其上外延层的晶格常数，GexSi1-x基体层中x＝1～0.6，厚度范围为20nm～2000nm。
5.根据权利要求书1所述的一种基于GexSi1-x可变晶格常数基体的红光半导体激光器，其特征在于，所述的GaInP缓冲层(6)，AlInP下限制层(7)，AlGaInP下波导层(8)，AlGaInP上波导层(10)，AlInP上限制层(11)，GaInP势垒层(13)的晶格常数应和GeSi基体层(5)保持一致。
6.根据权利要求书1所述的一种基于GexSi1-x可变晶格常数基体的红光半导体激光器，其特征在于，所述的GaInP量子阱和AlGaInP量子垒(9)中的GaInP量子阱相比GexSi1-x可变晶格常数基体具有小的张应变或压应变，应变的范围为-0.5％～2％。
7.根据权利要求书1所述的一种基于GexSi1-x可变晶格常数基体的红光半导体激光器，其特征在于，所述的GaAs欧姆接触层(14)采用低温生长，并通过高的C掺杂浓度来减小GaAs欧姆接触层(14)的晶格常数，使其趋于GexSi1-x基体的晶格常数。
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