CN110854678A - 一种GaAs基大功率激光器制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种GaAs基大功率激光器制备方法,在生长GaAs低温缓冲层、AlxGayAs下限制层、AlGaAs下波导层、量子阱发光区、AlGaAs上波导层、AlxGayAs上限制层以及GaAs帽层时均是先通入AsH3气体后通入组分定义的TMAl气体,间隔1‑5秒后停止通入TMAl气体且通入组分定义的TMGa气体,间隔1‑10秒后停止通入AsH3气体及TMGa气体停止生长1‑50s。并且通过周期循环的方式达到每层生长的厚度要求。此结构能精确的以每周期一个单原子层来控制外延生长,外延表面更加原子级平整,外延层的厚度只决定于外延的周期数,解决化学气象生长的对温度、束流大小等敏感的问题,可以在较低的温度下生长高质量的薄膜材料,保证电流扩展和光学特性,提高了器件的可靠性、稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及激光器制造技术领域,具体涉及一种GaAs基大功率激光器制备方法。
背景技术
大功率半导体激光器具有体积小、重量轻、可靠性高、寿命长、成本低的优点,成果多、学科渗透广、应用范围大的核心器件,已广泛应用于国民经济的各个领域如激光加工、激光医疗、激光显示及科学研究领域。
GaAs基大功率激光器是半导体激光器封装结构中的一种,具体结构为将单Bar半导体激光器沿慢轴方向均匀排布。这种水平阵列封装结构常用来作为固体激光器的泵浦源,在晶体棒周围均匀排布多个水平阵列结构的半导体激光器,分别从不同方向照射晶体棒,可以实现较高的转化效率。反射的激光还可能会直接照射到半导体激光芯片,导致芯片热损毁,上述问题都会严重影响半导体激光器的可靠性和寿命,并且对半导体激光器芯片的散热能力提出了更高的要求。
发明内容
本发明为了克服以上技术的不足,提供了一种解决化学气象生长的对温度、束流大小等敏感的问题,可以在较低的温度下生长高质量的薄膜材料,保证电流扩展和光学特性,提高了器件的可靠性、稳定性的GaAs基大功率激光器制备方法。
本发明克服其技术问题所采用的技术方案是:
一种GaAs基大功率激光器制备方法,包括如下步骤:
a)将GaAs衬底放置于MOCVD设备生长室内,在通入H2气体环境下烘烤,烘烤后通入AsH3气体,去除衬底表面水氧完成表面处理;
b)将温度降低至750±20℃,通入AsH3气体后通入组分定义的TMAl气体,间隔1-5秒后停止通入TMAl气体且通入组分定义的TMGa气体,间隔1-10秒后停止通入AsH3气体及TMGa气体停止生长1-50s;
c)重复执行步骤b)直至在衬底上生长出指定厚度的GaAs低温缓冲层;
d)将温度保持750±20℃,通入AsH3气体后通入组分定义的TMAl气体,间隔1-5秒后停止通入TMAl气体且通入组分定义的TMGa气体,间隔1-10秒后停止通入AsH3气体及TMGa气体停止生长1-50s;
e)重复执行步骤d)直至在GaAs低温缓冲层上生长出指定厚度的AlxGayAs下限制层,AlxGayAs中0≤x,y≤1;
f)将温度降低至700±20℃,通入AsH3气体后通入组分定义的TMAl气体,间隔1-5秒后停止通入TMAl气体且通入组分定义的TMGa气体,间隔1-10秒后停止通入AsH3气体及TMGa气体停止生长1-50s;
g)重复执行步骤f) 直至在AlxGayAs下限制层上生长出指定厚度的AlGaAs下波导层;
h)将温度保持700±20℃,通入AsH3气体后通入组分定义的TMAl气体,间隔1-5秒后停止通入TMAl气体且通入组分定义的TMGa气体,间隔1-10秒后停止通入AsH3气体及TMGa气体停止生长1-50s;
i)重复执行步骤h) 直至在AlGaAs下波导层上生长出指定厚度的阱(AlxGa1-x)yIn1-yAs/垒(AlxGa1-x)yIn1-yAs的量子阱发光区,其中0≤x,y≤1;
j)将温度保持700±20℃,通入AsH3气体后通入组分定义的TMAl气体,间隔1-5秒后停止通入TMAl气体且通入组分定义的TMGa气体,间隔1-10秒后停止通入AsH3气体及TMGa气体停止生长1-50s;
k)重复执行步骤j) 直至在量子阱发光区上生长出指定厚度的AlGaAs上波导层;
l)将温度升高到750±20℃,通入AsH3气体后通入组分定义的TMAl气体,间隔1-5秒后停止通入TMAl气体且通入组分定义的TMGa气体,间隔1-10秒后停止通入AsH3气体及TMGa气体停止生长1-50s;
m)中部执行步骤l)直至在AlGaAs上波导层上生长指定厚度的AlxGayAs上限制层,AlxGayAs中0≤x,y≤1;
n)将温度降低到550±20℃,通入AsH3气体后通入组分定义的TMAl气体,间隔1-5秒后停止通入TMAl气体且通入组分定义的TMGa气体,间隔1-10秒后停止通入AsH3气体及TMGa气体停止生长1-50s;
o)重复执行步骤n)直至在AlxGayAs上限制层上生长指定厚度的GaAs帽层,外延材料生长完毕后,利用常规LD封装工艺制作成品LD器件。
进一步的,步骤a)中烘烤时的温度为800±20℃,烘烤时间为30分钟。
进一步的,MOCVD设备的压力为50-200mbar,GaAs低温缓冲层、AlxGayAs下限制层、AlGaAs下波导层的掺杂源为Si2H6, AlGaAs上波导层、AlxGayAs上限制层以及GaAs帽层的掺杂源为DEZn或CBr4。
进一步的,H2气体的流量为8000-50000sccm,TMGa气体的纯度为99.9999%,TMGa的恒温槽温度为-5-15℃,TMAl气体的纯度为99.9999%,TMAl的恒温槽温度为10-28℃,AsH3气体的纯度为99.9999%。
本发明的有益效果是:在生长GaAs低温缓冲层、AlxGayAs下限制层、AlGaAs下波导层、量子阱发光区、AlGaAs上波导层、AlxGayAs上限制层以及GaAs帽层时均是先通入AsH3气体后通入组分定义的TMAl气体,间隔1-5秒后停止通入TMAl气体且通入组分定义的TMGa气体,间隔1-10秒后停止通入AsH3气体及TMGa气体停止生长1-50s。并且通过周期循环的方式达到每层生长的厚度要求。此结构能精确的以每周期一个单原子层来控制外延生长,外延表面更加原子级平整,外延层的厚度只决定于外延的周期数,解决化学气象生长的对温度、束流大小等敏感的问题,可以在较低的温度下生长高质量的薄膜材料,保证电流扩展和光学特性,提高了器件的可靠性、稳定性。
附图说明
图1为本发明的激光器结构示意图;
图中,1.GaAs低温缓冲层 2.AlxGayAs下限制层 3.AlGaAs下波导层 4.量子阱发光区5.AlGaAs上波导层 6. AlxGayAs上限制层 7.GaAs帽层。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明做进一步说明。
一种GaAs基大功率激光器制备方法,包括如下步骤:
a)将GaAs衬底放置于MOCVD设备生长室内,在通入H2气体环境下烘烤,烘烤后通入AsH3气体,去除衬底表面水氧完成表面处理;
b)将温度降低至750±20℃,通入AsH3气体后通入组分定义的TMAl气体,间隔1-5秒后停止通入TMAl气体且通入组分定义的TMGa气体,间隔1-10秒后停止通入AsH3气体及TMGa气体停止生长1-50s;
c)重复执行步骤b)直至在衬底上生长出指定厚度的GaAs低温缓冲层1;
d)将温度保持750±20℃,通入AsH3气体后通入组分定义的TMAl气体,间隔1-5秒后停止通入TMAl气体且通入组分定义的TMGa气体,间隔1-10秒后停止通入AsH3气体及TMGa气体停止生长1-50s;
e)重复执行步骤d)直至在GaAs低温缓冲层1上生长出指定厚度的AlxGayAs下限制层2,AlxGayAs中0≤x,y≤1;
f)将温度降低至700±20℃,通入AsH3气体后通入组分定义的TMAl气体,间隔1-5秒后停止通入TMAl气体且通入组分定义的TMGa气体,间隔1-10秒后停止通入AsH3气体及TMGa气体停止生长1-50s;
g)重复执行步骤f) 直至在AlxGayAs下限制层2上生长出指定厚度的AlGaAs下波导层3;
h)将温度保持700±20℃,通入AsH3气体后通入组分定义的TMAl气体,间隔1-5秒后停止通入TMAl气体且通入组分定义的TMGa气体,间隔1-10秒后停止通入AsH3气体及TMGa气体停止生长1-50s;
i)重复执行步骤h) 直至在AlGaAs下波导层3上生长出指定厚度的阱(AlxGa1-x)yIn1-yAs/垒(AlxGa1-x)yIn1-yAs的量子阱发光区4,其中0≤x,y≤1;
j)将温度保持700±20℃,通入AsH3气体后通入组分定义的TMAl气体,间隔1-5秒后停止通入TMAl气体且通入组分定义的TMGa气体,间隔1-10秒后停止通入AsH3气体及TMGa气体停止生长1-50s;
k)重复执行步骤j) 直至在量子阱发光区4上生长出指定厚度的AlGaAs上波导层5;
l)将温度升高到750±20℃,通入AsH3气体后通入组分定义的TMAl气体,间隔1-5秒后停止通入TMAl气体且通入组分定义的TMGa气体,间隔1-10秒后停止通入AsH3气体及TMGa气体停止生长1-50s;
m)中部执行步骤l)直至在AlGaAs上波导层5上生长指定厚度的AlxGayAs上限制层6,AlxGayAs中0≤x,y≤1;
n)将温度降低到550±20℃,通入AsH3气体后通入组分定义的TMAl气体,间隔1-5秒后停止通入TMAl气体且通入组分定义的TMGa气体,间隔1-10秒后停止通入AsH3气体及TMGa气体停止生长1-50s;
o)重复执行步骤n)直至在AlxGayAs上限制层6上生长指定厚度的GaAs帽层7,外延材料生长完毕后,利用常规LD封装工艺制作成品LD器件。
本发明的GaAs基大功率激光器制备方法通过改变生长模式,在生长GaAs低温缓冲层1、AlxGayAs下限制层2、AlGaAs下波导层3、量子阱发光区4、AlGaAs上波导层5、AlxGayAs上限制层6以及GaAs帽层7时均是先通入AsH3气体后通入组分定义的TMAl气体,间隔1-5秒后停止通入TMAl气体且通入组分定义的TMGa气体,间隔1-10秒后停止通入AsH3气体及TMGa气体停止生长1-50s。并且通过周期循环的方式达到每层生长的厚度要求。此结构能精确的以每周期一个单原子层来控制外延生长,外延表面更加原子级平整,外延层的厚度只决定于外延的周期数,解决化学气象生长的对温度、束流大小等敏感的问题,可以在较低的温度下生长高质量的薄膜材料,保证电流扩展和光学特性,提高了器件的可靠性、稳定性。
实施例1:
步骤a)中烘烤时的温度为800±20℃,烘烤时间为30分钟。
实施例2:
实施例3:
步骤e)中AlxGayAs下限制层2中AlGaAs掺杂浓度为1E17-5E18个原子/,AlxGayAs中0.3≤x≤0.5, 0.5≤y≤0.7。优选的,AlGaAs掺杂浓度为5E17个原子/,x为0.35,y为0.65,AlxGayAs下限制层2的厚度为0.3um。
实施例4:
实施例5:
实施例6:
步骤m)中AlGaAs上限制层6的AlGaAs掺杂浓度为1E17-5E18个原子/, AlxGayAs中0.3≤x≤0.5, 0.5≤y≤0.7。优选的AlGaAs掺杂浓度为5E17个原子/,AlxGayAs中x为0.35,y为0.65,AlGaAs上限制层6的厚度为0.3um。
实施例7:
优选的,MOCVD设备的压力为50-200mbar,GaAs低温缓冲层1、AlxGayAs下限制层2、AlGaAs下波导层3的掺杂源为Si2H6, AlGaAs上波导层5、AlxGayAs上限制层6以及GaAs帽层7的掺杂源为DEZn或CBr4。
实施例8:
优选的,H2气体的流量为8000-50000sccm,TMGa气体的纯度为99.9999%,TMGa的恒温槽温度为-5-15℃,TMAl气体的纯度为99.9999%,TMAl的恒温槽温度为10-28℃,AsH3气体的纯度为99.9999%。
Claims (10)
1.一种GaAs基大功率激光器制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
a)将GaAs衬底放置于MOCVD设备生长室内,在通入H2气体环境下烘烤,烘烤后通入AsH3气体,去除衬底表面水氧完成表面处理;
b)将温度降低至750±20℃,通入AsH3气体后通入组分定义的TMAl气体,间隔1-5秒后停止通入TMAl气体且通入组分定义的TMGa气体,间隔1-10秒后停止通入AsH3气体及TMGa气体停止生长1-50s;
c)重复执行步骤b)直至在衬底上生长出指定厚度的GaAs低温缓冲层(1);
d)将温度保持750±20℃,通入AsH3气体后通入组分定义的TMAl气体,间隔1-5秒后停止通入TMAl气体且通入组分定义的TMGa气体,间隔1-10秒后停止通入AsH3气体及TMGa气体停止生长1-50s;
e)重复执行步骤d)直至在GaAs低温缓冲层(1)上生长出指定厚度的AlxGayAs下限制层(2), AlxGayAs中0≤x,y≤1;
f)将温度降低至700±20℃,通入AsH3气体后通入组分定义的TMAl气体,间隔1-5秒后停止通入TMAl气体且通入组分定义的TMGa气体,间隔1-10秒后停止通入AsH3气体及TMGa气体停止生长1-50s;
g)重复执行步骤f) 直至在AlxGayAs下限制层(2)上生长出指定厚度的AlGaAs下波导层(3);
h)将温度保持700±20℃,通入AsH3气体后通入组分定义的TMAl气体,间隔1-5秒后停止通入TMAl气体且通入组分定义的TMGa气体,间隔1-10秒后停止通入AsH3气体及TMGa气体停止生长1-50s;
i)重复执行步骤h) 直至在AlGaAs下波导层(3)上生长出指定厚度的阱(AlxGa1-x)yIn1-yAs/垒(AlxGa1-x)yIn1-yAs的量子阱发光区(4),其中0≤x,y≤1;
j)将温度保持700±20℃,通入AsH3气体后通入组分定义的TMAl气体,间隔1-5秒后停止通入TMAl气体且通入组分定义的TMGa气体,间隔1-10秒后停止通入AsH3气体及TMGa气体停止生长1-50s;
k)重复执行步骤j) 直至在量子阱发光区(4)上生长出指定厚度的AlGaAs上波导层(5);
l)将温度升高到750±20℃,通入AsH3气体后通入组分定义的TMAl气体,间隔1-5秒后停止通入TMAl气体且通入组分定义的TMGa气体,间隔1-10秒后停止通入AsH3气体及TMGa气体停止生长1-50s;
m)中部执行步骤l)直至在AlGaAs上波导层(5)上生长指定厚度的AlxGayAs上限制层(6), AlxGayAs中0≤x,y≤1;
n)将温度降低到550±20℃,通入AsH3气体后通入组分定义的TMAl气体,间隔1-5秒后停止通入TMAl气体且通入组分定义的TMGa气体,间隔1-10秒后停止通入AsH3气体及TMGa气体停止生长1-50s;
o)重复执行步骤n)直至在AlxGayAs上限制层(6)上生长指定厚度的GaAs帽层(7),外延材料生长完毕后,利用常规LD封装工艺制作成品LD器件。
2.根据权利要求1所述的GaAs基大功率激光器制备方法,其特征在于:步骤a)中烘烤时的温度为800±20℃,烘烤时间为30分钟。
9.根据权利要求1所述的GaAs基大功率激光器制备方法,其特征在于:MOCVD设备的压力为50-200mbar,GaAs低温缓冲层(1)、AlxGayAs下限制层(2)、AlGaAs下波导层(3)的掺杂源为Si2H6, AlGaAs上波导层(5)、AlxGayAs上限制层(6)以及GaAs帽层(7)的掺杂源为DEZn或CBr4。
10.根据权利要求1所述的GaAs基大功率激光器制备方法,其特征在于:H2气体的流量为8000-50000sccm,TMGa气体的纯度为99.9999%,TMGa的恒温槽温度为-5-15℃,TMAl气体的纯度为99.9999%,TMAl的恒温槽温度为10-28℃,AsH3气体的纯度为99.9999%。
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