CN110854678B - 一种GaAs基大功率激光器制备方法 - Google Patents

一种GaAs基大功率激光器制备方法 Download PDF

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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

一种GaAs基大功率激光器制备方法
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，步骤c)中GaAs低温缓冲层的厚度为50-500nm。掺杂浓度为1E17-5E18个原子/ cm3。
进一步的，步骤e)中AlxGayAs下限制层中AlGaAs掺杂浓度为1E17-5E18个原子/cm3，AlxGayAs中0.3≤x≤0.5, 0.5≤y≤0.7。
进一步的，步骤g)中AlGaAs下波导层的厚度为0.5-2um，掺杂浓度为1E16-5E17个原子/ cm3。
进一步的，步骤i)中量子阱发光区的厚度为0.1-0.3um，掺杂浓度为1E18-5E18个原子/ cm3。
进一步的，步骤m)中AlGaAs上限制层的AlGaAs掺杂浓度为1E17-5E18个原子/cm3, AlxGayAs中0.3≤x≤0.5, 0.5≤y≤0.7。
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：
步骤c)中GaAs低温缓冲层1的厚度为50-500nm。掺杂浓度为1E17-5E18个原子/cm3。优选的，GaAs低温缓冲层1的厚度为100nm，掺杂浓度为1E18个原子/ cm3。
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/ cm3，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/ cm3，x为0.35，y为0.65，AlxGayAs下限制层2的厚度为0.3um。
实施例4：
步骤g)中AlGaAs下波导层3的厚度为0.5-2um，掺杂浓度为1E16-5E17个原子/cm3。优选的AlGaAs下波导层3的厚度为2um，掺杂浓度为1E17个原子/ cm3。
实施例5：
步骤i)中量子阱发光区4的厚度为0.1-0.3um，掺杂浓度为1E18-5E18个原子/cm3。优选的量子阱发光区4的厚度为0.1um，掺杂浓度为1.5E18个原子/ cm3。
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/ cm3,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/ cm3，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)重复执行步骤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。
3.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c)中GaAs低温缓冲层（1）的厚度为50-500nm，掺杂浓度为1E17-5E18个原子/cm3。
4.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e)中AlxGayAs下限制层（2）中AlGaAs掺杂浓度为1E17-5E18个原子/ cm3，AlxGayAs中0.3≤x≤0.5, 0.5≤y≤0.7。
5.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g)中AlGaAs下波导层（3）的厚度为0.5-2um，掺杂浓度为1E16-5E17个原子/ cm3。
6.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i)中量子阱发光区（4）的厚度为0.1-0.3um，掺杂浓度为1E18-5E18个原子/ cm3。
7.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k)中AlGaAs上波导层（5）的厚度为0.1-3um，掺杂浓度为1E18-5E18个原子/ cm3。
8.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m)中AlGaAs上限制层（6）的AlGaAs掺杂浓度为1E17-5E18个原子/ cm3, AlxGayAs中0.3≤x≤0.5, 0.5≤y≤0.7。
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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