CN112072469A - 一种基于量子阱混杂有源区的半导体激光器及制备方法 - Google Patents

一种基于量子阱混杂有源区的半导体激光器及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于量子阱混杂有源区的半导体激光器，包括：N面电极、GaAs衬底、GaInP缓冲层、AlInP下限制层、AlGaInP下波导层、量子阱混杂有源区、AlGaInP上波导层、AlInP上限制层、介质薄膜、GaInP势垒层、GaAs欧姆接触层、P面电极，量子阱混杂有源区包括GaInP量子阱和AlGaInP量子垒。本发明通过对整个激光器材料结构的有源区进行量子阱混杂，在保证有源区应变变化较小的前提下实现对有源区能带结构的调整，将激光器输出波长蓝移变短，是一种利用GaInP材料实现短波长红光、黄光、橙光、绿光激光器的新结构，该激光器具有输出功率和光电转换效率高，可靠性好的特点。

Description

一种基于量子阱混杂有源区的半导体激光器及制备方法
技术领域
本发明属于半导体激光器技术领域，具体涉及一种基于量子阱混杂有源区的半导体激光器及制备方法。
背景技术
GaInP材料主要用于制作650nm-680nm波段的红光半导体激光器，此前该类器件常被用在光盘读写系统、条形码阅读器、激光打印等领域。但是更短波长的红光半导体激光器在生物医学、大气探测、自适应光学、激光显示、农业园艺、食品药品检测、塑料光纤通讯、高精度光谱学等领域都有着广泛的应用前景，之前所研究的红光激光器主要集中在650nm-680nm波段，随着大气天文探测、现代生物医学等领域对红光波段激光个性化定制的不断增多，充分发挥半导体激光器可连续定制波长、适于规模化生产、使用方便的天然优势，研制短波长激光器(630nm以内红光、橙光、黄光)成为半导体激光领域的一个重要发展方向。
大气光学研究中，通过对激光激发大气中圈层顶的钠原子发出共振荧光散射进行探测或成像，可开发高清晰天文成像、空间目标识别、激光武器等领域的重要应用。生物医学领域，利用激光激发多种荧光色素，可以快速测量分散细胞的一系列生物理化特征参量，广泛应用于临床医学、细胞学、微生物学、制药学、生殖学等领域。尽管激光技术自发明以来进步飞速，然而直到现在几乎还没有令人信服的简单易行的解决方案来产生小型化的短波长红光激光，只能通过红外激光倍频、拉曼激光器、双波长激光和频来实现该光波段的固体激光器以满足应用领域的迫切需求。
对GaInP半导体激光器而言，要实现630nm以内的短波长红光，当前可采用的方案主要有以下几种：
一是采用非常薄的压应变GaInP量子阱结构，通过计算表明要实现630nm以内输出波长，压应变量子阱厚度会小于3.2nm，太薄的增益区导致对应的透明载流子密度很高，使得激光器阈值电流过高，光电转换效率降低严重。
二是采用适合厚度的张应变GaInP量子阱结构，虽然理论上采用高Ga组分的张应变GaInP量子阱结构可以实现激光输出波长任意变短，但是由于GaInP量子阱结构是在GaAs衬底上外延生长而成，简单地增加GaInP量子阱的Ga组分并不能实现更短波长的半导体激光。张应变GaInP量子阱结构中，张应变GaInP量子阱和AlGaInP量子垒间窄的导带偏移量会导致有源层的电子溢出到限制层，使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更高的能量密度，更易产生腔面光学灾变损伤。
三是利用压力、温度调控GaInP量子阱的能带结构来改变激光器的输出波长，此方案也存在着附属设施太复杂，波长可调控范围有限，不适合现场使用的劣势。
鉴于通过以上方案来实现短波长激光器(630nm以内红光、橙光、黄光)成为具有相当难度的工作，本发明提出一种基于有源区量子阱混杂的红光半导体激光器，采用量子阱混杂方法，整体改变GaInP量子阱有源区的能带结构来实现更短波长发光器件。
量子阱混杂是在一定的环境条件下，通过某些技术手段促使量子阱结构中阱和垒的不同原子相互扩散，改变量子阱区的材料组分从而改变量子阱的物理宽度与禁带宽度，并带动材料的子带能态、光吸收、折射率等物理特性的相应变化。实现量子阱混杂的方法有多种，大体上有高温快速退火、离子注入、杂质扩散、无杂质空位扩散、激光诱导和耦合Ar等离子增强诱导混杂等。量子阱混杂工艺过程中可改变量子阱结构的带隙和带边，并且是在器件有源区层面内直接实现，其最明显的应用成果便是制作大功率半导体激光器的腔面非吸收窗口，抑制光学灾变损伤的发生，提高大功率半导体激光器的输出功率。同时采用量子阱混杂技术将是解决光子集成器件和光电子集成器件中各光电器件耦合问题的有力工具。
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量子阱混杂有源区的导体激光器及制备方法，设计好压应变或较小张应变GaInP量子阱结构，再基于有源区量子阱混杂，在保证有源区应变变化较小的前提下来实现输出波长的蓝移变短；该红光半导体激光器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：
一种基于量子阱混杂有源区的半导体激光器，所述激光器结构从下至上依次包括：N面电极1，GaAs衬底2，GaInP缓冲层3，AlInP下限制层4，AlGaInP下波导层5，量子阱混杂有源区6，AlGaInP上波导层7，AlInP上限制层8，介质薄膜9，GaInP势垒层10，GaAs欧姆接触层11，P面电极12，所述量子阱混杂有源区6包括量子阱和量子垒。
进一步地，所述量子阱混杂有源区6中量子阱的材料为GaInP材料，量子垒的材料为AlGaInP材料，量子阱的个数为1-10个，GaInP量子阱的厚度为2-12nm。
进一步，所述量子阱混杂有源区6中的GaInP量子阱具有小的张应变或压应变，应变的范围为-0.5％～2％，量子阱发光波长范围为610nm～786nm。
一种基于量子阱混杂有源区的半导体激光器制备方法，采用量子阱混杂工艺对激光器结构整个有源区进行量子阱混杂。
进一步地，所述量子阱混杂工艺采用离子注入，并在后续中结合快速热退火、低温长时间气氛保护退火工艺来调整混杂效果、改善有源区晶体品质、减少有源区非辐射复合中心，控制有源区中的GaInP量子阱区域的发光波长蓝移量。
本发明的有益效果是：本发明中，针对直接实现采用GaInP量子阱结构来实现630nm以内(红光、橙光、黄光)超短波长存在着量子阱混杂有源区张应变过大、量子阱材料缺陷密度过高的不利，采用基于量子阱混杂有源区来实现短波长GaInP半导体激光器。本技术方案中，利用量子阱混杂技术使得整个量子阱混杂有源区的发光波长蓝移变短，因为混杂过程是在准平衡状态下进行，对量子阱混杂有源区GaInP量子阱的应变影响较小，因而具有有源区的非辐射复合中心引入少，材料的光学质量高的特点。同时，由于量子阱混杂技术可以准确控制波长蓝移量，因此采用同一结构的激光器可以实现不同激光器输出波长的调谐，能降低不合格外延片的产生，具有节约成本的优势。本发明中，仅需对外延后的材料结构在正式进行器件制作工艺前引入量子阱混杂技术，因而和器件制作工艺兼容，工艺成本低的特点。
附图说明
图1是本发明一种基于量子阱混杂有源区的半导体激光器的结构示意图。
图2是本发明实施例中的一种基于量子阱混杂有源区的短波长GaInP半导体激光器的结构示意图。
图3是本发明实施例中的基于量子阱混杂有源区的短波长GaInP半导体激光器在N离子注入后不同退火时间下的光致发光光谱。
图中，1-N面电极，2-GaAs衬底，3-GaInP缓冲层，4-AlInP下限制层，5-AlGaInP下波导层，6-量子阱混杂有源区，7-AlGaInP上波导层，8-AlInP上限制层，9-介质薄膜，10-GaInP势垒层，11-GaAs欧姆接触层，12-P面电极。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明一种基于量子阱混杂有源区的半导体激光器，激光器结构从下至上依次为：N面电极1，GaAs衬底2，GaInP缓冲层3，AlInP下限制层4，AlGaInP下波导层5，量子阱混杂有源区(6)，AlGaInP上波导层7，AlInP上限制层8，介质薄膜9，GaInP势垒层10，GaAs欧姆接触层11，P面电极12，量子阱混杂有源区6包括量子阱和量子垒。
量子阱混杂有源区6中量子阱的材料为GaInP材料，量子垒的材料AlGaInP材料，量子阱的个数为1-10个，GaInP量子阱的厚度为2-12nm。
量子阱混杂有源区6中的GaInP量子阱具有小的张应变或压应变，应变的范围为-0.5％～2％，量子阱发光波长范围为610nm～786nm。
一种基于量子阱混杂有源区的半导体激光器制备方法，采用量子阱混杂工艺对激光器结构整个有源区进行量子阱混杂，而不是仅仅在非吸收窗口区域进行量子阱混杂。通过量子阱混杂工艺来实现有源区的禁带宽度调控，通过控制混杂工艺参数来实现GaInP量子阱区域的发光波长变短，理论上蓝移量可为1～80nm。
量子阱混杂工艺可以采用高温快速退火、离子注入、杂质扩散、无杂质空位扩散、激光诱导或等离子增强诱导混杂等多种方式进行，并在后续中结合快速热退火、低温长时间气氛保护退火等工艺来调整混杂效果、改善有源区晶体品质、减少有源区非辐射复合中心，控制有源区中的GaInP量子阱区域的发光波长蓝移量。
实施例
所图2所示，本发明实施例的基于量子阱混杂有源区的短波长GaInP半导体激光器的结构示意图。
在实施例中，半导体激光器外延结构采用MOCVD生长，材料结构从下至上依次为GaAs衬底、Ga0.51In0.49P缓冲层、Al0.5In0.5P下限制层、(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P下波导层、量子阱混杂有源区、(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P上波导层，Al0.5In0.5P上限制层，Ga0.5In0.5P势垒层，重掺杂GaAs欧姆接触层，量子阱混杂有源区包括张应变的Ga0.65In0.35P单量子阱和(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P量子垒。
对该激光器进行N离子注入，N离子的注入能量为40KeV，注入剂量为1e17 ions/cm2，注入完成后在氮气气氛下进行750℃下的快速热退火来诱导有源区量子阱混杂和实现离子注入后晶格修复。图3是N离子注入后的激光器在不同退火时间下的光致发光光谱。相比未退火时光致发光光谱峰值642nm，离子注入结合高温下的快速热退火诱导实现的量子阱混杂可使量子阱混杂有源区的光致发光蓝移，退火时间为60s、120s、180s、240s和300s时，峰值波长依次为：641nm，633nm，626nm，621nm，617nm。从图3可以看出，随着退火时间的增加，激光器的蓝移程度也逐渐增加，但是增加的幅度有所减小，并且在300s的退火时间时，获得25nm的最大蓝移。通过控制退火时间来实现GaInP量子阱区域的发光波长变短，退火时间从0s～300s，蓝移量为1～25nm。
分析认为由于注入的N离子与激光器表层中的晶格原子发生碰撞，导致晶格原子被撞离格点，从而产生大量Frenkel缺陷，随后在高温退火的过程中，大量的空位向材料内部移动，由于量子阱和量子垒间的不同原子存在浓度差，在缺陷的作用下，量子阱混杂有源区阱和垒中的Ⅲ族原子和Ⅴ族原子进行互相扩散，使得阱区和垒区的界面处带边发生弯曲，禁带宽度变大，从而导致发光波长变短，出现蓝移现象。N离子注入和退火之后，半导体激光器外延结构发光峰强度和半宽(FWHM)呈变差趋势，这是因为离子注入过程中在有源区会产生和遗留的晶体缺陷，再者混杂后GaInP量子阱中Ga组分升高、Al组分引入均会使得发光强度降低，通过快速热退火过程，有助于消除晶格缺陷，提高晶体品质。
量子阱混杂工艺完成后，即可按照常规的半导体激光器制作工艺完成光刻腐蚀、介质膜生长、金属蒸发、腔面镀膜、芯片封装及测试等环节。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于量子阱混杂有源区的半导体激光器，其特征在于，所述激光器结构从下至上依次包括：N面电极(1)，GaAs衬底(2)，GaInP缓冲层(3)，AlInP下限制层(4)，AlGaInP下波导层(5)，量子阱混杂有源区(6)，AlGaInP上波导层(7)，AlInP上限制层(8)，介质薄膜(9)，GaInP势垒层(10)，GaAs欧姆接触层(11)，P面电极(12)，所述量子阱混杂有源区(6)包括量子阱和量子垒。
2.根据权利要求1所述的一种基于量子阱混杂有源区的半导体激光器，其特征在于，所述量子阱混杂有源区(6)中量子阱的材料为GaInP材料，量子垒的材料为AlGaInP材料，量子阱的个数为1-10个，GaInP量子阱的厚度为2-12nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于量子阱混杂有源区的半导体激光器，其特征在于，所述量子阱混杂有源区(6)中的GaInP量子阱具有小的张应变或压应变，应变的范围为-0.5％～2％，量子阱发光波长范围为610nm～786nm。
4.一种基于量子阱混杂有源区的半导体激光器制备方法，其特征在于，采用量子阱混杂工艺对激光器结构整个有源区进行量子阱混杂。
5.根据权利要求4所述的一种基于量子阱混杂有源区的半导体激光器制备方法，其特征在于，所述量子阱混杂工艺采用离子注入，并在后续中结合快速热退火、低温长时间气氛保护退火工艺来调整混杂效果、改善有源区晶体品质、减少有源区非辐射复合中心，控制有源区中的GaInP量子阱区域的发光波长蓝移量。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113540977A (zh) * 2021-06-25 2021-10-22 西安理工大学 带有AlP载流子阻挡层的Ge/SiGe衬底黄光半导体激光器
CN114006267A (zh) * 2021-11-05 2022-02-01 中国科学院半导体研究所 波长6微米的激光器的有源区和激光器
CN114122914A (zh) * 2021-11-11 2022-03-01 中国科学院半导体研究所 激光器的制备方法及激光器
CN115632306A (zh) * 2022-09-30 2023-01-20 无锡市华辰芯光半导体科技有限公司 一种半导体激光器的制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103414107A (zh) * 2013-08-22 2013-11-27 中国科学院半导体研究所 利用量子阱混杂制作多波长光子集成发射器芯片的方法
CN109217108A (zh) * 2017-06-30 2019-01-15 中国科学院半导体研究所 利用杂质诱导混杂技术制作半导体激光器的方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103414107A (zh) * 2013-08-22 2013-11-27 中国科学院半导体研究所 利用量子阱混杂制作多波长光子集成发射器芯片的方法
CN109217108A (zh) * 2017-06-30 2019-01-15 中国科学院半导体研究所 利用杂质诱导混杂技术制作半导体激光器的方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
TAO LIN: "Study of N ions implantation induced quantum well intermixing in GaInP/AlGaInP quantum well structures", 《JOURNAL OF ALLOYS AND COMPOUNDS》 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113540977A (zh) * 2021-06-25 2021-10-22 西安理工大学 带有AlP载流子阻挡层的Ge/SiGe衬底黄光半导体激光器
CN114006267A (zh) * 2021-11-05 2022-02-01 中国科学院半导体研究所 波长6微米的激光器的有源区和激光器
CN114006267B (zh) * 2021-11-05 2023-10-13 中国科学院半导体研究所 波长6微米的激光器的有源区和激光器
CN114122914A (zh) * 2021-11-11 2022-03-01 中国科学院半导体研究所 激光器的制备方法及激光器
CN115632306A (zh) * 2022-09-30 2023-01-20 无锡市华辰芯光半导体科技有限公司 一种半导体激光器的制备方法
CN115632306B (zh) * 2022-09-30 2024-01-30 无锡市华辰芯光半导体科技有限公司 一种半导体激光器的制备方法

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