CN114069388B - 一种基于GaAsP界面过渡层的小功率AlGaInP红光半导体激光器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于GaAsP界面过渡层的小功率AlGaInP红光半导体激光器及其制备方法。所述半导体器件由下至上依次包括GaAs衬底、GaAs缓冲层、GaAs1‑x1Px1下过渡层、下限制层、下波导层、第一量子阱、垒层、第二量子阱上波导层、第一上限制层、腐蚀终止层、第二上限制层、GaAs1‑x11Px11上过渡层和GaAs帽层。本发明还提供所述AlGaInP红光半导体激光器的制备方法。通过在GaAs过渡层生长界面上主动生长GaAsP过渡层，调整AsH3、PH3气流量比例，实现GaAs1‑xPx材料组份渐变生长，减少As/P气体切换引入的应力和缺陷，提高小功率AlGaInP红光半导体激光器使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于GaAsP界面过渡层的小功率AlGaInP红光半导体激光器件及其制备方法，属于光电子技术领域。
背景技术
AlGaInP红光半导体激光器具有价格低、寿命长的特点，在医疗美容、激光显示及工业测量等领域有着广泛的应用前景。在这些应用中，延长半导体激光器的使用寿命，提高器件的性能是人们在半导体激光器研究中不断追求的目标。因此，研究器件的可靠性对于改善器件性能，提高器件寿命有重要意义。
半导体激光器的失效主要分为突然失效和缓慢退化两种。突然失效主要是灾变性腔面损伤(COD)，指的是在输出功率较大时，腔面的光功率密度增大，高能量密度的光使腔面微区熔融、破裂，从而使器件完全失效。而对于输出功率小于100mW的小功率半导体激光器，腔面的光功率密度过大导致COD的影响较小，缓慢退化成为影响器件工作寿命的主要原因，工作过程中随着器件缓慢退化，阈值电流增大、微分量子效率降低。缓慢退化主要受材料生长质量、解离及封装过程的影响，半导体激光器在制备过程中引入的缺陷形成非辐射复合中心，增加了光吸收，使得阈值上升，量子效率下降，而非辐射复合又使能量转换成晶格振动使缺陷运动，最终造成体材料退化。在外延生长中产生的体材料缺陷主要分为三个部分：应力和晶格失配引入的缺陷、生长过程中碳氧等杂质引入的污染及衬底中缺陷的传播。
目前小功率AlGaInP红光半导体激光器提高使用寿命的研究主要集中在提高材料生长质量，减少污染及晶格失配造成的缺陷，而外延生长过程中为去除衬底表面氧化物，提供新鲜生长界面，减少缺陷点，通常需要生长GaAs过渡层，而GaAs过渡层到AlGaInP材料生长过程中，由于材料混合存在晶格常数、热膨胀系数不同等问题，外延生长中易出现岛状生长、高位错、高缺陷水平的问题，严重影响激光器光电特性。解决的方式主要包括：(1)低温生长减少位错及应力产生，但材料生长质量较差，碳氧等污染物控制不佳；(2)停止生长，加大As/P气体切换中气流量及时间，但长时间通入PH3会导致GaAs过渡层的再分解，导致表面粗糙，缺陷较多；(3)生长GaInP过渡层，在GaInP过渡层上生长AlGaInP材料，但As/P气体切换往往导致GaInAsP四元材料存在，影响材料生长，恶化界面生长质量，如图1所示。目前针对GaAs过渡层到AlGaInP材料生长过程中减少As/P气体切换引入应力及缺陷的研究相对较少。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种基于GaAsP界面过渡层的小功率AlGaInP红光半导体激光器件以及制备方法。
本发明通过在GaAs过渡层生长界面上主动生长GaAsP下过渡层，在上限制层和GaAs帽层之间生长上过渡层GaAsP；调整AsH3、PH3气流量比例，实现GaAs1-xPx材料组份变化，从而减少As/P气体切换引入的应力和缺陷，降低工作过程中缓慢退化的影响。提高小功率AlGaInP红光半导体激光器使用寿命，增加工作可靠性。
术语解释：
TMGa、TMAl、TMIn分别是指三甲基镓、三甲基铝、三甲基铟，与AsH3和PH3等都是外延生长使用的原材料。
掺杂浓度的表达举例：掺杂浓度5E17-3E18个原子/cm3是指掺杂浓度为5×1017-3×1018个原子/cm3。
本说明书中，GaAsP下过渡层与GaAs1-x1Px1下过渡层、下过渡层GaAs1-x1Px1具有同样的含义；GaAsP上过渡层与GaAs1-x11Px11上过渡层、上过渡层GaAs1-x11Px11具有同样的含义。
MOCVD：是金属有机化合物化学气相淀积的缩写。
本发明的技术方案如下：
第一个方面，本发明提供了一种基于GaAsP界面过渡层的小功率AlGaInP红光半导体激光器。重点在于As/P界面掺入GaAsP生长，优化界面。
一种小功率AlGaInP红光半导体激光器件，由下至上依次包括衬底、GaAs过渡层、下过渡层、下限制层、下波导层、第一量子阱、垒层、第二量子阱、渐变上波导层、第一上限制层、腐蚀终止层、第二上限制层、上过渡层和GaAs帽层；其中，
所述下过渡层为GaAs1-x1Px1，0≤x1≤0.15，且组分渐变，x1由低值向高值渐变；
所述上过渡层为GaAs1-x11Px11，0≤x11≤0.15，且组分渐变，x11由高值向低值渐变。
进一步地，所述下过渡层为N型GaAs1-x1Px1，掺杂浓度为1E18-3E18个原子/cm3；厚度为0.05-0.3μm。优选的，N型GaAs1-x1Px1下过渡层的掺杂浓度为2E18个原子/cm3；下过渡层厚度为0.05μm。
进一步地，所述上过渡层为P型GaAs1-x11Px11，掺杂浓度为1E18-3E18个原子/cm3；厚度为0.01-0.05μm。优选的，掺杂浓度为2E18个原子/cm3；上过渡层厚度为0.02μm。
根据本发明优选的，所述AlGaInP红光半导体激光器件中，包括下列条件之一种或多种：
所述衬底是GaAs衬底；
所述下限制层为(Al1-x2Gax2)y1In1-y1P，0≤x2≤0.3，0.4≤y1≤0.6；进一步优选的，0.05≤x2≤0.3，0.4≤y1≤0.6；
所述下波导层为(Al1-x3Gax3)y2In1-y2P，0≤x3≤0.6，0.4≤y2≤0.6；进一步优选的，0.05≤x3≤0.6，0.4≤y2≤0.6；
所述第一量子阱为Ga1-x4Inx4P，0.3≤x4≤0.7；
所述垒层是(Al1-x5Gax5)y3In1-y3P，0.25≤x5≤0.7，0.4≤y3≤0.6；
所述第二量子阱为Ga1-x6Inx6P，0.3≤x6≤0.7；
所述上波导层为(Al1-x7Gax7)y4In1-y4P，0≤x7≤0.6，0.4≤y4≤0.6；进一步优选的，0.05≤x7≤0.6，0.4≤y4≤0.6；
所述第一上限制层为(Al1-x8Gax8)y5In1-y5P，0≤x8≤0.3，0.4≤y5≤0.6；进一步优选的，0.05≤x8≤0.3，0.4≤y5≤0.6；
所述腐蚀终止层为Ga1-x9Inx9P，0.5≤x9≤0.7；
所述第二上限制层为(Al1-x10Gax10)y6In1-y6P，0.05≤x10≤0.3，0.4≤y6≤0.6。
根据本发明优选的，所述下过渡层GaAs1-x1Px1的x1选自下列之一种：
A.0≤x1≤0.08，且x1由0渐变至0.08；
B.0.01≤x1≤0.05，且x1由0.01渐变至0.05；
C.0≤x1≤0.1，且x1由0渐变至0.1；
D.0.05≤x1≤0.15，且x1由0.05渐变至0.15；
E.0≤x1≤0.15，且x1由0渐变至0.15。
根据本发明优选的，所述上过渡层GaAs1-x11Px11的x11选自下列之一种：
A.0≤x11≤0.08，且x11由0.08渐变至0；
B.0.01≤x11≤0.05，且x11由0.05渐变至0.01；
C.0≤x11≤0.1，且x11由0.1渐变至0；
D.0.05≤x11≤0.15，且x11由0.15渐变至0.05；
E.0≤x11≤0.15，且x11由1.5渐变至0。
根据本发明优选的，所述下波导层是渐变下波导层，(Al1-x3Gax3)y2In1-y2P中Al、Ga组分渐变，x3由低值渐变至高值。
根据本发明优选的，所述上波导层是渐变上波导层，(Al1-x7Gax7)y4In1-y4P中Al、Ga组分渐变，x7由高值渐变至低值。
进一步地，所述下限制层为N型(Al1-x2Gax2)y1In1-y1P，掺杂浓度为5E17-2E18个原子/cm3。
进一步地，所述第一上限制层为P型(Al1-x8Gax8)y5In1-5P，掺杂浓度为5E17-1.5E18个原子/cm3。
进一步地，所述腐蚀终止层为P型Ga1-x9Inx9P，掺杂浓度为5E17-3E18个原子/cm3。
进一步地，所述第二上限制层为P型(Al1-x10Gax10)y6In1-y6P，掺杂浓度为5E17-1.5E18个原子/cm3。
本发明中所述的N型GaAs1-x1Px1、N型(Al1-x2Gax2)y1In1-y1P的掺杂元素优选为Si；本发明中所述的P型(Al1-x8Gax8)y5In1-5P、P型(Al1-x10Gax10)y6In1-y6P、P型GaAs1-x11Px11的掺杂元素优选为Mg。
第二方面，本发明提供了一种基于GaAsP界面过渡层的小功率AlGaInP红光半导体激光器件的制备方法，包括在MOCVD生长室内对GaAs衬底进行表面热处理，然后由下至上依次外延生长GaAs过渡层、下过渡层、限制层、下波导层、第一量子阱、垒层、第二量子阱、渐变上波导层、第一上限制层、腐蚀终止层、第二上限制层、上过渡层和GaAs帽层；其中，
在GaAs过渡层上生长GaAs1-x1Px1下过渡层的条件是：生长温度660-700℃，通入TMGa、AsH3和PH3，调整AsH3、PH3气流量比例，使x1由低值开始渐变至高值；
在所述第二上限制层上生长GaAs1-x11Px11上过渡层的条件是：生长温度660-700℃，通入TMGa、AsH3和PH3，调整AsH3、PH3气流量比例，使x11由高值开始渐变至低值。
更为详细的，一种优选的实施方式如下：
一种基于GaAsP界面过渡层的小功率AlGaInP红光半导体激光器件的制备方法，包括步骤：
S1：将GaAs衬底放在MOCVD设备生长室内，H2环境升温到720±10℃烘烤，并通入AsH3，对GaAs衬底进行表面热处理；
S2：将温度缓降至生长温度660-700℃，降温速度不小于20℃/min，通入TMGa和AsH3，在GaAs衬底上生长GaAs过渡层；
S3：保持生长温度660-700℃，通入TMGa、AsH3和PH3，在GaAs过渡层上生长GaAs1- x1Px1下过渡层；通过调整AsH3、PH3气流量比例，实现GaAs1-x1Px1材料组份变化，x1由低值开始渐变至高值；
S4：温度缓变至生长温度680-730℃，升温速度不大于60℃/min,通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在所述下过渡层上生长(Al1-x2Gax2)y1In1-y1P下限制层；
S5：温度缓变到生长温度620-680℃，通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在所述下限制层上生长(Al1-x3Gax3)y2In1-y2P下波导层；
S6：温度保持在620-680℃，通入TMIn、TMGa和PH3，在所述下波导层上生长Ga1- x4Inx4P第一量子阱；
S7：温度保持在620-680℃，通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在所述第一量子阱上生长(Al1-x5Gax5)y3In1-y3P垒层；
S8：温度保持在620-680℃，通入TMIn、TMGa和PH3，在所述垒层上生长Ga1-x6Inx6P第二量子阱；
S9：温度缓变至680-730℃，通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在所述第二量子阱上生长(Al1-x7Gax7)y4In1-y4P上波导层；
S10：温度保持在680-730℃，通入TMIn、TMAl、TMGa和PH3，在所述上波导层上生长(Al1-x8Gax8)y5In1-5P第一上限制层；
S11：温度保持在680-730℃，通入TMIn、TMGa和PH3，在所述第一上限制层上生长Ga1-x9Inx9P腐蚀终止层；
S12：温度保持在680-730℃，通入TMIn、TMAl、TMGa和PH3，在所述腐蚀终止层上生长(Al1-x10Gax10)y6In1-y6P第二上限制层；
S13：温度渐变至660-700℃，通入TMGa、AsH3和PH3，在所述(Al1-x10Gax10)y6In1-y6P第二上限制层上生长GaAs1-x11Px11上过渡层；通过调整AsH3、PH3气流量比例，实现GaAs1-x11Px11材料组份变化，使x11组分由高值开始渐变至低值；
S14：将温度降低，使生长温度保持在530-570℃，通入TMGa和AsH3，在所述上过渡层上生长GaAs帽层。
本发明的制备方法中，各步骤中涉及升降温时，注意控制降温速度不小于20℃/min，优选30-50℃/min；升温速度不大于60℃/min，优选40-60℃/min。
进一步地，所述下过渡层为N型GaAs1-x1Px1，掺杂浓度为1E18-3E18个原子/cm3。所述下限制层为N型(Al1-x2Gax2)y1In1-y1P，掺杂浓度为5E17-2E18个原子/cm3。
进一步地，所述第一上限制层为P型(Al1-x8Gax8)y5In1-5P，掺杂浓度为5E17-1.5E18个原子/cm3。所述腐蚀终止层为P型Ga1-x9Inx9P，掺杂浓度为5E17-3E18个原子/cm3。所述第二上限制层为P型(Al1-x10Gax10)y6In1-y6P，掺杂浓度为5E17-1.5E18个原子/cm3。所述上过渡层为P型GaAs1-x11Px11，掺杂浓度为1E18-3E18个原子/cm3。掺杂元素是为了实现更小的电离能，从而产生电子实现发光。
根据本发明的方法，优选的条件为下列之一种或几种：
步骤S3中，所述GaAs1-x1Px1下过渡层的厚度为0.05-0.3μm。优选的，N型GaAs1-x1Px1下过渡层的掺杂浓度为2E18个原子/cm3。
步骤S4中，(Al1-x2Gax2)y1In1-y1P下限制层的厚度为0.5-1.5μm；进一步优选的，所述N型(Al1-x2Gax2)y1In1-y1P下限制层的x2＝0，y1＝0.5，厚度为1.0μm，掺杂浓度为1E18个原子/cm3。
步骤S5中，所述下波导层是渐变下波导层，通过调整通入反应室的TMAl、TMGa流量变化，实现(Al1-x3Gax3)y2In1-y2P中Al、Ga组分的线性渐变，即x3由低值开始渐变至低值，最高不超过0.6。步骤S5中，(Al1-x3Gax3)y2In1-y2P下波导层的厚度为0.05-0.15μm，非故意掺杂；进一步优选的，所述下波导层(Al1-x3Gax3)y2In1-y2P中，x3由0.05渐变至0.55，y2＝0.5，下波导层厚度为0.12μm。
步骤S6中，所述Ga1-x4Inx4P第一量子阱的厚度为4-7nm，非故意掺杂，0.3≤x4≤0.7；进一步优选的，x4＝0.4，厚度为5nm。
步骤S7中，(Al1-x5Gax5)y3In1-y3P垒层的厚度为5-15nm，非故意掺杂，0.25≤x5≤0.7，0.4≤y3≤0.6；进一步优选的，x5＝0.65，y3＝0.5，厚度为10nm。
步骤S8中，所述Ga1-x6Inx6P第二量子阱的厚度为4-7nm，非故意掺杂，0.3≤x6≤0.7进一步优选的，x6＝0.4，厚度为5nm。
步骤S9中，所述上波导层是(Al1-x7Gax7)y4In1-y4P渐变上波导层，x7由高值渐变至低值。厚度为0.05-0.15μm，0.05≤x7≤0.6，0.4≤y4≤0.6。上波导层非故意掺杂或部分掺杂。所述部分掺杂优选为掺杂1/2厚度、3/4厚度、5/8厚度之一种，掺杂浓度为3E17-5E17个原子/cm3。进一步优选的，x7由0.5渐变至0.15，y4＝0.5，厚度为0.1μm，掺杂1/2厚度，掺杂浓度为4E17个原子/cm3。
步骤S10中，所述第一上限制层为P型(Al1-x8Gax8)y5In1-y5P，厚度为0.05-0.25μm，掺杂浓度为5E17-1E18个原子/cm3，0.05≤x8≤0.3，0.4≤y5≤0.6；进一步优选的，x8＝0，y5＝0.5，厚度为0.2μm。掺杂浓度为4E17个原子/cm3。
步骤S11中，所述腐蚀终止层为P型Ga1-x9Inx9P的厚度为0.005-0.05μm，掺杂浓度为5E17-1.2E18个原子/cm3，0.4≤x9≤0.6；进一步优选的，x9＝0.6，厚度为0.01μm，掺杂浓度为1E18个原子/cm3。
步骤S12中，所述第二上限制层为P型(Al1-x10Gax10)y6In1-y6P，厚度为0.5-1.2μm，掺杂浓度为5E17-1.5E18个原子/cm3，0.05≤x10≤0.3，0.4≤y6≤0.6。进一步优选的，x10＝0，y6＝0.5，厚度为0.7μm。掺杂浓度为8E17个原子/cm3。
步骤S13中，所述上过渡层为P型GaAs1-x11Px11，厚度为0.01-0.05μm，掺杂浓度为1E18-3E18个原子/cm3；进一步所优选的，x11由0.08渐变至0。上过渡层厚度为0.02μm，掺杂浓度为2E18个原子/cm3。
步骤S14中，所述GaAs帽层的厚度为0.1-0.5μm，掺杂浓度为4E19-1E20个原子/cm3；进一步优选的，厚度为0.2μm，掺杂浓度为7E19个原子/cm3。
本发明方法中使用的MOCVD设备等均为现有技术。方法中没有特别限定的均可按现有技术。本发明中所述的组分渐变均为线性渐变，也可以是曲线渐变。
本发明的技术特点及有益效果：
本发明提供一种基于GaAsP界面过渡层的小功率AlGaInP红光半导体激光器，通过在GaAs过渡层生长界面上主动生长GaAsP过渡层，主动消耗As/P气体，建立组分可控的过渡层材料，并设计GaAs1-x1Px1下过渡层、GaAs1-x11Px11上过渡层中x1和x11组分渐变，调整AsH3和PH3气流量比例，实现分别x1和x11组分由0渐变至0.15、由0.15渐变至0，从而利用GaAsP材料实现As/P气体切换，减少As/P气体切换引入的应力和缺陷，提高As/P界面处理能力，减少生长过程中界面缺陷的产生，降低应力，提高材料生长质量，提高小功率AlGaInP红光半导体激光器使用寿命，增加激光器工作可靠性。
附图说明
图1是现有技术中，在GaAs过渡层上生长GaInP过渡层，在GaInP过渡层上生长AlGaInP材料，图1中黑色部分是下限制层AlInP。As/P气体切换导致GaInAsP四元材料存在，产生张应变，导致界面粗糙，如图1箭头所示，存在界面缺陷。
图2是本发明所述激光器件的结构示意图；其中，1为GaAs衬底、2为GaAs缓冲层、3为GaAs1-x1Px1下过渡层、4为(Al1-x2Gax2)y1In1-y1P下限制层、5为(Al1-x3Gax3)y2In1-y2P渐变下波导层、6为Ga1-x4Inx4P第一量子阱、7为(Al1-x5Gax5)y3In1-y3P垒层、8为Ga1-x6Inx6P第二量子阱、9为(Al1-x7Gax7)y4In1-y4P渐变上波导层、10为(Al1-x8Gax8)y5In1-y5P第一上限制层、11为Ga1- x9Inx9P腐蚀终止层、12为(Al1-x10Gax10)y6In1-y6P第二上限制层、13为GaAs1-x11Px11上过渡层和14为GaAs帽层。
图3是本发明实施例1小功率AlGaInP红光半导体激光器的下过渡层照片，图中黑色部分为(Al1-x2Gax2)y1In1-y1P下限制层。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步描述，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些实施例获得其他的实施方案，均应在本申请保护范围内。实施例中的组分渐变是按线性渐变进行的。
实施例1：
一种AlGaInP红光半导体激光器件，由下至上依次包括GaAs衬底、GaAs过渡层、下过渡层N型GaAs1-x1Px1、下限制层N型(Al1-x2Gax2)y1In1-y1P、渐变下波导层(Al1-x3Gax3)y2In1- y2P、第一量子阱、垒层、第二量子阱、渐变上波导层P型(Al1-x7Gax7)y4In1-y4P、第一上限制层P型(Al1-x8Gax8)y5In1-5P、腐蚀终止层P型Ga1-x9Inx9P、第二上限制层P型(Al1-x10Gax10)y6In1-y6P、上过渡层P型GaAs1-x11Px11和GaAs帽层；其制备方法包括步骤：
S1，将GaAs衬底放在MOCVD设备生长室内，H2环境升温到720±10℃烘烤，并通入AsH3，对GaAs衬底进行表面热处理；
S2，将温度缓降到680±10℃，降温速度40-50℃/min,继续通入TMGa和AsH3，在GaAs衬底上生长GaAs过渡层；
S3,温度保持在680±10℃，通入TMGa、AsH3和PH3，在GaAs过渡层上生长N型GaAs1- x1Px1下过渡层；调整AsH3和PH3气流量比例，实现组分渐变使x1由0渐变至0.08，所述GaAs1- x1Px1渐变下过渡层的掺杂浓度为2E18个原子/cm3，厚度为0.05μm；掺杂元素为Si。
S4,温度缓变至700±10℃，升温速度不大于60℃/min,通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在所述下过渡层上生长N型(Al1-x2Gax2)y1In1-y1P下限制层，x2＝0，y1＝0.5，厚度为1.0μm，掺杂浓度为1E18个原子/cm3。
S5,温度缓变到650±10℃，通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在所述下限制层上生长(Al1-x3Gax3)y2In1-y2P渐变下波导层；x3由0.05渐变至0.55，y2＝0.5，厚度为0.12μm；通过调整通入反应室的TMAl、TMGa流量变化，实现(Al1-x3Gax3)y2In1-y2P中Al、Ga组分的线性渐变。
S6,温度保持在650±10℃，继续通入TMIn、TMGa和PH3，在所述下波导层上生长Ga1-x4Inx4P第一量子阱；x4＝0.4，厚度为5nm。
S7,温度保持在650±10℃，通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在所述第一量子阱上生长(Al1-x5Gax5)y3In1-y3P垒层；，x5＝0.65，y3＝0.5，厚度为10nm。
S8,温度保持在650±10℃，继续通入TMIn、TMGa和PH3，在所述垒层上生长Ga1- x6Inx6P第二量子阱；x4＝0.4，厚度为5nm。
S9,温度缓变至700±10℃，继续通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在所述第二量子阱上生长P型(Al1-x7Gax7)y4In1-y4P渐变上波导层；x7由0.5渐变至0.15，y4＝0.5，厚度为0.1μm，掺杂1/2厚度，掺杂浓度为4E17个原子/cm3。掺杂Mg。
S10，温度保持在700±10℃，继续通入TMIn、TMAl、TMGa和PH3，在所述上波导层上生长P型(Al1-x8Gax8)y5In1-5P第一上限制层；x8＝0，y5＝0.5，厚度为0.2μm，掺杂浓度为4E17个原子/cm3。
S11，温度保持在700±10℃，继续通入TMIn、TMGa和PH3，在所述第一上限制层上生长P型Ga1-x9Inx9P腐蚀终止层；x9＝0.6，厚度为0.01μm，掺杂浓度为1E18个原子/cm3。
S12,温度保持在700±10℃，继续通入TMIn、TMAl、TMGa和PH3，在所述腐蚀终止层上生长P型(Al1-x10Gax10)y6In1-y6P第二上限制层；x10＝0，y6＝0.5，厚度为0.7μm，掺杂浓度为8E17个原子/cm3。
S13，温度渐变至680±10℃，通入TMGa、AsH3和PH3，在所述P型(Al1-x10Gax10)y6In1- y6P第二上限制层上生长P型GaAs1-x11Px11上过渡层；x11由0.08渐变至0，厚度为0.02μm，掺杂浓度为2E18个原子/cm3。
S14,将温度降低到540±10℃，继续通入TMGa和AsH3，在所述上过渡层上生长GaAs帽层；厚度为0.2μm，参照前文掺杂浓度为7E19个原子/cm3。
本实施例制备的激光器是基于GaAsP界面过渡层的小功率红光激光器，输出波长为645-653nm,最大功率为60mW。工作稳定性：70℃-168h(小时)工作电流变化率小于3％。
实施例2：
一种AlGaInP红光半导体激光器件的制备方法，包括步骤：
S1，将GaAs衬底放在MOCVD设备生长室内，H2环境升温到730±10℃烘烤，并通入AsH3，对GaAs衬底进行表面热处理；
S2，将温度缓降到670±10℃，降温速度30-35℃/min,继续通入TMGa和AsH3，在GaAs衬底上生长GaAs过渡层；
S3,温度保持在670±10℃，通入TMGa、AsH3和PH3，在GaAs过渡层上生长GaAs1-x1Px1下过渡层；调整AsH3和PH3气流量比例，实现组分渐变使x1由0.05渐变至0.01，所述GaAs1- x1Px1渐变下过渡层的掺杂元素为Si，掺杂浓度为3E18个原子/cm3，0.05≤x1≤0.15，厚度为0.02μm。参照前文修改部分
S4,温度缓变至710±10℃，升温速度不大于40℃/min,通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在所述下过渡层上生长n型(Al1-x2Gax2)y1In1-y1P下限制层，x2＝0.05，y1＝0.5，厚度为1.0μm，掺杂浓度为1E18个原子/cm3。
S5,温度缓变到640±10℃，通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在所述下限制层上生长(Al1-x3Gax3)y2In1-y2P渐变下波导层；x3由0.05渐变至0.45，y2＝0.5，厚度为0.12μm。
S6,温度保持在650±10℃，继续通入TMIn、TMGa和PH3，在所述下波导层上生长Ga1-x4Inx4P第一量子阱；x4＝0.4，厚度为5nm。
S7,温度保持在650±10℃，通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在所述第一量子阱上生长(Al1-x5Gax5)y3In1-y3P垒层；，x5＝0.6，y3＝0.5，厚度为8nm。
S8,温度保持在650±10℃，继续通入TMIn、TMGa和PH3，在所述垒层上生长Ga1- x6Inx6P第二量子阱；x4＝0.4，厚度为5nm。
S9,温度缓变至710±10℃，继续通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在所述第二量子阱上生长(Al1-x7Gax7)y4In1-y4P渐变上波导层；x7由0.5渐变至0.1，y4＝0.5，厚度为0.1μm，波导层非掺或掺杂二分之一厚度，掺杂浓度为4E17个原子/cm3。
S10，温度保持在710±10℃，继续通入TMIn、TMAl、TMGa和PH3，在所述上波导层上生长P型(Al1-x8Gax8)y5In1-5P第一上限制层；x8＝0.05，y5＝0.5，厚度为0.15μm，掺杂浓度为7E17个原子/cm3。
S11，温度保持在710±10℃，继续通入TMIn、TMGa和PH3，在所述第一上限制层上生长P型Ga1-x9Inx9P腐蚀终止层；x9＝0.6，厚度为0.008μm，掺杂浓度为1.5E18个原子/cm3。
S12,温度保持在710±10℃，继续通入TMIn、TMAl、TMGa和PH3，在所述腐蚀终止层上生长P型(Al1-x10Gax10)y6In1-y6P第二上限制层；x10＝0.05，y6＝0.5，厚度为0.7μm，掺杂浓度为7E17个原子/cm3。
S13，温度渐变至670±10℃，通入TMGa、AsH3和PH3，在所述P型(Al1-x10Gax10)y6In1- y6P第二上限制层上生长GaAs1-x11Px11上过渡层；x11由0.1渐变至0.05，厚度为0.02μm，掺杂浓度为2E18个原子/cm3。
S14,将温度降低到540±10℃，继续通入TMGa和AsH3，在所述上过渡层上生长GaAs帽层；厚度为0.25μm，掺杂浓度为5E19个原子/cm3。
作为对比，现有技术中，在GaAs过渡层上生长GaInP过渡层，在GaInP过渡层上生长AlGaInP材料，如图1所示，图1中黑色部分是下限制层AlInP。As/P气体切换导致GaInAsP四元材料存在，产生较大应变，组分不可控，存在界面缺陷(如图1中箭头所示)。较大张应变影响材料生长，恶化界面生长质量。工作过程中材料缓慢退化将影响激光器的工作稳定性和使用寿命。
Claims (14)
1.一种小功率AlGaInP红光半导体激光器件，由下至上依次包括衬底、GaAs过渡层、下过渡层、下限制层、下波导层、第一量子阱、垒层、第二量子阱、渐变上波导层、第一上限制层、腐蚀终止层、第二上限制层、上过渡层和GaAs帽层；其特征在于，
所述下过渡层为GaAs1-x1Px1，0≤x1≤0.15，且组分渐变，x1由低值向高值渐变；
所述上过渡层为GaAs1-x11Px11， 0≤x11≤0.15，且组分渐变，x11由高值向低值渐变。
2.如权利要求1所述的小功率AlGaInP红光半导体激光器件，其特征在于，所述下过渡层为N型GaAs1-x1Px1，掺杂浓度为1E18-3E18个原子/cm3；厚度为0.05-0.3μm。
3.如权利要求1所述的小功率AlGaInP红光半导体激光器件，其特征在于，所述上过渡层为P型GaAs1-x11P x11，掺杂浓度为1E18-3E18个原子/cm3；厚度为0.01-0.05μm。
4.如权利要求1所述的小功率AlGaInP红光半导体激光器件，其特征在于，所述下过渡层的厚度为0.05-0.3μm。
5.如权利要求1所述的小功率AlGaInP红光半导体激光器件，其特征在于，所述上过渡层的厚度为0.01-0.05μm。
6.如权利要求1所述的小功率AlGaInP红光半导体激光器件，其特征在于，所述AlGaInP红光半导体激光器件中，包括下列条件之一种或多种：
Ⅰ.所述衬底是GaAs衬底；
Ⅱ.所述下限制层为（Al1-x2Gax2）y1In1-y1P ，0.05≤x2≤0.3，0.4≤y1≤0.6；
Ⅲ.所述下波导层为（Al1-x3Gax3）y2In1-y2P ，0.05≤x3≤0.6，0.4≤y2≤0.6；
Ⅳ.所述第一量子阱为Ga1-x4Inx4P，0.3≤x4≤0.7；
Ⅴ.所述垒层是（Al1-x5Gax5）y3In1-y3P ，0.25≤x5≤0.7，0.4≤y3≤0.6；
Ⅵ.所述第二量子阱为Ga1-x6Inx6P，0.3≤x6≤0.7；
Ⅶ.所述上波导层为（Al1-x7Gax7）y4In1-y4P ，0.05≤x7≤0.6，0.4≤y4≤0.6；
Ⅷ.所述第一上限制层为（Al1-x8Gax8）y5In1-y5P ，0.05≤x8≤0.3，0.4≤y5≤0.6；
Ⅸ.所述腐蚀终止层为Ga1-x9Inx9P，0.5≤x9≤0.7；
Ⅹ.所述第二上限制层为（Al1-x10Gax10）y6In1-y6P ，0.05≤x10≤0.3，0.4≤y6≤0.6。
7.如权利要求1所述的小功率AlGaInP红光半导体激光器件，其特征在于，所述下过渡层GaAs1-x1Px1中的x1选自下列之一种：
A. 0≤x1≤0.08，且x1由0渐变至0.08；
B. 0.01≤x1≤0.05，且x1由0.01渐变至0.05；
C. 0≤x1≤0.1，且x1由0渐变至0.1；
D. 0.05≤x1≤0.15，且x1由0.05渐变至0.15；
E. 0≤x1≤0.15，且x1由0渐变至0.15。
8.如权利要求1所述的小功率AlGaInP红光半导体激光器件，其特征在于，所述上过渡层GaAs1-x11Px11的x11选自下列之一种：
A. 0≤x11≤0.08，且x11由0.08渐变至0；
B.0.01≤x11≤0.05，且x11由0.05渐变至0.01；
C. 0≤x11≤0.1，且x11由0.1渐变至0；
D. 0.05≤x11≤0.15，且x11由0.15渐变至0.05；
E. 0≤x11≤0.15，且x11由1.5渐变至0。
9.如权利要求1所述的小功率AlGaInP红光半导体激光器件，其特征在于，所述下波导层是渐变下波导层，（Al1-x3Gax3）y2In1-y2P中Al、Ga组分渐变， x3由低值渐变至高值；所述上波导层是渐变上波导层，（Al1-x7Gax7）y4In1-y4P中Al、Ga组分渐变，x7由高值渐变至低值。
10.如权利要求1所述的小功率AlGaInP红光半导体激光器件，其特征在于，所述AlGaInP红光半导体激光器件中，包括下列条件之一种或多种：
i.所述下限制层为N型（Al1-x2Gax2）y1In1-y1P，掺杂浓度为5E17-2E18个原子/cm3；
ii.所述第一上限制层为P型（Al1-x8Gax8）y5In1-5P，掺杂浓度为5E17-1.5E18个原子/cm3；
iii.所述腐蚀终止层为P型Ga1-x9Inx9P，掺杂浓度为5E17-3E18个原子/cm3；
iv.所述第二上限制层为P型（Al1-x10Gax10）y6In1-y6P，掺杂浓度为5E17-1.5E18个原子/cm3。
11.一种权利要求1所述的小功率AlGaInP红光半导体激光器件的制备方法，包括在MOCVD设备生长室内对GaAs衬底进行表面热处理，其特征在于：由下至上依次外延生长GaAs过渡层、下过渡层、限制层、下波导层、第一量子阱、垒层、第二量子阱、渐变上波导层、第一上限制层、腐蚀终止层、第二上限制层、上过渡层和GaAs帽层；
在GaAs过渡层上生长GaAs1-x1Px1下过渡层的条件是：生长温度660-700℃，通入TMGa、AsH3和PH3，调整AsH3、PH3气流量比例，使x1由低值开始渐变至高值；
在所述第二上限制层上生长GaAs1-x11Px11上过渡层的条件是：生长温度660-700℃，通入TMGa、AsH3和PH3，调整AsH3、PH3气流量比例，使x11由高值开始渐变至低值。
12.如权利要求11所述的小功率AlGaInP红光半导体激光器件的制备方法，其特征在于包括步骤：
S1：将GaAs衬底放在MOCVD设备生长室内，H2环境升温到720±10℃烘烤，并通入AsH3，对GaAs衬底进行表面热处理；
S2：将温度缓降至生长温度660-700℃，降温速度不小于20℃/min，通入TMGa和AsH3，在GaAs衬底上生长GaAs过渡层；
S3：保持生长温度660-700℃，通入TMGa、AsH3和PH3，在GaAs过渡层上生长GaAs1-x1Px1下过渡层；通过调整AsH3、PH3气流量比例，实现GaAs1-x1Px1材料组份变化，x1由低值开始渐变至高值；
S4： 温度缓变至生长温度680-730℃，升温速度不大于60℃/min,通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在所述下过渡层上生长（Al1-x2Gax2）y1In1-y1P下限制层；
S5： 温度缓变到生长温度620-680℃，通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在所述下限制层上生长（Al1-x3Gax3）y2In1-y2P下波导层；
S6： 温度保持在620-680℃，通入TMIn、TMGa和PH3，在所述下波导层上生长Ga1-x4Inx4P第一量子阱；
S7： 温度保持在620-680℃，通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在所述第一量子阱上生长（Al1-x5Gax5）y3In1-y3P垒层；
S8： 温度保持在620-680℃，通入TMIn、TMGa和PH3，在所述垒层上生长Ga1-x6Inx6P第二量子阱；
S9：温度缓变至680-730℃，通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在所述第二量子阱上生长（Al1-x7Gax7）y4In1-y4P上波导层；
S10：温度保持在680-730℃，通入TMIn、TMAl、TMGa和PH3，在所述上波导层上生长（Al1- x8Gax8）y5 In1-y5P第一上限制层；
S11：温度保持在680-730℃，通入TMIn、TMGa和PH3，在所述第一上限制层上生长Ga1- x9Inx9P腐蚀终止层；
S12： 温度保持在680-730℃，通入TMIn、TMAl、TMGa和PH3，在所述腐蚀终止层上生长（Al1-x10Gax10）y6In1-y6P第二上限制层；
S13：温度渐变至660-700℃，通入TMGa、AsH3和PH3，在所述（Al1-x10Gax10）y6In1-y6P第二上限制层上生长GaAs1-x11Px11上过渡层；通过调整AsH3、PH3气流量比例，实现GaAs1-x11Px11材料组份变化，使x11组分由高值开始渐变至低值；
S14：将温度降低，使生长温度保持在530-570℃，通入TMGa和AsH3，在所述上过渡层上生长GaAs帽层。
13.如权利要求11所述的小功率AlGaInP红光半导体激光器件的制备方法，其特征在于，步骤 S3中，所述下过渡层为N型GaAs1-x1Px1，掺杂浓度为1E18-3E18个原子/cm3；
步骤S4中，所述下限制层为N型（Al1-x2Gax2）y1In1-y1P，掺杂浓度为5E17-2E18个原子/cm3；
步骤S5中，所述下波导层是渐变下波导层，通过调整通入反应室的TMAl、TMGa流量变化，实现（Al1-x3Gax3）y2In1-y2P中Al、Ga组分的线性渐变，即x3由低值开始渐变至高值；
步骤S9中，所述上波导层是（Al1-x7Gax7）y4In1-y4P渐变上波导层，x7由高值渐变至低值；
步骤S10中，所述第一上限制层为P型（Al1-x8Gax8）y5 In1-y5P，掺杂浓度为5E17-1.5E18个原子/cm3；
步骤S11中，所述腐蚀终止层为P型Ga1-x9Inx9P，掺杂浓度为5E17-3E18个原子/cm3；
步骤S12中，所述第二上限制层为P型（Al1-x10Gax10）y6In1-y6P，掺杂浓度为5E17-1.5E18个原子/cm3；
步骤S13，中，所述上过渡层为P型GaAs1-x11P x11，掺杂浓度为1E18-3E18个原子/cm3。
14.如权利要求11所述的小功率AlGaInP红光半导体激光器件的制备方法，其特征在于，步骤S9中，所述上波导层为部分掺杂，掺杂浓度为3E17-5E17个原子/cm3。
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