CN114142343B - 一种优化渐变波导层的小功率AlGaInP红光半导体激光器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种优化渐变波导层的小功率AlGaInP红光半导体激光器及其制备方法，属于光电子技术领域，器件包括由下至上依次设置的衬底、缓冲层、下过渡层、下限制层、(Al1‑ x1Gax1)y1In1‑y1P渐变下波导层、第一量子阱、垒层、第二量子阱、(Al1‑x5Gax5)y3In1‑y3P渐变上波导层、第一上限制层、腐蚀终止层、第二上限制层、上过渡层和帽层，通过优化渐变波导层结构设计，在AlGaInP渐变波导层中插入组分稳定(Al1‑ xGax)yIn1‑yP结构，优化该层厚度设计，达到抑制电子溢出的目的，同时利用AlInP作为限制层具有较高的光限制因子，使小功率AlGaInP红光激光器具有较小的工作电压及工作电流，高温工作时更加稳定。
Description
技术领域
本发明涉及一种优化渐变波导层的小功率AlGaInP红光半导体激光器及其制备方法，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。小功率激光器由于输出功率较小(一般小于100mW)，不仅要求激光器在室温时具有更低的工作电流和工作电压，减少热量的产生，同时随着工作温度升高，同样要具有较小的工作电流。
文献Journal of Applied Physics，80(8)，1996,4592-4598指出采用AlInP作为限制层，光限制因子更高，从而有助于得到低阈值电流；但AlInP作为限制层时限制电子溢出能力、特别是高温工作时限制能力较差，原因是AlInP作为限制层时导带能隙差小，电子限制能力较差，电子从有源区向P型限制层溢出较为严重，特别是随着工作温度增加，电子溢出现象变的更加恶化，导致阈值电流增加、斜率效率降低，最终工作电流增加，产生更多的废热；同时AlGalnP材料的热阻大，导致材料本身散热性较差，温度升高使载流子的溢出更严重。
文献Journal of Applied Physical letters A，Vol.81,2005,Pg1369-1373报告了优化结构设计减少载流子泄露的方法，即选用重掺杂(Al70Ga30)50In50P作为限制层，导带带隙差(ΔEc)具有最大值，有助于降低电子泄露，减少废热产生(同样有文献指出(Al68Ga32)50In50P或(Al72Ga28)50In50P作为限制层具有最大带隙差)；但(Al70Ga30)50In50P作为限制层光限制因子较小，阈值电流较大，不利于常温工作时更小的工作电流。
文献Journal of Semiconductor Lasers and Applications II，Vol 5628,2005，127-134对比了不同量子阱数目及波导层结构设计对AlGaInP激光器电参数的影响，波导层组分渐变有助于降低波导层和限制层组分变化带来的能量势垒，减少电子和空穴积聚，具有更高的斜率效率和更低的工作电压，然而量子阱数目增多，虽然有助于减少载流子溢出，但达到有源区粒子数反转所需工作电流显著增大，同时并没有涉及波导层渐变优化载流子限制。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种优化渐变波导层的小功率AlGaInP红光半导体激光器件及其制备方法，通过优化渐变波导层结构设计，在AlGaInP渐变波导层中插入组分稳定(Al1-xGax)yIn1-yP结构，优化该层厚度设计，达到抑制电子溢出的目的，同时利用AlInP作为限制层具有较高的光限制因子，使小功率AlGaInP红光激光器具有较小的工作电压及工作电流，高温工作时更加稳定。
本发明的技术方案如下：
本发明第一方面提供了一种优化渐变波导层的小功率AlGaInP红光半导体激光器件，所述器件包括由下至上依次设置的衬底、缓冲层、下过渡层、下限制层、(Al1-x1Gax1)y1In1-y1P渐变下波导层、第一量子阱、垒层、第二量子阱、(Al1-x5Gax5)y3In1-y3P渐变上波导层、第一上限制层、腐蚀终止层、第二上限制层、上过渡层和帽层；
其中，0.05≤x1≤0.6，0.4≤y1≤0.6；0.05≤x5≤0.6，0.4≤y3≤0.6；
其中，(Al1-x1Gax1)y1In1-y1P及(Al1-x5Gax5)y3In1-y3P组分渐变，降低能量势垒，提高光电转换效率；(Al1-x1Gax1)y1In1-y1P渐变下波导层组分渐变，x1由低值渐变至高值；(Al1- x5Gax5)y3In1-y3P渐变上波导层由三部分组成，从下到上依次为(Al1-a1Gaa1)b1In1-b1P、(Al1- a2Gaa2)b2In1-b2P、(Al1-a3Gaa3)b3In1-b3P，其中(Al1-a1Gaa1)b1In1-b1P、(Al1-a3Gaa3)b3In1-b3P组分渐变，a1由高值渐变至中间值，a3由中间值渐变至低值，而(Al1-a2Gaa2)b2In1-b2P组分稳定，a2取值固定，a1、a2、a3在x5的范围内，b1、b2、b3在y3的范围内。
优选的，所述优化渐变波导层的小功率AlGaInP红光半导体激光器件中，包括下列条件之一或多种：
Ⅰ.所述衬底是GaAs衬底；
II.缓冲层是GaAs缓冲层；
Ⅲ.下过渡层是Ga0.52In0.48P下过渡层；
Ⅳ.下限制层是Al0.5In0.5P下限制层；
Ⅴ.第一量子阱是Ga1-x2Inx2P第一量子阱；0.3≤x2≤0.7；
Ⅵ.垒层是(Al1-x3Gax3)y2In1-y2P垒层；0.25≤x3≤0.6，0.4≤y2≤0.6；
Ⅶ.第二量子阱是Ga1-x4Inx4P第二量子阱；0.3≤x4≤0.7；
Ⅷ.第一上限制层是Al0.5In0.5P第一上限制层；
IX.腐蚀终止层是Ga1-x6Inx6P腐蚀终止层；0.4≤x6≤0.6；
Ⅹ.第二上限制层是(Al1-x7Gax7)y4In1-y4P第二上限制层；0≤x7≤0.3，0.4≤y4≤0.6；
Ⅺ.上过渡层是(Al1-x8Gax8)y5In1-y5P上过渡层；0.05≤x8≤0.95，0.4≤y5≤0.6；
Ⅻ.帽层是GaAs帽层。
本发明第一上限制层采用Al0.5In0.5P，以实现最大的光限制因子。
进一步优选的，(Al1-x8Gax8)y5In1-y5P上过渡层为渐变结构，组分渐变，x8由低值渐变至高值，降低能量势垒，减少工作电压。组分渐变目的是降低能量势垒，从而减少工作电压，减小异质结处能带的不连续，降低势垒高度。上过渡层不渐变、只令波导层渐变方案也可实施，只是工作电压会略微增大。
优选的，0.05≤x1≤0.6，(Al1-x1Gax1)y1In1-y1P渐变下波导层组分渐变，x1由低值渐变至高值，低值范围为0.05-0.1，高值范围为0.5-0.6；
0.05≤x5≤0.6，(Al1-a1Gaa1)b1In1-b1P、(Al1-a3Gaa3)b3In1-b3P组分渐变，a1由高值渐变至中间值，a3由中间值渐变至低值，而(Al1-a2Gaa2)b2In1-b2P组分稳定，0.25≤a2≤0.35，a2在其范围内取固定值；高值取值范围为0.5-0.6，中间值取值范围为0.25-0.35，低值取值范围为0.05-0.1。
进一步优选的，a1所取的中间值、a2的值、a3所取的中间值为同一数值。即，整个渐变上波导层数值上是连续的，材料组分渐变最小化能量势垒，以防止电压突变。
优选的，(Al1-x1Gax1)y1In1-y1P渐变下波导层的厚度为0.05-0.15μm，(Al1-a1Gaa1)b1In1-b1P层厚度为10-30nm，(Al1-a2Gaa2)b2In1-b2P层的生长厚度为25-80nm；(Al1-a3Gaa3)b3In1-b3P层厚度为10-30nm。
优选的，(Al1-x1Gax1)y1In1-y1P渐变下波导层、(Al1-a1Gaa1)b1In1-b1P层均为非故意掺杂；(Al1-a2Gaa2)b2In1-b2P层为不掺杂或部分厚度掺杂或全厚度掺杂，掺杂浓度为3E17-1.5E18个原子/cm3；(Al1-a3Gaa3)b3In1-b3P层为全厚度掺杂，掺杂浓度为3E17-1.5E18个原子/cm3。
进一步优选的，(Al1-a2Gaa2)b2In1-b2P层部分厚度掺杂时，掺杂部位在生长过程方向的后程。如，只有1/2的厚度掺杂时，在生长过程中，先不掺杂，然后再逐步通入掺杂源进行掺杂。
其中(Al1-a2Gaa2)b2In1-b2P、(Al1-a3Gaa3)b3In1-b3P掺杂以进一步提升导带带隙差，抑制电子溢出。
优选的，所述优化渐变波导层的小功率AlGaInP红光半导体激光器件中，包括下列条件之一或多种：
①.缓冲层为GaAs缓冲层，GaAs缓冲层的掺杂浓度为2E18-5E18个原子/cm3，厚度为0.1-0.3μm；
②.下过渡层为Ga0.52In0.48P下过渡层，Ga0.52In0.48P下过渡层的掺杂浓度为1E18-3E18个原子/cm3，厚度为0.1-0.3μm；
③.下限制层为n型Al0.5In0.5P下限制层，n型Al0.5In0.5P下限制层的厚度为0.5-1.5μm，掺杂浓度为5E17-3E18个原子/cm3；
④.第一量子阱为Ga1-x2Inx2P第一量子阱，Ga1-x2Inx2P第一量子阱的厚度为4-7nm，非故意掺杂；
⑤.垒层为(Al1-x3Gax3)y2In1-y2P垒层，(Al1-x3Gax3)y2In1-y2P垒层的厚度为5-15nm，非故意掺杂；
⑥.第二量子阱为Ga1-x4Inx4P第二量子阱，Ga1-x4Inx4P第二量子阱的厚度为4-7nm，非故意掺杂；
⑦.第一上限制层为P型Al0.5In0.5P第一上限制层，P型Al0.5In0.5P第一上限制层的厚度为0.1-0.3μm，掺杂浓度为3E17-1.5E18个原子/cm3；
⑧.腐蚀终止层为P型Ga1-x6Inx6P腐蚀终止层，P型Ga1-x6Inx6P腐蚀终止层的厚度为10-50nm，掺杂浓度为5E17-2E18个原子/cm3；
⑨.第二上限制层为P型(Al1-x7Gax7)y4In1-y4P第二上限制层，P型(Al1-x7Gax7)y4In1- y4P第二上限制层的厚度为0.5-1.2μm，掺杂浓度为5E17-1.5E18个原子/cm3；
⑩.上过渡层为P型(Al1-x8Gax8)y5In1-y5P渐变上过渡层，P型(Al1-x8Gax8)y5In1-y5P渐变上过渡层的厚度为0.01-0.05μm，掺杂浓度为1E18-3E18个原子/cm3；
.帽层为GaAs帽层，GaAs帽层的厚度为0.1-0.5μm，掺杂浓度为4E19-1E20个原子/cm3。
本发明第二方面提供了一种优化渐变波导层的小功率AlGaInP红光半导体激光器件的制备方法，包括在MOCVD生长室内对衬底进行表面热处理，然后由下至上依次外延生长缓冲层、下过渡层、下限制层、(Al1-x1Gax1)y1In1-y1P渐变下波导层、第一量子阱、垒层、第二量子阱、(Al1-x5Gax5)y3In1-y3P渐变上波导层、第一上限制层、腐蚀终止层、第二上限制层、上过渡层和帽层；其中，
在下限制层上生长(Al1-x1Gax1)y1In1-y1P渐变下波导层的条件是：生长温度640-660℃，通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，调整TMAl、TMGa气流量比例，使x1由低值开始渐变至高值；
在第二量子阱上生长(Al1-x5Gax5)y3In1-y3P渐变上波导层的条件是：生长温度690-710℃，通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，调整TMAl、TMGa气流量比例，使x5由高值开始渐变至中间值，维持一定厚度的中间值，再由中间值渐变至低值。
具体的，一种优化渐变波导层的小功率AlGaInP红光半导体激光器件的制备方法，所述方法包括以下步骤：
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℃，降温速度不小于30℃/min，继续通入TMGa和AsH3，在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层；
S3，将温度保持在680±10℃，继续通入TMIn、TMGa和PH3，在GaAs缓冲层上生长Ga0.52In0.48P下过渡层；
S4，温度缓变至700±10℃，升温速度不大于60℃/min，通入TMAl、TMIn、和PH3，在所述下过渡层上生长n型Al0.5In0.5P下限制层；
S5，温度缓变到650±10℃，降温速度20-60℃/min，通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在所述下限制层上生长(Al1-x1Gax1)y1In1-y1P渐变下波导层；调整TMAl、TMGa气流量比例，使x1由低值开始渐变至高值；
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-x2Inx2P第一量子阱；
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-x3Gax3)y2In1-y2P垒层；
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- x4Inx4P第二量子阱；
S9，温度缓变至700±10℃，升温速度20-60℃/min，继续通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在所述第二量子阱上生长(Al1-x5Gax5)y3In1-y3P渐变上波导层；
S10，温度保持在700±10℃，继续通入TMIn、TMAl和PH3，在所述上波导层上生长P型Al0.5In0.5P第一上限制层；
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-x6Inx6P腐蚀终止层；
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-x7Gax7)y4In1-y4P第二上限制层；
S13，温度保持在700±10℃，通入TMIn、TMAl、TMGa和PH3，在所述第二上限制层上生长(Al1-x8Gax8)y5In1-y5P渐变上过渡层；
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。
进一步地，步骤S2中，所述GaAs缓冲层的掺杂浓度为2E18-5E18个原子/cm3。
进一步地，步骤S3中，所述Ga0.52In0.48P下过渡层的掺杂浓度为1E18-3E18个原子/cm3。
进一步地，步骤S4中，n型Al0.5In0.5P下限制层的掺杂浓度为5E17-3E18个原子/cm3；。
进一步地，步骤S5中，(Al1-x1Gax1)y1In1-y1P渐变下波导层非故意掺杂，0.05≤x1≤0.6，0.4≤y1≤0.6。
进一步地，步骤S6中，所述Ga1-x2Inx2P第一量子阱非故意掺杂，0.3≤x2≤0.7。
进一步地，步骤S7中，(Al1-x3Gax3)y2In1-y2P垒层非故意掺杂，0.25≤x3≤0.6，0.4≤y2≤0.6。
进一步地，步骤S8中，所述Ga1-x4Inx4P第二量子阱非故意掺杂，0.3≤x4≤0.7；。
进一步地，步骤S9中，所述(Al1-x5Gax5)y3In1-y3P渐变上波导层由(Al1-a1Gaa1)b1In1- b1P、(Al1-a2Gaa2)b2In1-b2P、(Al1-a3Gaa3)b3In1-b3P三部分组成，其中(Al1-a1Gaa1)b1In1-b1P层为非故意掺杂，0.6≥a1≥0.3，0.4≤b1≤0.6；0.25≤a2≤0.35，0.4≤b2≤0.6，(Al1-a2Gaa2)b2In1-b2P层进行部分厚度掺杂，掺杂浓度为3E17-1.5E18个原子/cm3；0.05≤a3≤0.3，0.4≤b3≤0.6，掺杂浓度为3E17-1.5E18个原子/cm3。
进一步地，步骤S10中，所述P型Al0.5In0.5P第一上限制层掺杂浓度为3E17-1.5E18个原子/cm3。
进一步地，步骤S11中，所述P型Ga1-x6Inx6P腐蚀终止层的掺杂浓度为5E17-2E18个原子/cm3，0.4≤x6≤0.6。
进一步地，步骤S12中，所述P型(Al1-x7Gax7)y4In1-y4P第二上限制层的掺杂浓度为5E17-1.5E18个原子/cm3，0≤x7≤0.3，0.4≤y4≤0.6。
进一步地，步骤S13中，所述P型(Al1-x8Gax8)y5In1-y5P渐变上过渡层的掺杂浓度为1E18-3E18个原子/cm3，0.05≤x8≤0.95，0.4≤y5≤0.6。
进一步地，步骤S14中，所述帽层的掺杂浓度为4E19-1E20个原子/cm3。
本发明的有益效果在于：
通过优化渐变波导层结构设计，在AlGaInP渐变上波导层中插入组分稳定(Al1- a2Gaa2)b2In1-b2P结构，并优化该层厚度及掺杂设计，达到抑制电子溢出的目的，同时利用AlInP作为限制层具有较高的光限制因子，使小功率AlGaInP红光激光器具有较小的工作电压及工作电流，高温工作时更加稳定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所述激光器件的结构示意图；
1为GaAs衬底、2为GaAs缓冲层、3为GaInP下过渡层、4为Al0.5In0.5P下限制层、5为(Al1-x1Gax1)y1In1-y1P渐变下波导层、6为Ga1-x2Inx2P第一量子阱、7为(Al1-x3Gax3)y2In1-y2P垒层、8为Ga1-x4Inx4P第二量子阱、9为三部分组成的(Al1-x5Gax5)y3In1-y3P渐变上波导层、10为Al0.5In0.5P第一上限制层、11为Ga1-x6Inx6P腐蚀终止层、12为(Al1-x7Gax7)y4In1-y4P第二上限制层、13为(Al1-x8Gax8)y5In1-y5P渐变上过渡层和14为GaAs帽层。
图2a是本发明所述激光器件有源区结构设计与能带结构对应示意图；其中上图为结构设计示意图，下图为能带结构示意图；
图2b是波导渐变结构中无固定层的有源区结构设计与能带结构对应示意图；其中上图为结构设计示意图，下图为能带结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
一种优化渐变波导层的小功率AlGaInP红光半导体激光器件，所述器件包括由下至上依次设置的GaAs衬底、GaAs缓冲层、Ga0.52In0.48P下过渡层、Al0.5In0.5P下限制层、(Al1- x1Gax1)y1In1-y1P渐变下波导层、Ga1-x2Inx2P第一量子阱、(Al1-x3Gax3)y2In1-y2P垒层、Ga1-x4Inx4P第二量子阱、(Al1-x5Gax5)y3In1-y3P渐变上波导层、Al0.5In0.5P第一上限制层、Ga1-x6Inx6P腐蚀终止层、(Al1-x7Gax7)y4In1-y4P第二上限制层、(Al1-x8Gax8)y5In1-y5P渐变上过渡层和GaAs帽层。
其制备方法包括步骤如下：
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℃，降温速度不小于30℃/min，继续通入TMGa和AsH3，在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层；生长厚度为0.2μm，掺杂浓度为4E18个原子/cm3，掺杂元素为Si；
S3，将温度保持在680±10℃，继续通入TMIn、TMGa和PH3，在GaAs缓冲层上生长Ga0.52In0.48P下过渡层；Ga0.52In0.48P下过渡层的厚度为0.12μm，掺杂浓度为2E18个原子/cm3，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、和PH3，在所述下过渡层上生长n型Al0.5In0.5P下限制层；n型Al0.5In0.5P下限制层的厚度为1.05μm，掺杂浓度为1E18个原子/cm3，掺杂元素为Si；
S5，温度缓变到650±10℃，降温速度20-60℃/min，通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在所述下限制层上生长(Al1-x1Gax1)y1In1-y1P渐变下波导层；(Al1-x1Gax1)y1In1-y1P渐变下波导层非故意掺杂，即不通入掺杂源，如Si2H6、Cp2Mg等，调整TMAl、TMGa气流量比例，使x1由低值开始渐变至高值；x1由0.05渐变至0.5，y1＝0.5，厚度为0.1μm；
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-x2Inx2P第一量子阱；第一量子阱非故意掺杂，x2＝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-x3Gax3)y2In1-y2P垒层；垒层非故意掺杂，x3＝0.3，y2＝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- x4Inx4P第二量子阱；第二量子阱非故意掺杂，x4＝0.4，厚度为5nm；
S9，温度缓变至700±10℃，升温速度20-60℃/min，继续通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在所述第二量子阱上生长(Al1-x5Gax5)y3In1-y3P渐变上波导层；所述(Al1-x5Gax5)y3In1-y3P渐变上波导层由(Al1-a1Gaa1)b1In1-b1P、(Al1-a2Gaa2)b2In1-b2P、(Al1-a3Gaa3)b3In1-b3P三部分组成，(Al1-a1Gaa1)b1In1-b1P层为非故意掺杂，a1由0.5渐变至0.3，b1＝0.5，厚度为25nm；(Al1- a2Gaa2)b2In1-b2P层进行1/2厚度掺杂，即其中一半的厚度掺杂，生长时，先不通入掺杂源，待生长至一般厚度时通入掺杂源，a2＝0.3，b2＝0.5，厚度为50nm，其中1/2掺杂浓度为7E17个原子/cm3；a3由0.3渐变至0.05，b3＝0.5，厚度为25nm，掺杂浓度为1E18个原子/cm3；掺杂源为Mg；
S10，温度保持在700±10℃，继续通入TMIn、TMAl和PH3，在所述上波导层上生长P型Al0.5In0.5P第一上限制层；厚度为0.2μm，掺杂浓度为1E18个原子/cm3；掺杂元素为Mg；
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-x6Inx6P腐蚀终止层；x6＝0.4，厚度为10nm，掺杂浓度为1E18个原子/cm3；掺杂元素为Mg；
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-x7Gax7)y4In1-y4P第二上限制层；x7＝0.1，y4＝0.5，厚度为0.8μm，掺杂浓度为1E18个原子/cm3；掺杂元素为Mg；
S13，温度保持在700±10℃，通入TMIn、TMAl、TMGa和PH3，在所述第二上限制层上生长(Al1-x8Gax8)y5In1-y5P渐变上过渡层；x8由0.1渐变至0.9，y5＝0.5，厚度为0.02μm，掺杂浓度为2E18个原子/cm3；掺杂元素为Mg；
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，掺杂浓度为7E19个原子/cm3，掺杂元素为C。
通过优化渐变波导层结构设计，在AlGaInP渐变波导层中插入组分稳定(Al1-xGax)yIn1-yP结构，优化该层厚度设计，达到抑制电子溢出的目的，同时利用AlInP作为限制层具有较高的光限制因子，使小功率AlGaInP红光激光器具有较小的工作电压及工作电流，高温工作时更加稳定。
由图2a可见，本发明优化波导层结构设计，在渐变的波导层中加入组分稳定的一层，(Al70Ga30)0.5In0.5P导带带隙由图2b中尖峰位置变更为具有一定厚度的平台，通过一定的厚度设计，起到抑制电子溢出的目的；同时通过掺杂进一步提升带隙(图中虚线位置)，增强电子抑制能力。
实施例2：
一种优化渐变波导层的小功率AlGaInP红光半导体激光器件的制备方法，其步骤包括如下：
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℃，降温速度不小于30℃/min，继续通入TMGa和AsH3，在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层；生长厚度为0.2μm，掺杂浓度为4E18个原子/cm3；
S3，将温度保持在680±10℃，继续通入TMIn、TMGa和PH3，在GaAs缓冲层上生长Ga0.52In0.48P下过渡层；Ga0.52In0.48P下过渡层的厚度为0.12μm，掺杂浓度为2E18个原子/cm3；
S4，温度缓变至700±10℃，升温速度不大于60℃/min，通入TMAl、TMIn、和PH3，在所述下过渡层上生长n型Al0.5In0.5P下限制层；n型Al0.5In0.5P下限制层的厚度为1.05μm，掺杂浓度为1E18个原子/cm3；
S5，温度缓变到650±10℃，降温速度20℃/min，通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在所述下限制层上生长(Al1-x1Gax1)y1In1-y1P渐变下波导层；(Al1-x1Gax1)y1In1-y1P渐变下波导层非故意掺杂，即不通入掺杂源，如Si2H6、Cp2Mg等，调整TMAl、TMGa气流量比例，使x1由低值开始渐变至高值；x1由0.1渐变至0.6，y1＝0.5，厚度为0.1μm；
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-x2Inx2P第一量子阱；第一量子阱非故意掺杂，x2＝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-x3Gax3)y2In1-y2P垒层；垒层非故意掺杂，x3＝0.3，y2＝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- x4Inx4P第二量子阱；第二量子阱非故意掺杂，x4＝0.4，厚度为5nm；
S9，温度缓变至700±10℃，升温速度60℃/min，继续通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在所述第二量子阱上生长(Al1-x5Gax5)y3In1-y3P渐变上波导层；所述(Al1-x5Gax5)y3In1-y3P渐变上波导层由(Al1-a1Gaa1)b1In1-b1P、(Al1-a2Gaa2)b2In1-b2P、(Al1-a3Gaa3)b3In1-b3P三部分组成，(Al1-a1Gaa1)b1In1-b1P层为非故意掺杂，a1由0.6渐变至0.35，b1＝0.5，厚度为25nm；(Al1- a2Gaa2)b2In1-b2P层进行1/2厚度掺杂，即其中一半的厚度掺杂，生长时，先不通入掺杂源，待生长至一般厚度时通入掺杂源，a2＝0.35，b2＝0.5，厚度为50nm，其中1/2掺杂浓度为7E17个原子/cm3；a3由0.35渐变至0.1，b3＝0.5，厚度为25nm，掺杂浓度为1E18个原子/cm3；
S10，温度保持在700±10℃，继续通入TMIn、TMAl和PH3，在所述上波导层上生长P型Al0.5In0.5P第一上限制层；厚度为0.2μm，掺杂浓度为1E18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-x6Inx6P腐蚀终止层；x6＝0.4，厚度为10nm，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-x7Gax7)y4In1-y4P第二上限制层；x7＝0.1，y4＝0.5，厚度为0.8μm，掺杂浓度为1E18个原子/cm3；
S13，温度保持在700±10℃，通入TMIn、TMAl、TMGa和PH3，在所述第二上限制层上生长(Al1-x8Gax8)y5In1-y5P渐变上过渡层；x8由0.1渐变至0.9，y5＝0.5，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，掺杂浓度为7E19个原子/cm3。
实施例3
一种优化渐变波导层的小功率AlGaInP红光半导体激光器件的制备方法，其步骤如实施例2所述，所不同的是，S5中，生长(Al1-x1Gax1)y1In1-y1P渐变下波导层，x1由0.05渐变至0.6；S9中，生长(Al1-x5Gax5)y3In1-y3P渐变上波导层，a1由0.6渐变至0.35，a2＝0.35，a3由0.35渐变至0.05。
实施例4
一种优化渐变波导层的小功率AlGaInP红光半导体激光器件的制备方法，其步骤如实施例3所述，所不同的是，S5中，生长(Al1-x1Gax1)y1In1-y1P渐变下波导层，x1由0.05渐变至0.5；S9中，生长(Al1-x5Gax5)y3In1-y3P渐变上波导层，a1由0.5渐变至0.25，a2＝0.25，a3由0.25渐变至0.05。
实施例5
一种优化渐变波导层的小功率AlGaInP红光半导体激光器件的制备方法，其步骤如实施例3所述，所不同的是，S5中，生长(Al1-x1Gax1)y1In1-y1P渐变下波导层，x1由0.1渐变至0.5；S9中，生长(Al1-x5Gax5)y3In1-y3P渐变上波导层，a1由0.5渐变至0.3，a2＝0.3，a3由0.3渐变至0.1。
Claims (10)
1.一种优化渐变波导层的小功率AlGaInP红光半导体激光器件，其特征在于，所述器件包括由下至上依次设置的衬底、缓冲层、下过渡层、下限制层、(Al1-x1Gax1)y1In1-y1P渐变下波导层、第一量子阱、垒层、第二量子阱、(Al1-x5Gax5)y3In1-y3P渐变上波导层、第一上限制层、腐蚀终止层、第二上限制层、上过渡层和帽层；
其中，0.05≤x1≤0.6，0.4≤y1≤0.6；0.05≤x5≤0.6，0.4≤y3≤0.6；
其中，(Al1-x1Gax1)y1In1-y1P及(Al1-x5Gax5)y3In1-y3P组分渐变；(Al1-x1Gax1)y1In1-y1P渐变下波导层组分渐变，x1由低值渐变至高值；(Al1-x5Gax5)y3In1-y3P渐变上波导层由三部分组成，从下到上依次为(Al1-a1Gaa1)b1In1-b1P、(Al1-a2Gaa2)b2In1-b2P、(Al1-a3Gaa3)b3In1-b3P，其中(Al1-a1Gaa1)b1In1-b1P、(Al1-a3Gaa3)b3In1-b3P组分渐变，a1由高值渐变至中间值，a3由中间值渐变至低值，而(Al1-a2Gaa2)b2In1-b2P组分稳定，a2取值固定，a1、a2、a3在x5的范围内，b1、b2、b3在y3的范围内。
2.根据权利要求1所述的优化渐变波导层的小功率AlGaInP红光半导体激光器件，其特征在于，所述优化渐变波导层的小功率AlGaInP红光半导体激光器件中，包括下列条件之一或多种：
Ⅰ.所述衬底是GaAs衬底；
II.缓冲层是GaAs缓冲层；
Ⅲ.下过渡层是Ga0.52In0.48P下过渡层；
Ⅳ.下限制层是Al0.5In0.5P下限制层；
Ⅴ.第一量子阱是Ga1-x2Inx2P第一量子阱；0.3≤x2≤0.7；
Ⅵ.垒层是(Al1-x3Gax3)y2In1-y2P垒层；0.25≤x3≤0.6，0.4≤y2≤0.6；
Ⅶ.第二量子阱是Ga1-x4Inx4P第二量子阱；0.3≤x4≤0.7；
Ⅷ.第一上限制层是Al0.5In0.5P第一上限制层；
IX.腐蚀终止层是Ga1-x6Inx6P腐蚀终止层；0.4≤x6≤0.6；
Ⅹ.第二上限制层是(Al1-x7Gax7)y4In1-y4P第二上限制层；0≤x7≤0.3，0.4≤y4≤0.6；
Ⅺ.上过渡层是(Al1-x8Gax8)y5In1-y5P上过渡层；0.05≤x8≤0.95，0.4≤y5≤0.6；
Ⅻ.帽层是GaAs帽层；
优选的，其中，(Al1-x8Gax8)y5In1-y5P上过渡层为(Al1-x8Gax8)y5In1-y5P渐变上过渡层，组分渐变，x8由低值渐变至高值。
3.根据权利要求1所述的优化渐变波导层的小功率AlGaInP红光半导体激光器件，其特征在于，0.05≤x1≤0.6，(Al1-x1Gax1)y1In1-y1P渐变下波导层组分渐变，x1由低值渐变至高值，低值范围为0.05-0.1，高值范围为0.5-0.6；
0.05≤x5≤0.6，(Al1-a1Gaa1)b1In1-b1P、(Al1-a3Gaa3)b3In1-b3P组分渐变，a1由高值渐变至中间值，a3由中间值渐变至低值，而(Al1-a2Gaa2)b2In1-b2P组分稳定，0.25≤a2≤0.35，a2在其范围内取固定值；高值取值范围为0.5-0.6，中间值取值范围为0.25-0.35，低值取值范围为0.05-0.1。
4.根据权利要求3所述的优化渐变波导层的小功率AlGaInP红光半导体激光器件，其特征在于，a1所取的中间值、a2的值、a3所取的中间值为同一数值。
5.根据权利要求1所述的优化渐变波导层的小功率AlGaInP红光半导体激光器件，其特征在于，(Al1-x1Gax1)y1In1-y1P渐变下波导层的厚度为0.05-0.15μm，(Al1-a1Gaa1)b1In1-b1P层厚度为10-30nm，(Al1-a2Gaa2)b2In1-b2P层的生长厚度为25-80nm；(Al1-a3Gaa3)b3In1-b3P层厚度为10-30nm。
6.根据权利要求1所述的优化渐变波导层的小功率AlGaInP红光半导体激光器件，其特征在于，(Al1-x1Gax1)y1In1-y1P渐变下波导层、(Al1-a1Gaa1)b1In1-b1P层均为非故意掺杂；(Al1- a2Gaa2)b2In1-b2P层为不掺杂或部分厚度掺杂或全厚度掺杂，掺杂浓度为3E17-1.5E18个原子/cm3；(Al1-a3Gaa3)b3In1-b3P层为全厚度掺杂，掺杂浓度为3E17-1.5E18个原子/cm3。
7.根据权利要求6所述的优化渐变波导层的小功率AlGaInP红光半导体激光器件，其特征在于，(Al1-a2Gaa2)b2In1-b2P层部分厚度掺杂时，掺杂部位在生长过程方向的后程。
8.根据权利要求1所述的优化渐变波导层的小功率AlGaInP红光半导体激光器件，其特征在于，所述优化渐变波导层的小功率AlGaInP红光半导体激光器件中，包括下列条件之一或多种：
①.缓冲层为GaAs缓冲层，GaAs缓冲层的掺杂浓度为2E18-5E18个原子/cm3，厚度为0.1-0.3μm；
②.下过渡层为Ga0.52In0.48P下过渡层，Ga0.52In0.48P下过渡层的掺杂浓度为1E18-3E18个原子/cm3，厚度为0.1-0.3μm；
③.下限制层为n型Al0.5In0.5P下限制层，n型Al0.5In0.5P下限制层的厚度为0.5-1.5μm，掺杂浓度为5E17-3E18个原子/cm3；
④.第一量子阱为Ga1-x2Inx2P第一量子阱，Ga1-x2Inx2P第一量子阱的厚度为4-7nm，非故意掺杂；
⑤.垒层为(Al1-x3Gax3)y2In1-y2P垒层，(Al1-x3Gax3)y2In1-y2P垒层的厚度为5-15nm，非故意掺杂；
⑥.第二量子阱为Ga1-x4Inx4P第二量子阱，Ga1-x4Inx4P第二量子阱的厚度为4-7nm，非故意掺杂；
⑦.第一上限制层为P型Al0.5In0.5P第一上限制层，P型Al0.5In0.5P第一上限制层的厚度为0.1-0.3μm，掺杂浓度为3E17-1.5E18个原子/cm3；
⑧.腐蚀终止层为P型Ga1-x6Inx6P腐蚀终止层，P型Ga1-x6Inx6P腐蚀终止层的厚度为10-50nm，掺杂浓度为5E17-2E18个原子/cm3；
⑨.第二上限制层为P型(Al1-x7Gax7)y4In1-y4P第二上限制层，P型(Al1-x7Gax7)y4In1-y4P第二上限制层的厚度为0.5-1.2μm，掺杂浓度为5E17-1.5E18个原子/cm3；
⑩.上过渡层为P型(Al1-x8Gax8)y5In1-y5P渐变上过渡层，P型(Al1-x8Gax8)y5In1-y5P渐变上过渡层的厚度为0.01-0.05μm，掺杂浓度为1E18-3E18个原子/cm3；
帽层为GaAs帽层，GaAs帽层的厚度为0.1-0.5μm，掺杂浓度为4E19-1E20个原子/cm3。
9.一种优化渐变波导层的小功率AlGaInP红光半导体激光器件的制备方法，包括在MOCVD生长室内对衬底进行表面热处理，然后由下至上依次外延生长缓冲层、下过渡层、下限制层、(Al1-x1Gax1)y1In1-y1P渐变下波导层、第一量子阱、垒层、第二量子阱、(Al1-x5Gax5)y3In1-y3P渐变上波导层、第一上限制层、腐蚀终止层、第二上限制层、上过渡层和帽层；其中，
在下限制层上生长(Al1-x1Gax1)y1In1-y1P渐变下波导层的条件是：生长温度640-660℃，通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，调整TMAl、TMGa气流量比例，使x1由低值开始渐变至高值；
在第二量子阱上生长(Al1-x5Gax5)y3In1-y3P渐变上波导层的条件是：生长温度690-710℃，通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，调整TMAl、TMGa气流量比例，使x5由高值开始渐变至中间值，维持一定厚度的中间值，再由中间值渐变至低值。
10.一种优化渐变波导层的小功率AlGaInP红光半导体激光器件的制备方法，所述方法包括以下步骤：
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℃，降温速度不小于30℃/min，继续通入TMGa和AsH3，在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层；优选的，所述GaAs缓冲层的掺杂浓度为2E18-5E18个原子/cm3；
S3，将温度保持在680±10℃，继续通入TMIn、TMGa和PH3，在GaAs缓冲层上生长Ga0.52In0.48P下过渡层；优选的，所述Ga0.52In0.48P下过渡层的掺杂浓度为1E18-3E18个原子/cm3；
S4，温度缓变至700±10℃，升温速度不大于60℃/min，通入TMAl、TMIn、和PH3，在所述下过渡层上生长n型Al0.5In0.5P下限制层；优选的，n型Al0.5In0.5P下限制层的掺杂浓度为5E17-3E18个原子/cm3；
S5，温度缓变到650±10℃，降温速度20-60℃/min，通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在所述下限制层上生长(Al1-x1Gax1)y1In1-y1P渐变下波导层；调整TMAl、TMGa气流量比例，使x1由低值开始渐变至高值，(Al1-x1Gax1)y1In1-y1P渐变下波导层非故意掺杂；
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- x2Inx2P第一量子阱；所述Ga1-x2Inx2P第一量子阱非故意掺杂；
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-x3Gax3)y2In1-y2P垒层，(Al1-x3Gax3)y2In1-y2P垒层非故意掺杂；
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-x4Inx4P第二量子阱，所述Ga1-x4Inx4P第二量子阱非故意掺杂，0.3≤x4≤0.7；
S9，温度缓变至700±10℃，升温速度20-60℃/min，继续通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在所述第二量子阱上生长(Al1-x5Gax5)y3In1-y3P渐变上波导层；所述(Al1-x5Gax5)y3In1-y3P渐变上波导层由(Al1-a1Gaa1)b1In1-b1P、(Al1-a2Gaa2)b2In1-b2P、(Al1-a3Gaa3)b3In1-b3P三部分组成，其中(Al1-a1Gaa1)b1In1-b1P层为非故意掺杂，(Al1-a2Gaa2)b2In1-b2P层不掺杂或进行部分厚度掺杂或进行全厚度掺杂，优选的，(Al1-a2Gaa2)b2In1-b2P层掺杂时掺杂浓度为3E17-1.5E18个原子/cm3；(Al1-a3Gaa3)b3In1-b3P层的掺杂浓度为3E17-1.5E18个原子/cm3；
S10，温度保持在700±10℃，继续通入TMIn、TMAl和PH3，在所述上波导层上生长P型Al0.5In0.5P第一上限制层；优选的，所述P型Al0.5In0.5P第一上限制层掺杂浓度为3E17-1.5E18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-x6Inx6P腐蚀终止层；优选的，所述P型Ga1-x6Inx6P腐蚀终止层的掺杂浓度为5E17-2E18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-x7Gax7)y4In1-y4P第二上限制层；优选的，所述P型(Al1-x7Gax7)y4In1-y4P第二上限制层的掺杂浓度为5E17-1.5E18个原子/cm3；
S13，温度保持在700±10℃，通入TMIn、TMAl、TMGa和PH3，在所述第二上限制层上生长(Al1-x8Gax8)y5In1-y5P渐变上过渡层，x8由低值渐变至高值；优选的，所述P型(Al1-x8Gax8)y5In1-y5P渐变上过渡层的掺杂浓度为1E18-3E18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；优选的，所述帽层的掺杂浓度为4E19-1E20个原子/cm3。
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