CN114552383A - 一种无铝有源区的红光半导体激光器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无铝有源区的红光半导体激光器及其制备方法，包括由下至上依次设置的GaAs衬底、GaAs缓冲层、Ga_x1In_1‑x1P过渡层、AlGaInP下限制层、Ga_x5In_1‑x5As_y4P_1‑y4下波导层、Ga_1‑x6In_x6P下垒层、Ga_1‑x7In_x7P量子阱、Ga_1‑x8In_x8P上垒层、Ga_x9In_1‑x9As_y5P_1‑y5上波导层、AlGaInP上限制层、Ga_1‑x12In_x12P上过渡层和GaAs帽层。本发明实现无铝有源区设计，腔面解离时抗氧化能力增加，降低了腔面缺陷的形成，减少光吸收，提高腔面的抗烧毁能力及半导体激光器的寿命。

Description

一种无铝有源区的红光半导体激光器及其制备方法

技术领域

本发明涉及光电子技术领域,具体地说是一种无铝有源区的红光半导体激光器件及其制备方法。

背景技术

红光半导体激光器具有体积小、寿命长、光电转换效率高等优点，逐渐取代传统的He-Ne气体激光器及红宝石固体激光器，广泛应用于光存储系统、条形码阅读器、工业准直标线仪、医疗保健设备等领域。其中，激光电视、便携式投影仪等激光显示设备的红光光源波长选择主要考虑两个方面的因素：1)根据人眼对波长的响应度来选择人眼敏感的波长，以获得较高的光视效能；2)所选波长能够扩大色域的覆盖范围，从而获得更好的色彩体验。国际上用于激光显示的红光波长通常集中在630-660nm，其中635nm红光半导体激光器的综合性能更好。为满足正常的投影需要，商用红光半导体激光器的功率需要达到瓦级，对激光器的寿命及可靠性要求较高。

为满足激光显示对红光半导体波长的需求，有源区一般选择AlGaInP材料，腔面光学灾变损伤(COD)成为限制功率提高的主要因素之一，原因在于：(1)半导体激光器是采用自然解理面形成光学谐振腔，解理面上存在大量的表面态和界面态，形成更多的非辐射复合中心，产生更多的热，使端面的温度升高；(2)由于端面处化学键的断裂和加热，加剧了端面处含Al材料的氧化，造成缺陷密度提高，非辐射复合进一步增强，从而引起位错和缺陷的产生与向内传播，使得该材料系更易发生COD。

提高激光器的最大输出功率，抑制COD现象的方法通常有以下几种：(1)制作非吸收窗口结构，最成熟的方法是通过快速退火的方式将Zn作为杂质扩散到有源区，加强AlGaInP超晶格的无序性，扩展能带宽度，减少光吸收。如中国专利文献CN103368072A公开了一种对红光半导体激光器进行Zn扩散的方法，在MOCVD反应室中通入二甲基锌进行腔面扩散，制作的非吸收窗口的激光器输出功率比闭管扩Zn的激光器功率提高10％；但这种方法需额外增加管芯工艺，成本增加，同时该方法并没有从外延结构设计解决有源区含铝材料氧化造成的性能退化。(2)采用真空解离技术，将外延片的解理、装架、镀膜等工艺都在真空中(低于10-7Torr)完成，解决含Al材料在空气中极易氧化的缺点，提高器件的性能和可靠性；但该方法需购买真空解离设备，价格昂贵。(3)采用无铝有源区，从材料生长及外延结构设计出发，根本上解决Al材料极易氧化的缺点，提高光学灾变阈值，如中国专利文献CN108233179A公开了一种无铝波导层的红光半导体激光器结构，下波导层、量子阱层、上波导层均为镓铟磷材料，实现有源区无铝，抗氧化能力增加，腔面缺陷有效减少，可以减少光吸收，提高腔面的抗烧毁能力及半导体激光器的寿命；但该方法量子阱材料为有序GaInP(带隙1.84eV)，波导层材料为无序GaInP(带隙1.91eV)，带隙差较小，量子阱内载流子限制能力差，载流子溢出到波导层，导致无效发光，内量子效率降低。

发明内容

为解决现有红光半导体激光器的波导层为含铝材料，对材料生长要求较高，且容易形成缺陷，影响激光器性能的缺点，本发明提供了一种无铝有源区的红光半导体激光器以及制备方法，调控GaInAsP四元合金组分，实现与GaAs衬底晶格匹配，避免生长过程中的应力积聚；优化生长条件，降低四元合金表面粗糙度较大对材料性能的影响；利用GaInAsP作为波导层、GaInP作为量子阱，实现无铝有源区设计。

为了解决上述技术问题，本发明公开了如下技术方案：

一种无铝有源区的红光半导体激光器，包括由下至上依次设置的GaAs衬底、GaAs缓冲层、Ga_x1In_1-x1P下过渡层3、AlGaInP下限制层、Ga_x5In_1-x5As_y4P_1-y4下波导层、Ga_1-x6In_x6P下垒层、Ga_1-x7In_x7P量子阱、Ga_1-x8In_x8P上垒层、Ga_x9In_1-x9As_y5P_1-y5上波导层、AlGaInP上限制层、Ga_1-x12In_x12P上过渡层和GaAs帽层；

所述AlGaInP下限制层包括由下自上设置的(Al_1-x2Ga_x2)_y1In_1-y1P下限制层-1、(Al_1-x3Ga_x3)_y2In_1-y2P下限制层-2、(Al_1-x4Ga_x4)_y3In_1-y3P下限制层-3；

所述AlGaInP上限制层包括由下自上设置的(Al_1-x10Ga_x10)_y6In_1-y6P上限制层-1、(Al_1-x11Ga_x11)_y7In_1-y7P上限制层-2；

其中，0.4≤x1≤0.6；0≤x2≤0.3，0.4≤y1≤0.6；0≤x3≤0.3，0.4≤y2≤0.6；0≤x4≤0.3，0.4≤y3≤0.6；0.85≤x5≤0.93，0.7≤y4≤0.85；0.35≤x6≤0.45；0.55≤x7≤0.7；0.35≤x8≤0.45；0.85≤x9≤0.93，0.7≤y5≤0.85；0.05≤x10≤0.35，0.4≤y6≤0.6；0≤x11≤0.3，0.4≤y7≤0.6；0.4≤x12≤0.6。

(Al_1-x2Ga_x2)_y1In_1-y1P下限制层-1、(Al_1-x3Ga_x3)_y2In_1-y2P下限制层-2、(Al_1-x4Ga_x4)_y3In_1-y3P下限制层-3主要是因为存在温度的一个变化，分别由680-700、700、700-640，因为GaInAsP波导层中As/P比例对温度非常敏感，所以在限制层-3降温，避免温度对波导层的影响，没有特殊效果。

通过公式a＝5.8688-0.4176x+0.1896y+0.0125xy计算GaInAsP四元合金晶格常数，分别将x5、y4代入x、y，将x9、y5代入x、y，求取的GaInAsP四元合金晶格常数a的取值为5.653埃。

通过公式Eg＝1.35+0.68x-1.068y+0.758x²+0.78y²-0.069xy-0.332x²y+0.3xy²计算材料带隙，分别将x5、y4代入x、y，将x9、y5代入x、y，求取的GaInAsP四元合金材料带隙Eg的取值范围为2.05eV≤Eg≤2.25eV。

利用设备自带DRT(挠度计)监控材料生长曲线，从而实现GaInAsP与衬底晶格匹配，带隙大于GaInP量子阱(635nm对应带隙1.95eV)小于AlInP限制层(与衬底匹配带隙2.35eV)，且与量子阱之间带隙差较大，保证适当的载流子限制能力。

GaInP有序结构(1.84eV)及无序结构(1.91eV)分别做阱及波导层，带隙差0.07eV，相对较小；而用GaInAsP做波导层，带隙取值2.05-2.25eV，则与无序GaInP量子阱(1.91eV)之间，带隙差在1.04-1.34eV，明显大于0.07eV，带隙差增大，阱内对电子及空穴的限制能力增强，加强了内量子复合效率。

进一步优选的，x5＝0.9，y4＝0.8。

根据本发明优选的，所述Ga_x5In_1-x5As_y4P_1-y4下波导层的厚度为0.1-0.3μm，非故意掺杂；

进一步优选的，所述Ga_x5In_1-x5As_y4P_1-y4下波导层的厚度为0.2μm。

进一步优选的，x9＝0.9，y5＝0.8。

根据本发明优选的，所述Ga_x9In_1-x9As_y5P_1-y5上波导层的厚度为0.1-0.3μm，非故意掺杂；

进一步优选的，所述Ga_x9In_1-x9As_y5P_1-y5上波导层的厚度为0.13μm。

进一步优选的，x7＝0.65。

Ga_x5In_1-x5As_y4P_1-y4下波导层、Ga_x9In_1-x9As_y5P_1-y5上波导层组分取值，目的是调整带隙及晶格常数，而Ga_x5In_1-x5As_y4P_1-y4下波导层、Ga_x9In_1-x9As_y5P_1-y5上波导层厚度不同，目的是调控发光区光场向N侧偏移，减少载流子对光吸收造成的损耗。

根据本发明优选的，所述Ga_1-x7In_x7P量子阱的厚度为5-10nm，非故意掺杂；

进一步优选的，所述Ga_1-x7In_x7P量子阱的厚度为7nm。

Ga_1-x7In_x7P量子阱组分不同，带隙不同，发光波长也不同(＝1240/Eg nm),目的是控制发光波长，而张应变量子阱为了抑制TM模发光，Ga_1-x7In_x7P量子阱厚度一般不大于10nm，厚度太薄对老化性能不好。

根据本发明优选的，所述GaAs缓冲层的掺杂浓度为3E18-6E18个原子/cm³，厚度为0.1-0.3μm；

所述Ga_x1In_1-x1P下过渡层的掺杂浓度为1E18-3E18个原子/cm³，厚度为0.1-0.3μm；

所述(Al_1-x2Ga_x2)_y1In_1-y1P下限制层-1的厚度为0.01-0.05μm，掺杂浓度为7E17-1.5E18个原子/cm³；

所述(Al_1-x3Ga_x3)_y2In_1-y2P下限制层-2的厚度为0.8-1.2μm，掺杂浓度为7E17-1.5E18个原子/cm³；

所述(Al_1-x4Ga_x4)_y3In_1-y3P下限制层-3的厚度为0.01-0.05μm，掺杂浓度为7E17-1.5E18个原子/cm³；

所述Ga_1-x6In_x6P下垒层的厚度为3-15nm，非故意掺杂；

所述Ga_1-x8In_x8P上垒层的厚度为3-15nm，非故意掺杂；

所述(Al_1-x10Ga_x10)_y6In_1-y6P上限制层-1的厚度为0.03-0.08μm，掺杂浓度为7E17-1.5E18个原子/cm³；

所述(Al_1-x11Ga_x11)_y7In_1-y7P上限制层-2的厚度为0.8-1.2μm，掺杂浓度为7E17-1.5E18个原子/cm³；

所述Ga_1-x12In_x12P上过渡层的厚度为0.01-0.05μm，掺杂浓度为1E18-3E18个原子/cm³；

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，

所述GaAs缓冲层的掺杂浓度为4E18个原子/cm³，厚度为0.2μm；

所述Ga_x1In_1-x1P下过渡层的掺杂浓度为2E18个原子/cm³，厚度为0.1μm，x1＝0.5；

所述(Al_1-x2Ga_x2)_y1In_1-y1P下限制层-1的厚度为0.02μm，掺杂浓度为1E18个原子/cm³，x2＝0，y1＝0.5；

所述(Al_1-x3Ga_x3)_y2In_1-y2P下限制层-2的厚度为1μm，掺杂浓度为1E18个原子/cm³，x3＝0，y2＝0.5；

所述(Al_1-x4Ga_x4)_y3In_1-y3P下限制层-3的厚度为0.02μm，掺杂浓度为1E18个原子/cm³，x4＝0，y3＝0.5；

所述Ga_1-x6In_x6P下垒层的厚度为5nm，x6＝0.4；目的是对张应变量子阱进行压应变补偿，中和有源区应力，使量子阱产生更大应力降低阈值电流，而不会因应力过大临界厚度小，产生位错等缺陷，影响产品性能。

所述Ga_1-x8In_x8P上垒层的厚度为5nm，x8＝0.4；

所述(Al_1-x10Ga_x10)_y6In_1-y6P上限制层-1的厚度为0.05μm，掺杂浓度为1E18个原子/cm³，x10＝0.3，y6＝0.5；

所述(Al_1-x11Ga_x11)_y7In_1-y7P上限制层-2的厚度为1μm，掺杂浓度为1E18个原子/cm³，x11＝0，y7＝0.5；

所述Ga_1-x12In_x12P上过渡层的厚度为0.02μm，掺杂浓度为2E18个原子/cm³，x12＝0.5；

所述GaAs帽层的厚度为0.2μm，掺杂浓度为7E19个原子/cm³。

x1＝0.5，x12＝0.5，实现GaInP与GaAs衬底晶格匹配，避免晶格失配导致的应力积聚及位错缺陷；x6＝0.4，x8＝0.4，实现应变补偿；y1＝0.5，y2＝0.5，y3＝0.5，y6＝0.5，y7＝0.5，实现GaInP与GaAs衬底晶格匹配，避免晶格失配导致的应力积聚及位错缺陷；调整x2、x3、x4、x10、x11的目的是控制Al、Ga组分比例，调整带隙大小，Al组分越多，带隙越大，折射率越小，对光的限制能力更好，可以降低阈值、提高效率；但Al70的时候导带带隙最大，对电子具有最好的限制能力，因此有的时候用Al70。

上述无铝有源区的红光半导体激光器的制备方法，在MOCVD设备生长室内实现，包括步骤如下：

(1)在所述GaAs衬底上依次生长所述GaAs缓冲层、所述Ga_x1In_1-x1P下过渡层、所述AlGaInP下限制层；

(2)温度保持在640±3℃，通入TMIn、TMGa、AsH3和PH₃，在所述AlGaInP下限制层上生长所述Ga_x5In_1-x5As_y4P_1-y4下波导层；

由于GaInAsP四元合金中As、P并入效率比与温度呈非线性关系，且PH3裂解受温度影响较大，需严格控制GaInAsP四元合金生长温度，避免组分漂移，产生应力积聚；优化生长条件，降低生长材料表面粗糙度；本发明采用RT控温，严格监控表面生长温度，采用DRT曲线监控生长过程中的应力匹配。

(3)在所述Ga_x5In_1-x5As_y4P_1-y4下波导层上生长所述Ga_1-x6In_x6P下垒层；

(4)温度保持在640±3℃，通入TMIn、TMGa和PH₃，在所述Ga_1-x6In_x6P下垒层上生长所述Ga_1-x7In_x7P量子阱；

(5)在所述Ga_1-x7In_x7P量子阱上生长所述Ga_1-x8In_x8P上垒层；

(6)温度保持在640±3℃，继续通入AsH₃和PH₃，停止生长；

(7)温度保持在640±3℃，继续通入TMIn、TMGa、AsH3和PH₃，在所述Ga_1-x8In_x8P上垒层上生长所述Ga_x9In_1-x9As_y5P_1-y5上波导层；

(8)在所述Ga_x9In_1-x9As_y5P_1-y5上波导层上依次生长所述AlGaInP上限制层、所述Ga_1-x12In_x12P上过渡层及所述GaAs帽层。

该制备方法使用GaInAsP作为波导层，避免了有源区Al组分的引入，实现无铝有源区设计，提高腔面的抗烧毁能力及半导体激光器的寿命。

根据本发明优选的，步骤(1)中，在所述GaAs衬底上依次生长所述GaAs缓冲层、所述Ga_x1In_1-x1P下过渡层、所述AlGaInP下限制层，包括步骤如下：

S1，将所述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，对所述GaAs衬底进行表面热处理；

S2，将温度缓降到680±3℃，继续通入TMGa和AsH3，在所述GaAs衬底上生长所述GaAs缓冲层；

S3,温度保持在680±3℃，继续通入TMIn、TMGa和PH3，在所述GaAs缓冲层上生长所述Ga_x1In_1-x1P下过渡层；

S4,温度缓变至700±3℃，继续通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在所述Ga_x1In_1-x1P下过渡层上生长所述(Al_1-x2Ga_x2)_y1In_1-y1P下限制层-1；

S5,温度保持在700±3℃，继续通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在所述(Al_1-x2Ga_x2)_y1In_1-y1P下限制层-1上生长所述(Al_1-x3Ga_x3)_y2In_1-y2P下限制层-2；

S6，温度缓变至640±3℃，继续通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在所述(Al_1-x3Ga_x3)_y2In_1-y2P下限制层-2上生长所述(Al_1-x4Ga_x4)_y3In_1-y3P下限制层-3。

根据本发明优选的，步骤(3)中，在所述Ga_x5In_1-x5As_y4P_1-y4下波导层上生长所述Ga_1-x6In_x6P下垒层，包括步骤如下：

S7，温度保持在640±3℃，继续通入PH₃，停止生长；

S8，温度保持在640±3℃，继续通入TMIn、TMGa和PH₃，在所述Ga_x5In_1-x5As_y4P_1-y4下波导层上生长所述Ga_1-x6In_x6P下垒层。

根据本发明优选的，步骤S7中，停止生长时间为1-10s。

进一步优选的，步骤S7中，停止生长时间为3s，并采用手动补气方式。避免反应室压力波动造成生长模式紊流的出现。

根据本发明优选的，步骤(5)中，在所述Ga_1-x7In_x7P量子阱上生长所述Ga_1-x8In_x8P上垒层，包括步骤如下：温度保持在640±3℃，继续通入TMIn、TMGa和PH₃，在所述Ga_1-x7In_x7P量子阱上生长所述Ga_1-x8In_x8P上垒层。

根据本发明优选的，步骤(6)中，停止生长时间为1-5s。

进一步优选的，步骤(6)中，停止生长时间为3s，并采用手动补气方式。避免反应室压力波动造成生长模式紊流的出现。

根据本发明优选的，步骤(8)中，在所述Ga_x9In_1-x9As_y5P_1-y5上波导层上依次生长所述AlGaInP上限制层、所述Ga_1-x12In_x12P上过渡层及所述GaAs帽层，包括步骤如下：

S9，温度缓变至700±3℃，继续通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在所述Ga_x9In_{1- x9}As_y5P_1-y5上波导层上生长所述(Al_1-x10Ga_x10)_y6In_1-y6P上限制层-1；

S10，温度保持在700±3℃，继续通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在(Al_1-x10Ga_x10)_y6In_1-y6P上限制层-1上生长所述(Al_1-x11Ga_x11)_y7In_1-y7P上限制层-2；

S11,温度降低至680±10℃，继续通入TMIn、TMGa和PH₃，在所述(Al_1-x11Ga_x11)_y7In_1-y7P上限制层-2上生长所述Ga_1-x12In_x12P上过渡层；

S12,将温度降低到540±10℃，继续通入TMGa和AsH₃，在所述Ga_1-x12In_x12P上过渡层上生长所述GaAs帽层。

本发明的有益效果为：

1、利用GaInAsP作为波导层、GaInP作为量子阱，实现无铝有源区设计，腔面解离时抗氧化能力增加，降低了腔面缺陷的形成，减少光吸收，提高腔面的抗烧毁能力及半导体激光器的寿命。

2、调控GaInAsP四元合金组分，实现与GaAs衬底晶格匹配，避免生长过程中的应力积聚，同时与量子阱保证适当带隙差，提高载流子限制能力。

3、优化生长条件，如GaInAsP波导层640℃低温生长，并严格控制温度波导，避免温度对生长过程产生的影响，降低四元合金表面粗糙度较大对材料性能的影响。

附图说明

图1是本发明无铝有源区的红光半导体激光器的结构示意图；

图2是现有的常规红光半导体激光器的结构示意图；

图3是图1本发明无铝有源区的红光半导体激光器GaInAsP波导层与图2现有的常规红光半导体激光器AlGaInP波导层AFM表面粗糙度测试对比示意图；

图4为本发明无铝有源区的红光半导体激光器生长过程中的RT曲线a与DRT曲线b的示意图；

1、GaAs衬底，2、GaAs缓冲层，3、Ga_x1In_1-x1P下过渡层，4、AlGaInP下限制层，5、Ga_x5In_1-x5As_y4P_1-y4下波导层，6、Ga_1-x6In_x6P下垒层，7、Ga_1-x7In_x7P量子阱，8、Ga_1-x8In_x8P上垒层，9、Ga_x9In_1-x9As_y5P_1-y5上波导层，10、AlGaInP上限制层，11、Ga_1-x12In_x12P上过渡层，12、GaAs帽层，13、含铝Ga_x5In_1-x5As_y4P_1-y4下波导层，14、含铝Ga_x9In_1-x9As_y5P_1-y5上波导层。

具体实施方式

下面结合说明书和说明书附图对本发明作进一步限定，但不限于此。

实施例1

一种无铝有源区的红光半导体激光器，如图1所示，包括由下至上依次设置的GaAs衬底1、GaAs缓冲层2、Ga_x1In_1-x1P下过渡层3、AlGaInP下限制层4、Ga_x5In_1-x5As_y4P_1-y4下波导层5、Ga_1-x6In_x6P下垒层6、Ga_1-x7In_x7P量子阱7、Ga_1-x8In_x8P上垒层8、Ga_x9In_1-x9As_y5P_1-y5上波导层9、AlGaInP上限制层10、Ga_1-x12In_x12P上过渡层11和GaAs帽层12；

AlGaInP下限制层4包括由下自上设置的(Al_1-x2Ga_x2)_y1In_1-y1P下限制层-1、(Al_{1- x3}Ga_x3)_y2In_1-y2P下限制层-2、(Al_1-x4Ga_x4)_y3In_1-y3P下限制层-3；

AlGaInP上限制层10包括由下自上设置的(Al_1-x10Ga_x10)_y6In_1-y6P上限制层-1、(Al_1-x11Ga_x11)_y7In_1-y7P上限制层-2；

其中，0.4≤x1≤0.6；0≤x2≤0.3，0.4≤y1≤0.6；0≤x3≤0.3，0.4≤y2≤0.6；0≤x4≤0.3，0.4≤y3≤0.6；0.85≤x5≤0.93，0.7≤y4≤0.85；0.35≤x6≤0.45；0.55≤x7≤0.7；0.35≤x8≤0.45；0.85≤x9≤0.93，0.7≤y5≤0.85；0.05≤x10≤0.35，0.4≤y6≤0.6；0≤x11≤0.3，0.4≤y7≤0.6；0.4≤x12≤0.6。

(Al_1-x2Ga_x2)_y1In_1-y1P下限制层-1、(Al_1-x3Ga_x3)_y2In_1-y2P下限制层-2、(Al_1-x4Ga_x4)_y3In_1-y3P下限制层-3主要是因为存在温度的一个变化，分别由680-700、700、700-640，因为GaInAsP波导层中As/P比例对温度非常敏感，所以在限制层-3降温，避免温度对波导层的影响，没有特殊效果。

通过公式a＝5.8688-0.4176x+0.1896y+0.0125xy计算GaInAsP四元合金晶格常数，分别将x5、y4代入x、y，将x9、y5代入x、y，求取的GaInAsP四元合金晶格常数a的取值为5.653埃。

通过公式Eg＝1.35+0.68x-1.068y+0.758x²+0.78y²-0.069xy-0.332x²y+0.3xy²计算材料带隙，分别将x5、y4代入x、y，将x9、y5代入x、y，求取的GaInAsP四元合金材料带隙Eg的取值范围为2.05eV≤Eg≤2.25eV。

利用设备自带DRT(挠度计)监控材料生长曲线，从而实现GaInAsP与衬底晶格匹配，带隙大于GaInP量子阱(635nm对应带隙1.95eV)小于AlInP限制层(与衬底匹配带隙2.35eV)，且与量子阱之间带隙差较大，保证适当的载流子限制能力。

GaInP有序结构(1.84eV)及无序结构(1.91eV)分别做阱及波导层，带隙差0.07eV，相对较小；而用GaInAsP做波导层，带隙取值2.05-2.25eV，则与无序GaInP量子阱(1.91eV)之间，带隙差在1.04-1.34eV，明显大于0.07eV，带隙差增大，阱内对电子及空穴的限制能力增强，加强了内量子复合效率。

现有的常规红光半导体激光器的结构示意图如图2所示，和本发明不同的是，现有的常规红光半导体激光器包括含铝Ga_x5In_1-x5As_y4P_1-y4下波导层13及含铝Ga_x9In_1-x9As_y5P_1-y5上波导层14。

图3是图1本发明无铝有源区的红光半导体激光器GaInAsP波导层与图2现有的常规红光半导体激光器AlGaInP波导层AFM表面粗糙度测试对比示意图；图3中，横坐标是μm，代表测试范围，纵坐标是nm，代表测试样品表面高度。GaInAsP表面粗糙度Ra＝0.143nm，AlGaInP表面粗糙度Ra＝0.139nm，两者粗糙度基本一致，GaInAsP波导层不会显著增加界面散射。

实施例2

根据实施例1所述的一种无铝有源区的红光半导体激光器，其区别在于：Ga_x5In_{1- x5}As_y4P_1-y4下波导层5的厚度为0.1-0.3μm，非故意掺杂；Ga_x9In_1-x9As_y5P_1-y5上波导层9的厚度为0.1-0.3μm，非故意掺杂；Ga_1-x7In_x7P量子阱7的厚度为5-10nm，非故意掺杂。

实施例3

根据实施例1所述的一种无铝有源区的红光半导体激光器，其区别在于：x5＝0.9，y4＝0.8。Ga_x5In_1-x5As_y4P_1-y4下波导层5的厚度为0.2μm。x9＝0.9，y5＝0.8。Ga_x9In_1-x9As_y5P_1-y5上波导层9的厚度为0.13μm。x7＝0.65。Ga_x5In_1-x5As_y4P_1-y4下波导层5、Ga_x9In_1-x9As_y5P_1-y5上波导层9组分取值，目的是调整带隙及晶格常数，而Ga_x5In_1-x5As_y4P_1-y4下波导层5、Ga_x9In_{1- x9}As_y5P_1-y5上波导层9厚度不同，目的是调控发光区光场向N侧偏移，减少载流子对光吸收造成的损耗。

Ga_1-x7In_x7P量子阱7的厚度为7nm。Ga_1-x7In_x7P量子阱7组分不同，带隙不同，发光波长也不同(＝1240/Eg nm),目的是控制发光波长，而张应变量子阱为了抑制TM模发光，Ga_1-x7In_x7P量子阱7厚度一般不大于10nm，厚度太薄对老化性能不好。

实施例4

根据实施例1所述的一种无铝有源区的红光半导体激光器，其区别在于：GaAs缓冲层2的掺杂浓度为3E18-6E18个原子/cm³，厚度为0.1-0.3μm；Ga_x1In_1-x1P下过渡层3的掺杂浓度为1E18-3E18个原子/cm³，厚度为0.1-0.3μm；(Al_1-x2Ga_x2)_y1In_1-y1P下限制层-1的厚度为0.01-0.05μm，掺杂浓度为7E17-1.5E18个原子/cm³；(Al_1-x3Ga_x3)_y2In_1-y2P下限制层-2的厚度为0.8-1.2μm，掺杂浓度为7E17-1.5E18个原子/cm³；(Al_1-x4Ga_x4)_y3In_1-y3P下限制层-3的厚度为0.01-0.05μm，掺杂浓度为7E17-1.5E18个原子/cm³；Ga_1-x6In_x6P下垒层6的厚度为3-15nm，非故意掺杂；Ga_1-x8In_x8P上垒层8的厚度为3-15nm，非故意掺杂；(Al_1-x10Ga_x10)_y6In_1-y6P上限制层-1的厚度为0.03-0.08μm，掺杂浓度为7E17-1.5E18个原子/cm³；(Al_1-x11Ga_x11)_y7In_1-y7P上限制层-2的厚度为0.8-1.2μm，掺杂浓度为7E17-1.5E18个原子/cm³；Ga_1-x12In_x12P上过渡层11的厚度为0.01-0.05μm，掺杂浓度为1E18-3E18个原子/cm³；GaAs帽层12的厚度为0.1-0.5μm，掺杂浓度为4E19-1E20个原子/cm³。

实施例5

根据实施例1所述的一种无铝有源区的红光半导体激光器，其区别在于：

GaAs缓冲层2的掺杂浓度为4E18个原子/cm³，厚度为0.2μm；Ga_x1In_1-x1P下过渡层3的掺杂浓度为2E18个原子/cm³，厚度为0.1μm，x1＝0.5；(Al_1-x2Ga_x2)_y1In_1-y1P下限制层-1的厚度为0.02μm，掺杂浓度为1E18个原子/cm³，x2＝0，y1＝0.5；(Al_1-x3Ga_x3)_y2In_1-y2P下限制层-2的厚度为1μm，掺杂浓度为1E18个原子/cm³，x3＝0，y2＝0.5；(Al_1-x4Ga_x4)_y3In_1-y3P下限制层-3的厚度为0.02μm，掺杂浓度为1E18个原子/cm³，x4＝0，y3＝0.5；Ga_1-x6In_x6P下垒层6的厚度为5nm，x6＝0.4；目的是对张应变量子阱进行压应变补偿，中和有源区应力，使量子阱产生更大应力降低阈值电流，而不会因应力过大临界厚度小，产生位错等缺陷，影响产品性能。

Ga_1-x8In_x8P上垒层8的厚度为5nm，x8＝0.4；(Al_1-x10Ga_x10)_y6In_1-y6P上限制层-1的厚度为0.05μm，掺杂浓度为1E18个原子/cm³，x10＝0.3，y6＝0.5；(Al_1-x11Ga_x11)_y7In_1-y7P上限制层-2的厚度为1μm，掺杂浓度为1E18个原子/cm³，x11＝0，y7＝0.5；Ga_1-x12In_x12P上过渡层11的厚度为0.02μm，掺杂浓度为2E18个原子/cm³，x12＝0.5；GaAs帽层12的厚度为0.2μm，掺杂浓度为7E19个原子/cm³。

x1＝0.5，x12＝0.5，实现GaInP与GaAs衬底1晶格匹配，避免晶格失配导致的应力积聚及位错缺陷；x6＝0.4，x8＝0.4，实现应变补偿；y1＝0.5，y2＝0.5，y3＝0.5，y6＝0.5，y7＝0.5，实现GaInP与GaAs衬底1晶格匹配，避免晶格失配导致的应力积聚及位错缺陷；调整x2、x3、x4、x10、x11的目的是控制Al、Ga组分比例，调整带隙大小，Al组分越多，带隙越大，折射率越小，对光的限制能力更好，可以降低阈值、提高效率；但Al70的时候导带带隙最大，对电子具有最好的限制能力，因此有的时候用Al70。

实施例6

实施例1-5任一所述无铝有源区的红光半导体激光器的制备方法，在MOCVD设备生长室内实现，包括步骤如下：

(1)在GaAs衬底1上依次生长GaAs缓冲层2、Ga_x1In_1-x1P下过渡层3、AlGaInP下限制层4；

(2)温度保持在640±3℃，通入TMIn、TMGa、AsH3和PH₃，在AlGaInP下限制层4上生长Ga_x5In_1-x5As_y4P_1-y4下波导层5；

由于GaInAsP四元合金中As、P并入效率比与温度呈非线性关系，且PH3裂解受温度影响较大，需严格控制GaInAsP四元合金生长温度，避免组分漂移，产生应力积聚；优化生长条件，降低生长材料表面粗糙度；本发明采用RT控温，严格监控表面生长温度，采用DRT曲线监控生长过程中的应力匹配。

(3)在Ga_x5In_1-x5As_y4P_1-y4下波导层5上生长Ga_1-x6In_x6P下垒层6；

(4)温度保持在640±3℃，通入TMIn、TMGa和PH₃，在Ga_1-x6In_x6P下垒层6上生长Ga_{1- x7}In_x7P量子阱7；

(5)在Ga_1-x7In_x7P量子阱7上生长Ga_1-x8In_x8P上垒层8；

(6)温度保持在640±3℃，继续通入AsH₃和PH₃，停止生长；

(7)温度保持在640±3℃，继续通入TMIn、TMGa、AsH3和PH₃，在Ga_1-x8In_x8P上垒层8上生长Ga_x9In_1-x9As_y5P_1-y5上波导层9；

(8)在Ga_x9In_1-x9As_y5P_1-y5上波导层9上依次生长AlGaInP上限制层10、Ga_1-x12In_x12P上过渡层11及GaAs帽层12。

该制备方法使用GaInAsP作为波导层，避免了有源区Al组分的引入，实现无铝有源区设计，提高腔面的抗烧毁能力及半导体激光器的寿命。

实施例7

根据实施例6所述无铝有源区的红光半导体激光器的制备方法，其区别在于：

步骤(1)中，在GaAs衬底1上依次生长GaAs缓冲层2、Ga_x1In_1-x1P下过渡层3、AlGaInP下限制层4，包括步骤如下：

S1，将GaAs衬底1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1进行表面热处理；

S2，将温度缓降到680±3℃，继续通入TMGa和AsH3，在GaAs衬底1上生长GaAs缓冲层2；

S3,温度保持在680±3℃，继续通入TMIn、TMGa和PH3，在GaAs缓冲层2上生长Ga_x1In_1-x1P下过渡层3；

S4,温度缓变至700±3℃，继续通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在Ga_x1In_1-x1P下过渡层3上生长(Al_1-x2Ga_x2)_y1In_1-y1P下限制层-1；

S5,温度保持在700±3℃，继续通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在(Al_1-x2Ga_x2)_y1In_1-y1P下限制层-1上生长(Al_1-x3Ga_x3)_y2In_1-y2P下限制层-2；

S6，温度缓变至640±3℃，继续通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在(Al_1-x3Ga_x3)_y2In_1-y2P下限制层-2上生长(Al_1-x4Ga_x4)_y3In_1-y3P下限制层-3。

步骤(3)中，在Ga_x5In_1-x5As_y4P_1-y4下波导层5上生长Ga_1-x6In_x6P下垒层6，包括步骤如下：

S7，温度保持在640±3℃，继续通入PH₃，停止生长；

S8，温度保持在640±3℃，继续通入TMIn、TMGa和PH₃，在Ga_x5In_1-x5As_y4P_1-y4下波导层5上生长Ga_1-x6In_x6P下垒层6。

步骤S7中，停止生长时间为1-10s。

步骤(5)中，在Ga_1-x7In_x7P量子阱7上生长Ga_1-x8In_x8P上垒层8，包括步骤如下：温度保持在640±3℃，继续通入TMIn、TMGa和PH₃，在Ga_1-x7In_x7P量子阱7上生长Ga_1-x8In_x8P上垒层8。

步骤(6)中，停止生长时间为1-5s。

步骤(8)中，在Ga_x9In_1-x9As_y5P_1-y5上波导层9上依次生长AlGaInP上限制层10、Ga_{1- x12}In_x12P上过渡层11及GaAs帽层12，包括步骤如下：

S9，温度缓变至700±3℃，继续通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在Ga_x9In_1-x9As_y5P_1-y5上波导层9上生长(Al_1-x10Ga_x10)_y6In_1-y6P上限制层-1；

S10，温度保持在700±3℃，继续通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在(Al_1-x10Ga_x10)_y6In_1-y6P上限制层-1上生长(Al_1-x11Ga_x11)_y7In_1-y7P上限制层-2；

S11,温度降低至680±10℃，继续通入TMIn、TMGa和PH₃，在(Al_1-x11Ga_x11)_y7In_1-y7P上限制层-2上生长Ga_1-x12In_x12P上过渡层11；

S12,将温度降低到540±10℃，继续通入TMGa和AsH₃，在Ga_1-x12In_x12P上过渡层11上生长GaAs帽层12。

实施例8

根据实施例7所述无铝有源区的红光半导体激光器的制备方法，其区别在于：

步骤S7中，停止生长时间为3s，并采用手动补气方式。避免反应室压力波动造成生长模式紊流的出现。

步骤(6)中，停止生长时间为3s，并采用手动补气方式。避免反应室压力波动造成生长模式紊流的出现。

实施例9

根据实施例6所述无铝有源区的红光半导体激光器的制备方法，其区别在于：

步骤(1)中，在GaAs衬底1上依次生长GaAs缓冲层2、Ga_x1In_1-x1P下过渡层3、AlGaInP下限制层4，包括步骤如下：

S1，将GaAs衬底1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1进行表面热处理；

S2，将温度缓降到680±3℃，降温速率不高于30℃/min，继续通入TMGa和AsH3，在GaAs衬底1上生长GaAs缓冲层2；GaAs缓冲层2的掺杂源为Si₂H₆，Si原子的掺杂浓度为4×10¹⁸个原子/cm³，GaAs缓冲层2的厚度为0.2μm。

S3,温度保持在680±3℃，继续通入TMIn、TMGa和PH3，在GaAs缓冲层2上生长Ga_0.5In_0.5P下过渡层；Ga_0.5In_0.5P下过渡层的掺杂源为Si₂H₆，Ga_0.5In_0.5P下过渡层的厚度为0.2μm，Si原子的掺杂浓度为2×10¹⁸个原子/cm³。

S4,温度缓变至700±3℃，升温速率不高于60℃/min，继续通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在Ga_0.5In_0.5P下过渡层上生长n型Al_0.5In_0.5P下限制层-1；Al_0.5In_0.5P下限制层-1的掺杂源为Si₂H₆，Al_0.5In_0.5P下限制层-1的厚度为0.02μm，Si原子的掺杂浓度为1×10¹⁸个原子/cm³。

S5,将温度保持在700±3℃，通入TMAl、TMIn和PH₃，在Al_0.5In_0.5P下限制层-1上生长n型Al_0.5In_0.5P下限制层-2；Al_0.5In_0.5P下限制层-2的掺杂源为Si₂H₆，Al_0.5In_0.5P下限制层-2的厚度为1μm，Si原子的掺杂浓度为1×10¹⁸个原子/cm³。

S6，将温度缓变到640±3℃，通入TMAl、TMIn和PH₃，在Al_0.5In_0.5P下限制层-2上生长n型Al_0.5In_0.5P下限制层-3；Al_0.5In_0.5P下限制层-3的掺杂源为Si₂H₆，Al_0.5In_0.5P下限制层-3的厚度为0.02μm，Si原子的掺杂浓度为1×10¹⁸个原子/cm³。

S7,将温度保持在640±3℃，通入TMIn、TMGa、AsH₃和PH₃，在Al_0.5In_0.5P下限制层-3上生长Ga_0.9In_0.1As_0.8P_0.2下波导层，非故意掺杂，Ga_0.9In_0.1As_0.8P_0.2下波导层的厚度为0.2μm。

S8，将温度保持在640±3℃，通入PH₃，停止生长，时间3s。

S9，将温度保持在640±3℃，通入TMIn、TMGa和PH₃，在下波导层上生长Ga_0.4In_0.6P下垒层，Ga_0.4In_0.6P下垒层的厚度为5nm，非故意掺杂，受压应变。

S10,将温度保持在640±3℃，通入TMIn、TMGa和PH₃，在下垒层上生长Ga_0.65In_0.35P量子阱，Ga_0.65In_0.35P量子阱的厚度为7nm，非故意掺杂，受张应变，发光波长627nm。

S11，将温度保持在640±3℃，通入TMIn、TMGa和PH₃，在量子阱上生长Ga_0.4In_0.6P上垒层，Ga_0.4In_0.6P上垒层的厚度为5nm，非故意掺杂，受压应变。

S12，将温度保持在640±3℃，通入PH₃，停止生长，时间3s。

S13,将温度保持在640±3℃，通入TMIn、TMGa、AsH₃和PH₃，在Ga_0.4In_0.6P上垒层上生长Ga_0.9In_0.1As_0.8P_0.2上波导层，非故意掺杂，Ga_0.9In_0.1As_0.8P_0.2上波导层的厚度为0.13μm。

S14，将温度缓变至700±10℃，升温速率不高于60℃/min，继续通入TMAl、TMIn和PH₃，在Ga_0.9In_0.1As_0.8P_0.2上波导层上生长p型Al_0.5In_0.5P上限制层-1；Al_0.5In_0.5P上限制层-1的掺杂源为Cp₂Mg，镁原子的掺杂浓度为为1×10¹⁸个原子/cm³，Al_0.5In_0.5P上限制层-1的厚度为0.02μm。

S15，将温度保持在700±10℃，继续通入TMAl、TMIn和PH₃，在Al_0.5In_0.5P上限制层-1上生长p型Al_0.5In_0.5P上限制层-2；Al_0.5In_0.5P上限制层-2的掺杂源为Cp₂Mg，镁原子的掺杂浓度为为1×10¹⁸个原子/cm³，Al_0.5In_0.5P上限制层-2的厚度为1μm。

S16，将温度渐变至680±10℃，降温速率不高于30℃/min，通入TMIn、TMGa和PH₃，在上限制层生长Ga_0.5In_0.5P上过渡层；Ga_0.5In_0.5P上过渡层的掺杂源为Cp₂Mg，镁原子的掺杂浓度为2×10¹⁸个原子/cm³，Ga_0.5In_0.5P上过渡层的厚度为24nm。

S17,将温度降低到540±10℃，降温速率不超过40℃/min，继续通入TMGa和AsH₃，在上过渡层上生长GaAs帽层12；GaAs帽层的厚度为0.2μm，掺杂源为CBr₄，C原子的掺杂浓度为7×10¹⁹个原子/cm³。

由此制得AlGaInP红光半导体激光器，由下至上依次包括GaAs衬底1、GaAs缓冲层2、Ga_0.5In_0.5P下过渡层、Al_0.5In_0.5P下限制层、Ga_0.9In_0.1As_0.8P_0.2下波导层、Ga_0.4In_0.6P下垒层、Ga_0.65In_0.35P量子阱、Ga_0.4In_0.6P上垒层、Ga_0.9In_0.1As_0.8P_0.2上波导层、Al_0.5In_0.5P上限制层、Ga_0.5In_0.5P上过渡层和GaAs帽层12。

此结构利用GaInAsP作为波导层、GaInP作为量子阱，实现无铝有源区设计，腔面解离时抗氧化能力增加，降低了腔面缺陷的形成，减少光吸收，提高腔面的抗烧毁能力及半导体激光器的寿命。

图4为本发明无铝有源区的红光半导体激光器生长过程中的RT曲线a与DRT曲线b的示意图；由下方挠度计曲线(DRT)，可见生长过程中基本平稳，在GaInAsP波导层位置DRT曲线中1段与2段波导层生长阶段基本呈水平线，表明生长过程中GaInAsP波导层与衬底晶格匹配，无明显失配现象。

对比例

一种常规的AlGaInP红光半导体激光器的制备方法，包括步骤如下：

S1，将GaAs衬底1放在MOCVD设备生长室内，H₂环境下升温到720±10℃烘烤；并通入AsH₃，对GaAs衬底1进行表面热处理；

S2，将温度缓降到680±10℃，降温速率不高于30℃/min，通入TMGa和AsH₃，在GaAs衬底1上生长GaAs缓冲层2；GaAs缓冲层2的掺杂源为Si₂H₆，Si原子的掺杂浓度为4×10¹⁸个原子/cm³，GaAs缓冲层2的厚度为0.2μm。

S3,将温度保持在680±10℃，通入TMGa、TMIn和PH₃，在GaAs缓冲层2上生长Ga_0.5In_0.5P下过渡层；Ga_0.5In_0.5P下过渡层的掺杂源为Si₂H₆，Ga_0.5In_0.5P下过渡层的厚度为0.2μm，Si原子的掺杂浓度为2×10¹⁸个原子/cm³。

S4,将温度缓变至700±10℃，升温速率不高于60℃/min，通入TMAl、TMIn和PH₃，在所述Ga_0.5In_0.5P下过渡层上生长n型Al_0.5In_0.5P下限制层；Al_0.5In_0.5P下限制层的掺杂源为Si₂H₆，Al_0.5In_0.5P下限制层的厚度为1.2μm，Si原子的掺杂浓度为1×10¹⁸个原子/cm³。

S5,将温度缓变到650±10℃，降温速率不高于30℃/min，通入TMAl、TMIn、TMGa和PH₃，在所述下限制层上生长(Al_0.5Ga_0.5)_0.5In_0.5P下波导层，非故意掺杂，所述(Al_0.5Ga_0.5)_0.5In_0.5P下波导层的厚度为0.1μm。

S6,将温度保持在650±10℃，通入TMIn、TMGa和PH₃，在所述下波导层上生长Ga_0.65In_0.35P量子阱，Ga_0.65In_0.35P量子阱的厚度为6nm，非故意掺杂，受张应变，发光波长627nm。

S7,将温度缓变至700±10℃，升温速率不高于60℃/min，继续通入TMAl、TMIn、TMGa和PH₃，在所述量子阱上生长(Al_0.5Ga_0.5)_0.5In_0.5P上波导层，厚度为0.1μm，在远离量子阱上表面0.05μm的上波导层部分进行二分之一掺杂，镁原子的掺杂浓度为4×10¹⁷个原子/cm³。

S8，将温度保持在700±10℃，继续通入TMAl、TMIn和PH₃，在(Al_0.5Ga_0.5)_0.5In_0.5P上波导层上生长p型Al_0.5In_0.5P第一上限制层；Al_0.5In_0.5P上限制层的掺杂源为Cp₂Mg，镁原子的掺杂浓度为为1×10¹⁸个原子/cm³，Al_0.5In_0.5P第一上限制层的厚度为1μm。

S9，将温度渐变至680±10℃，降温速率不高于30℃/min，通入TMIn、TMGa和PH₃，在所述上限制层生长Ga_0.5In_0.5P上过渡层；Ga_0.5In_0.5P上过渡层的掺杂源为Cp₂Mg，镁原子的掺杂浓度为2×10¹⁸个原子/cm³，Ga_0.5In_0.5P上过渡层的厚度为24nm。

S10,将温度降低到540±10℃，降温速率不超过40℃/min，继续通入TMGa和AsH₃，在所述上过渡层上生长GaAs帽层12；GaAs帽层的厚度为0.2μm，掺杂源为CBr₄，C原子的掺杂浓度为7×10¹⁹个原子/cm³。

由此制得AlGaInP红光半导体激光器，由下至上依次包括GaAs衬底1、GaAs缓冲层2、Ga_0.5In_0.5P下过渡层、Al_0.5In_0.5P下限制层、(Al_0.5Ga_0.5)_0.5In_0.5P下波导层、Ga_0.65In_0.35P量子阱、(Al_0.5Ga_0.5)_0.5In_0.5P上波导层、Al_0.5In_0.5P上限制层、Ga_0.5In_0.5P上过渡层和GaAs帽层12。

此结构有源区为AlGaInP波导层，解离过程中易氧化，造成缺陷密度提高，非辐射复合增强，引起位错和缺陷的产生与向内传播，使得该材料系更易发生COD。

表1为本发明(a)与常规结构(b)在腔长1500μm，周期40μm条件下测试结果，可见本发明阈值及斜率效率基本不变，但COD明显上升。

表1

	阈值电流mA	工作电压(1A)V	斜率效率W/A	COD功率mW
					a	179	2.61	0.79	1307
b	175	2.57	0.8	936

Claims (10)

1.一种无铝有源区的红光半导体激光器，其特征在于，包括由下至上依次设置的GaAs衬底、GaAs缓冲层、Ga_x1In_1-x1P下过渡层3、AlGaInP下限制层、Ga_x5In_1-x5As_y4P_1-y4下波导层、Ga_1-x6In_x6P下垒层、Ga_1-x7In_x7P量子阱、Ga_1-x8In_x8P上垒层、Ga_x9In_1-x9As_y5P_1-y5上波导层、AlGaInP上限制层、Ga_1-x12In_x12P上过渡层和GaAs帽层；

所述AlGaInP下限制层包括由下自上设置的(Al_1-x2Ga_x2)_y1In_1-y1P下限制层-1、(Al_{1- x3}Ga_x3)_y2In_1-y2P下限制层-2、(Al_1-x4Ga_x4)_y3In_1-y3P下限制层-3；

所述AlGaInP上限制层包括由下自上设置的(Al_1-x10Ga_x10)_y6In_1-y6P上限制层-1、(Al_{1- x11}Ga_x11)_y7In_1-y7P上限制层-2；

其中，0.4≤x1≤0.6；0≤x2≤0.3，0.4≤y1≤0.6；0≤x3≤0.3，0.4≤y2≤0.6；0≤x4≤0.3，0.4≤y3≤0.6；0.85≤x5≤0.93，0.7≤y4≤0.85；0.35≤x6≤0.45；0.55≤x7≤0.7；0.35≤x8≤0.45；0.85≤x9≤0.93，0.7≤y5≤0.85；0.05≤x10≤0.35，0.4≤y6≤0.6；0≤x11≤0.3，0.4≤y7≤0.6；0.4≤x12≤0.6。

2.根据权利要求1所述的一种无铝有源区的红光半导体激光器，其特征在于，x5＝0.9，y4＝0.8。

3.根据权利要求1所述的一种无铝有源区的红光半导体激光器，其特征在于，所述Ga_x5In_1-x5As_y4P_1-y4下波导层的厚度为0.1-0.3μm，非故意掺杂；

进一步优选的，所述Ga_x5In_1-x5As_y4P_1-y4下波导层的厚度为0.2μm；

进一步优选的，x9＝0.9，y5＝0.8。

4.根据权利要求1所述的一种无铝有源区的红光半导体激光器，其特征在于，所述Ga_x9In_1-x9As_y5P_1-y5上波导层的厚度为0.1-0.3μm，非故意掺杂；

进一步优选的，所述Ga_x9In_1-x9As_y5P_1-y5上波导层的厚度为0.13μm；

进一步优选的，x7＝0.65。

5.根据权利要求1所述的一种无铝有源区的红光半导体激光器，其特征在于，所述Ga_{1- x7}In_x7P量子阱的厚度为5-10nm，非故意掺杂；

进一步优选的，所述Ga_1-x7In_x7P量子阱的厚度为7nm。

6.根据权利要求1所述的一种无铝有源区的红光半导体激光器，其特征在于，所述GaAs缓冲层的掺杂浓度为3E18-6E18个原子/cm³，厚度为0.1-0.3μm；

所述Ga_x1In_1-x1P下过渡层的掺杂浓度为1E18-3E18个原子/cm³，厚度为0.1-0.3μm；

所述(Al_1-x2Ga_x2)_y1In_1-y1P下限制层-1的厚度为0.01-0.05μm，掺杂浓度为7E17-1.5E18个原子/cm³；

所述(Al_1-x3Ga_x3)_y2In_1-y2P下限制层-2的厚度为0.8-1.2μm，掺杂浓度为7E17-1.5E18个原子/cm³；

所述(Al_1-x4Ga_x4)_y3In_1-y3P下限制层-3的厚度为0.01-0.05μm，掺杂浓度为7E17-1.5E18个原子/cm³；

所述Ga_1-x6In_x6P下垒层的厚度为3-15nm，非故意掺杂；

所述Ga_1-x8In_x8P上垒层的厚度为3-15nm，非故意掺杂；

所述(Al_1-x10Ga_x10)_y6In_1-y6P上限制层-1的厚度为0.03-0.08μm，掺杂浓度为7E17-1.5E18个原子/cm³；

所述(Al_1-x11Ga_x11)_y7In_1-y7P上限制层-2的厚度为0.8-1.2μm，掺杂浓度为7E17-1.5E18个原子/cm³；

所述Ga_1-x12In_x12P上过渡层的厚度为0.01-0.05μm，掺杂浓度为1E18-3E18个原子/cm³；

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，

所述GaAs缓冲层的掺杂浓度为4E18个原子/cm³，厚度为0.2μm；

所述Ga_x1In_1-x1P下过渡层的掺杂浓度为2E18个原子/cm³，厚度为0.1μm，x1＝0.5；

所述(Al_1-x2Ga_x2)_y1In_1-y1P下限制层-1的厚度为0.02μm，掺杂浓度为1E18个原子/cm³，x2＝0，y1＝0.5；

所述(Al_1-x3Ga_x3)_y2In_1-y2P下限制层-2的厚度为1μm，掺杂浓度为1E18个原子/cm³，x3＝0，y2＝0.5；

所述(Al_1-x4Ga_x4)_y3In_1-y3P下限制层-3的厚度为0.02μm，掺杂浓度为1E18个原子/cm³，x4＝0，y3＝0.5；

所述Ga_1-x6In_x6P下垒层的厚度为5nm，x6＝0.4；

所述Ga_1-x8In_x8P上垒层的厚度为5nm，x8＝0.4；

所述(Al_1-x10Ga_x10)_y6In_1-y6P上限制层-1的厚度为0.05μm，掺杂浓度为1E18个原子/cm³，x10＝0.3，y6＝0.5；

所述(Al_1-x11Ga_x11)_y7In_1-y7P上限制层-2的厚度为1μm，掺杂浓度为1E18个原子/cm³，x11＝0，y7＝0.5；

所述Ga_1-x12In_x12P上过渡层的厚度为0.02μm，掺杂浓度为2E18个原子/cm³，x12＝0.5；

所述GaAs帽层的厚度为0.2μm，掺杂浓度为7E19个原子/cm³。

7.权利要求1-6任一所述无铝有源区的红光半导体激光器的制备方法，在MOCVD设备生长室内实现，其特征在于，包括步骤如下：

(1)在所述GaAs衬底上依次生长所述GaAs缓冲层、所述Ga_x1In_1-x1P下过渡层、所述AlGaInP下限制层；

(2)温度保持在640±3℃，通入TMIn、TMGa、AsH3和PH₃，在所述AlGaInP下限制层上生长所述Ga_x5In_1-x5As_y4P_1-y4下波导层；

(3)在所述Ga_x5In_1-x5As_y4P_1-y4下波导层上生长所述Ga_1-x6In_x6P下垒层；

(4)温度保持在640±3℃，通入TMIn、TMGa和PH₃，在所述Ga_1-x6In_x6P下垒层上生长所述Ga_1-x7In_x7P量子阱；

(5)在所述Ga_1-x7In_x7P量子阱上生长所述Ga_1-x8In_x8P上垒层；

(6)温度保持在640±3℃，继续通入AsH₃和PH₃，停止生长；

(7)温度保持在640±3℃，继续通入TMIn、TMGa、AsH3和PH₃，在所述Ga_1-x8In_x8P上垒层上生长所述Ga_x9In_1-x9As_y5P_1-y5上波导层；

(8)在所述Ga_x9In_1-x9As_y5P_1-y5上波导层上依次生长所述AlGaInP上限制层、所述Ga_{1- x12}In_x12P上过渡层及所述GaAs帽层。

8.根据权利要求7所述无铝有源区的红光半导体激光器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，在所述GaAs衬底上依次生长所述GaAs缓冲层、所述Ga_x1In_1-x1P下过渡层、所述AlGaInP下限制层，包括步骤如下：

S1，将所述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，对所述GaAs衬底进行表面热处理；

S2，将温度缓降到680±3℃，继续通入TMGa和AsH3，在所述GaAs衬底上生长所述GaAs缓冲层；

S3,温度保持在680±3℃，继续通入TMIn、TMGa和PH3，在所述GaAs缓冲层上生长所述Ga_x1In_1-x1P下过渡层；

S4,温度缓变至700±3℃，继续通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在所述Ga_x1In_1-x1P下过渡层上生长所述(Al_1-x2Ga_x2)_y1In_1-y1P下限制层-1；

S5,温度保持在700±3℃，继续通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在所述(Al_1-x2Ga_x2)_y1In_1-y1P下限制层-1上生长所述(Al_1-x3Ga_x3)_y2In_1-y2P下限制层-2；

S6，温度缓变至640±3℃，继续通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在所述(Al_1-x3Ga_x3)_y2In_1-y2P下限制层-2上生长所述(Al_1-x4Ga_x4)_y3In_1-y3P下限制层-3。

9.根据权利要求7所述无铝有源区的红光半导体激光器的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，在所述Ga_x5In_1-x5As_y4P_1-y4下波导层上生长所述Ga_1-x6In_x6P下垒层，包括步骤如下：

S7，温度保持在640±3℃，继续通入PH₃，停止生长；

S8，温度保持在640±3℃，继续通入TMIn、TMGa和PH₃，在所述Ga_x5In_1-x5As_y4P_1-y4下波导层上生长所述Ga_1-x6In_x6P下垒层。

10.根据权利要求7-9任一所述无铝有源区的红光半导体激光器的制备方法，其特征在于，步骤S7中，停止生长时间为1-10s；

进一步优选的，步骤S7中，停止生长时间为3s，并采用手动补气方式；

步骤(5)中，在所述Ga_1-x7In_x7P量子阱上生长所述Ga_1-x8In_x8P上垒层，包括步骤如下：温度保持在640±3℃，继续通入TMIn、TMGa和PH₃，在所述Ga_1-x7In_x7P量子阱上生长所述Ga_{1- x8}In_x8P上垒层；

步骤(6)中，停止生长时间为1-5s；

步骤(6)中，停止生长时间为3s，并采用手动补气方式；

步骤(8)中，在所述Ga_x9In_1-x9As_y5P_1-y5上波导层上依次生长所述AlGaInP上限制层、所述Ga_1-x12In_x12P上过渡层及所述GaAs帽层，包括步骤如下：

S9，温度缓变至700±3℃，继续通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在所述Ga_x9In_1-x9As_y5P_1-y5上波导层上生长所述(Al_1-x10Ga_x10)_y6In_1-y6P上限制层-1；

S10，温度保持在700±3℃，继续通入TMAl、TMIn、TMGa和PH3，在(Al_1-x10Ga_x10)_y6In_1-y6P上限制层-1上生长所述(Al_1-x11Ga_x11)_y7In_1-y7P上限制层-2；

S11,温度降低至680±10℃，继续通入TMIn、TMGa和PH₃，在所述(Al_1-x11Ga_x11)_y7In_1-y7P上限制层-2上生长所述Ga_1-x12In_x12P上过渡层；

S12,将温度降低到540±10℃，继续通入TMGa和AsH₃，在所述Ga_1-x12In_x12P上过渡层上生长所述GaAs帽层。

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