CN212659824U

CN212659824U - 一种808nm激光外延片

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Publication number: CN212659824U
Application number: CN202020636225.7U
Authority: CN
Inventors: 罗帅; 季海铭; 徐鹏飞; 王岩; 王俊; 徐智鹏
Original assignee: Jiangsu Huaxing Laser Technology Co ltd
Current assignee: Jiangsu Huaxing Laser Technology Co ltd
Priority date: 2020-04-24
Filing date: 2020-04-24
Publication date: 2021-03-05
Anticipated expiration: 2030-04-24

Abstract

本实用新型涉及半导体技术领域，尤其涉及一种808nm激光外延片，其不同之处在于：其由下至上依次包括衬底、缓冲层、下限制层、光栅层、覆盖层、包层、下波导层、量子阱层、上波导层、上限制层和接触层，所述光栅层上制备有N面光栅图形。本实用新型制备的激光外延片波长漂移系数低、注入效率高。

Description

一种808nm激光外延片

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域，尤其涉及一种808nm激光外延片。

背景技术

自上世纪六十年代初半导体激光器问世以来，因其具有波长覆盖范围广、结构紧凑、可靠性高和易于集成性等性能优势，已在人们的日常生活，工、农业生产以及国防军事等领域得到广泛的应用。半导体激光器的性能很大程度上取决于半导体外延片的质量，因此高质量外延片的制备是制备高性能半导体激光器的关键。工作在808nm波段的半导体激光器是Nd:YAG激光器工作不可或缺的泵浦源。随着技术的发展，无铝材料相比含铝材料做成的器件具有更高的腔面光学灾变功率密度、更高的热导率和电导率，且不易氧化等优势逐渐在实际应用中成为主流。目前常用的法布里珀罗（FP）腔半导体激光器由于其光谱线宽比较宽，光谱随温度和工作电流的变化比较大，限制了它在抽运固体激光器等领域的应用。分布反馈（DFB）半导体激光器是在激光器的外延结构中集成布拉格光栅，利用折射率周期变化的结构实现谐振腔反馈功能，其具有高的发射波长稳定性、窄的光谱线宽、宽的工作温度范围，具有广泛的应用前景和无可比拟的优越性。同时由于光栅材料选择及布拉格微结构的引入对二次外延的晶体质量及器件载流子注入效率具有非常大的影响，进而影响整个激光器的工作性能。一般来说，GaAs基材料通常选用GaAs/AlGaAs材料利用其晶格匹配同时具有较大折射率差的特点制作布拉格反射镜材料，但含铝材料界面氧化等问题给高质量材料二次外延生长带来了很大困难。

鉴于此，为克服上述技术缺陷，提供一种808nm激光外延片成为本领域亟待解决的问题。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种808nm激光外延片，该激光外延片波长漂移系数低，注入效率高。

为解决以上技术问题，本实用新型的技术方案为：一种808nm激光外延片，其不同之处在于：其由下至上依次包括衬底、缓冲层、下限制层、光栅层、覆盖层、包层、下波导层、量子阱层、上波导层、上限制层和接触层，所述光栅层上制备有N面光栅图形。

按以上技术方案，所述缓冲层的材料为GaAs，掺杂浓度介于1×10¹⁸~3×10¹⁸cm^-3之间，生长速度介于0.4~0.6 nm/s之间。

按以上技术方案，所述光栅层由下至上分为第一光栅层、第二光栅层、第三光栅层共三层，所述第一光栅层、第三光栅层的材料均为GaInP，所述第二光栅层的材料为(In)GaAsP。

按以上技术方案，所述光栅层的光栅占空比范围介于20%~80%之间。

按以上技术方案，所述覆盖层的材料为GaInP或GaAs，厚度为50~100nm。

按以上技术方案，所述包层的材料为(Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP，Al组分x介于0.1~0.6之间，y的范围介于0.4~0.6之间，厚度为50~500nm。

按以上技术方案，所述量子阱层的材料为GaAsP或InGaAsP，厚度为5~15nm。

按以上技术方案，所述下波导层和上波导层的材料为GaInP或AlGaInP，厚度为400~1200nm。

按以上技术方案，所述下限制层和上限制层的材料为(Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP，Al组分x介于0.3~0.8之间，y的范围介于0.4~0.6之间。

按以上技术方案，所述接触层的材料为GaAs，掺杂浓度大于5E18 cm^-3，生长温度低于650℃。

由上述方案，本实用新型公开了一种808nm激光外延片，其通过AlGaInP包层中插入GaInP/InGaAsP/GaInP光栅实现对激光波长随注入电流漂移速度的锁定，并大幅提高二次外延材料晶体质量；通过N面光栅设计降低载流子通过布拉格反射镜时的阻抗；通过对包层能带设计实现高光栅耦合效率，降低空间烧孔效应，提高激光器输出性能。

附图说明

图1为本实用新型实施例激光外延片的整体结构示意图；

图2为本实用新型实施例激光外延片制备光栅前的结构示意图；

图3为本实用新型实施例激光外延片制备光栅后的结构示意图；

其中：1-衬底；2-缓冲层；3-下限制层；4-第一光栅层；5-第二光栅层；6-第三光栅层；7-覆盖层；8-包层；9-下波导层；10-量子阱层；11-上波导层；12-上限制层；13-接触层。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

在下文中，将参考附图来更好地理解本实用新型的许多方面。附图中的部件未必按照比例绘制。替代地，重点在于清楚地说明本实用新型的部件。此外，在附图中的若干视图中，相同的附图标记指示相对应零件。

如本文所用的词语“示例性”或“说明性”表示用作示例、例子或说明。在本文中描述为“示例性”或“说明性”的任何实施方式未必理解为相对于其它实施方式是优选的或有利的。下文所描述的所有实施方式是示例性实施方式，提供这些示例性实施方式是为了使得本领域技术人员做出和使用本公开的实施例并且预期并不限制本公开的范围，本公开的范围由权利要求限定。在其它实施方式中，详细地描述了熟知的特征和方法以便不混淆本实用新型。出于本文描述的目的，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”和其衍生词将与如图1定向的实用新型有关。而且，并无意图受到前文的技术领域、背景技术、实用新型内容或下文的详细描述中给出的任何明示或暗示的理论限制。还应了解在附图中示出和在下文的说明书中描述的具体装置和过程是在所附权利要求中限定的实用新型构思的简单示例性实施例。因此，与本文所公开的实施例相关的具体尺寸和其他物理特征不应被理解为限制性的，除非权利要求书另作明确地陈述。

请参考图1，本实用新型808nm激光外延片，其不同之处在于：其由下至上依次包括GaAs衬底1、缓冲层2、下限制层3、光栅层、覆盖层7、包层8、下波导层9、量子阱层10、上波导层11、上限制层12和接触层13，所述光栅层上制备有N面光栅图形。

优选的，所述缓冲层2为GaAs材料，掺杂浓度介于1×10¹⁸~3×10¹⁸cm^-3之间，生长速度介于0.4~0.6 nm/s之间。

具体的，所述光栅层由下至上分为第一光栅层4、第二光栅层5、第三光栅层6共三层，所述第一光栅层4、第三光栅层6的材料均为GaInP，所述第二光栅层5的材料为(In)GaAsP。

优选的，所述光栅层的光栅占空比范围介于20%~80%之间。

优选的，所述覆盖层7为GaInP或GaAs材料，厚度为50~100nm。

优选的，所述包层8为(Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP材料，Al组分x介于0.1~0.6之间，y的范围介于0.4~0.6之间，厚度为50~500nm。

优选的，所述量子阱层10为GaAsP或InGaAsP材料，厚度为5~15nm。

优选的，所述下波导层9和上波导层11为GaInP或AlGaInP材料，厚度为400~1200nm。

优选的，所述下限制层3和上限制层12为(Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP材料，Al组分x介于0.3~0.8之间，y的范围介于0.4~0.6之间。

优选的，所述接触层13为GaAs材料，掺杂浓度大于5E18 cm^-3，生长温度低于650℃。

本实用新型实施例中，制备该808nm激光外延片的具体步骤如下：

步骤1：选择一GaAs衬底1，其中GaAs衬底1为GaAs单晶片，晶向为（001），偏角在±0.5^o以内，厚度为325-375μm，掺杂浓度为(2-8)×10¹⁸cm^-3；

步骤2：在该衬底1上依次沉积GaAs缓冲层2、下限制层3、光栅层4、5、6；GaAs缓冲层2厚度为500nm，生长温度介于600至660℃之间，掺杂浓度介于1×10¹⁸至3×10¹⁸cm^-3之间，生长速度约0.4-0.6 nm/s，过快的生长速度不利于高质量缓冲层的形成；其中下限制层3为(Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP材料，Al组分x为0.5，掺杂浓度介于1×10¹⁸至2×10¹⁸cm^-3之间，生长温度介于630-680℃之间，厚度为1000nm；光栅层4、5、6分别为GaInP、InGaAsP和GaInP材料，材料失配度小于±500ppm，生长温度介于630-680℃之间，总厚度为70nm。

步骤3：在上述外延基片（光栅层）上制作N面光栅图形。具体的，将上述基片使用有机溶剂清洗干净，并用大量的去离子水冲洗，甩干。经过前烘、匀胶、后烘、全息曝光、显影、坚膜、刻蚀、去胶等过程后得到808 nm DFB半导体激光外延片制作所需的二级布拉格光栅。通过曝光时间和显影时间配合得到0.25的占空比。其光栅周期为240 nm，深度为60 nm。制作完成后通过原子力显微镜（AFM）及扫描电子显微镜（SEM）对光栅进行表面形貌、周期和深度的测试，确保制作图形符合设计要求。本步骤中，光栅层的三层材料会被部分刻蚀掉，后续在刻蚀掉的沟槽里生长覆盖层7及后面各层。

步骤4：在制备有光栅图形的基片上继续生长覆盖层7，包层8，下波导层9、量子阱层10、上波导层11、上限制层12、接触层13。具体的，将经过步骤3制作的基片使用溶剂将残留光刻胶清洗干净，并用大量的去离子水冲洗，甩干。然后放入到MOCVD生长反应室中，经过升温将其表面氧化层充分脱附。其中，覆盖层7为GaInP材料，生长厚度为50-100nm，确保光栅层被充分覆盖。其包层8为(Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP材料，Al组分x为0.3，掺杂浓度介于5×10¹⁷至1×10¹⁸cm^-3之间，生长温度介于630-680℃之间，厚度为50-500nm。下波导层9、上波导层11为GaInP材料，材料失配度小于±500ppm，生长温度介于630-680℃之间，总厚度为400-1200nm，量子阱层10为GaAsP材料，其厚度为5-15nm；上限制层12为(Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP材料，Al组分x为0.5，采用Zn或Mg作为掺杂剂，掺杂浓度介于5×10¹⁷至1.5×10¹⁸cm^-3之间，生长温度介于630-680^oC之间，厚度为500-1500nm。接触层13为GaAs材料，掺杂浓度大于5E18 cm^-3，生长温度低于650℃，本实施例中，我们采用的掺杂浓度为5E19 cm^-3，生长温度为600℃，过高的生长温度会导致Zn向外扩散逃逸，从而降低接触层的掺杂浓度，增大接触电阻。

以上所述外延材料生长设备为MOCVD，外延生长过程中使用的源分别是三甲基铟（TMIn），三甲基镓（TMGa），三乙基镓（TEGa），砷烷（AsH3），磷烷（PH3），硅烷（SiH4），二乙基锌（DEZn）。

本实用新型实施例基于能带结构设计，结合MOCVD外延工艺及光栅微结构制作。通过分子束外延（MBE）或者金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长808nm波段半导体激光外延材料，结合全息、电子束曝光或纳米压印技术制作光栅，实现了一种低波长漂移系数、高注入效率的激光泵浦用808nm波段激光外延片。

以上内容是结合具体的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种808nm激光外延片，其特征在于：其由下至上依次包括衬底、缓冲层、下限制层、光栅层、覆盖层、包层、下波导层、量子阱层、上波导层、上限制层和接触层，所述光栅层上制备有N面光栅图形。

2.根据权利要求1所述的808nm激光外延片，其特征在于：所述缓冲层的材料为GaAs，掺杂浓度介于1×10¹⁸~3×10¹⁸cm^-3之间，生长速度介于0.4~0.6 nm/s之间。

3.根据权利要求1所述的808nm激光外延片，其特征在于：所述光栅层由下至上分为第一光栅层、第二光栅层、第三光栅层共三层，所述第一光栅层、第三光栅层的材料均为GaInP，所述第二光栅层的材料为(In)GaAsP。

4.根据权利要求3所述的808nm激光外延片，其特征在于：所述光栅层的光栅占空比范围介于20%~80%之间。

5.根据权利要求1所述的808nm激光外延片，其特征在于：所述覆盖层的材料为GaInP或GaAs，厚度为50~100nm。

6.根据权利要求1所述的808nm激光外延片，其特征在于：所述量子阱层的材料为GaAsP或InGaAsP，厚度为5~15nm。

7.根据权利要求1所述的808nm激光外延片，其特征在于：所述下波导层和上波导层的材料为GaInP或AlGaInP，厚度为400~1200nm。

8.根据权利要求1所述的808nm激光外延片，其特征在于：所述接触层的材料为GaAs，掺杂浓度大于5E18 cm^-3，生长温度低于650℃。