應變平衡有源區(qū)梯度勢阱層半導體激光器結構的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導體光電子學技術領域,特別涉及一種半導體激光器,具體是一種 應變平衡有源區(qū)梯度勢阱層半導體激光器結構。
【背景技術】
[0002] 大功率半導體激光器在泵浦固體激光器和光釬激光器領域、醫(yī)療領域和通訊信息 領域有著非常廣泛的應用和市場需求。隨著對激光器功率的要求越來越高,器件可靠性的 問題越來越突出。對大功率半導體激光器而言,由于高輸出光功率密度引起的腔面光學災 變損傷和各種載流子復合熱效應引起有源區(qū)和腔面的溫度的升高成為限制最大輸出光功 率密度,影響其可靠性和壽命的主要因素。
[0003] 隨著激光器技術和半導體薄膜生長技術的發(fā)展,以低鋁組分的InGaAs/AlGaAs為 量子阱、InGaAs/GaAs傳統(tǒng)量子阱以及新型的InGaAs/GaAsP有源區(qū)激光器結構。在大電流 高功率的工作條件下,產(chǎn)生大量的熱能使有源區(qū)中Al元素氧化、腔面光學損傷閾值低等, InGaAs/GaAs傳統(tǒng)量子阱材料會產(chǎn)生載流子泄漏,工作閾值電流高,光電轉換效率低等缺點 逐漸將會被新的材料所代替以適應市場對大功率激光器的需求。InGaAs/GaAsP有源區(qū)激光 器是一種新型的大功率半導體激光器材料,能有效的解決有源區(qū)Al氧化、載流子泄漏等缺 點。但是這種新型的半導體量子阱材料的缺點:1.材料生長晶格匹配問題,如何實現(xiàn)高質 量應變補償量子阱材料共格生長;2.在高In組分下,生長勢阱層量子阱材料之后,In易發(fā) 生偏析,導致異質界面差,如何實現(xiàn)生長高質量的適用于激光器領域的光滑的突變異質界 面。
[0004] 為了解決有源區(qū)應變補償量子阱高質量的異質界面的制備,在普通的應變補償量 子阱的基礎上,提出生長完高In組分勢阱層到勢皇層中間插入超薄的低In組分InGaAs層 和超薄的GaAs層,從而解決了失配率過大,導致生長表面粗糙度大,In偏析等問題。
[0005] 隨著技術的發(fā)展,目前為了獲得穩(wěn)定的高功率輸出,提高腔面光學災變閾值電流 低,提高斜率效率以及光電轉換效率等,對半導體激光器有源區(qū)量子阱材料異質界面的生 長質量要求越來越高。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種應變平衡有源區(qū)梯度勢阱層半導體激光器結構,在非 對稱波導層的基礎上對器件的波導層材料和限制層材料如何影響模式限制因子、吸收損 耗、閾值電流、輸出功率以及長壽命可靠性等進行研宄,以期得到最優(yōu)化的新結構材料體系 的半導體激光器。
[0007] 本發(fā)明是通過如下技術方案實現(xiàn)的: 一種應變平衡有源區(qū)梯度勢阱層半導體激光器結構,包括: 襯底,為(1〇〇)面的N型GaAs材料; 緩沖層,設于襯底上,為N型GaAs材料; 下匹配層,設于緩沖層上,為N型AlGaAs材料; 下限制層,設于下匹配層上,為N型AlGaAs材料; 下過渡層,設于下限制層上,為N型GaAs材料; 下波導層,設于下過渡層上,為N型InGaAsP材料; 多量子講層,設于下波導層上,包括高In組分InGaAs/低In組分InGaAs/GaAs/GaAsP 勢皇層,周期數(shù)為2彡N彡6 ;多量子阱層由下而上包括:第一 GaAsP勢皇層,第一晶格匹配 緩沖層GaAs,第一低In組分應變補償中間層InGaAs,InGaAs勢阱層,第二低In組分應變 補償中間層InGaAs,第二晶格匹配緩沖層GaAs和第二GaAsP勢皇層; 上波導層,設于多量子阱層上,為P型InGaAsP材料; 上過渡層,設于上波導層上,為P型GaAs材料; 上限制層,設于上過渡層上,為P型AlGaAs材料; 上匹配層,設于上限制層上,為P型InGaP材料; 電極接觸層,設于上匹配層上,為P型GaAs材料。
[0008] 進一步的,襯底高溫清洗溫度為700°C ; 緩沖層的厚度為150nm,摻雜元素為硅,載流子濃度為3. 5E18,V /III比為5,生長溫 度為550°C ; 下匹配層的厚度為30nm,其中Al的組分為大于等于0. 05、小于等于0. 2,載流子濃度為 3· 0E18, V / III 比為 5,生長溫度為 550°C到 650°C ; 下限制層的厚度為1850nm,其中Al的組分大于0. 45,摻雜元素為硅;載流子濃度為 2. 0E18 ;V / III比為50,生長溫度為650°C ; 下過渡層的厚度為2nm,生長溫度為690°C ;下過渡層采用GaAs材料,使得下限制層和 下波導層的界面容易得到高質量的外延材料,減少界面態(tài)數(shù)目,降低載流子復合熱效應導 致的溫升,提高激光器的可靠性; 下波導層的厚度為400nm,其中In的組分大于0小于0. 45, P的組分小于等于0. 1,下波 導層采用帶差小的InGaAsP材料,這種材料體系能夠提供較小的導帶差和較大的價帶差, 有利于導帶電子注入和價帶中對空穴形成更高的勢皇,提高COD值,增加器件的可靠性;下 波導層的載流子濃度為3. 0E17,V / ΙΠ 比為80,生長溫度為690°C ; 多量子阱層采用應變補償量子阱高In組分InGaAs/低In組分InGaAs/GaAs/GaAsP材 料,這樣能降低累積應變失配率,降低工作閾值電流,從而滿足大電流高功率的需求;第一 GaAsP勢皇層的厚度為12nm-20nm,其中P組分大于0. 1 ;第一晶格匹配緩沖層GaAs的厚度 為0· 56nm ;第一低In組分應變補償中間層InGaAs的厚度為0· 57nm,其中組分為大于0· 075 小與0. 15 ;InGaAs勢講層的厚度為6nm_10nm,其中組分大于0. 15小于0. 22 ;第二低In組 分應變補償中間層InGaAs的厚度為0.57nm,其中組分為大于0.075小于0. 15 ;第二晶格 匹配緩沖層GaAs的厚度為0· 56nm ;第二GaAsP勢皇層厚度為12nm-20nm,其中P組分大于 〇. 1 ;多量子阱層的V / III比為1〇〇,生長溫度為690°C ;這種梯度In組分漸變層能夠有效 的解決高In組分下的偏析現(xiàn)象,達到改善界面質量的目的。還可以解決在高In組分下晶 格匹配,避免量子阱材料發(fā)生弛豫現(xiàn)象。因此,梯度超薄漸變層的插入可以提高因失配導致 的位錯密度的降低,從而改善量子阱的界面質量; 上波導層的厚度為250nm,其中In的組分大于O小于0. 45, P的組分小于等于0. 1,上波 導層采用帶差小的InGaAsP材料,這種材料體系能夠提供較小的導帶差和較大的價帶差, 有利于導帶電子注入和價帶中對空穴形成更高的勢皇,提高COD值,增加器件的可靠性;并 且選擇非對稱的直波導結構,這種波導結構的量子阱限制因子較小,工作電壓低,在相同量 子阱厚度的條件下可以提高出光功率;上波導層的V /III比為80,生長溫度為690°C ; 上過渡層的厚度為2nm,V / ΠΙ比為50,生長溫度為690°C ;上過渡層采用GaAs材料, 使得上波導層和上限制層的界面容易得到高質量的外延材料,減少界面態(tài)數(shù)目,降低載流 子復合熱效應導致的溫升,提高激光器的可靠性; 上限制層的厚度為1850nm,其中Al的組分大于0. 25,摻雜元素為碳或碳鋅共摻,載流 子濃度為7. 0E17, V / ΠΙ比為50,生長溫度為690°C ;上限制層采用導帶差小的AlGaAs材 料,這種材料體系能夠提供較小的導帶差和較大的價帶差,有利于導帶電子形成良好的限 制,同時降低價帶空穴注入有源區(qū)的阻礙; 上匹配層的厚度為30nm,其中In的組分大于等于0. 45、小于等于0. 6,摻雜元素為碳或 碳鋅共摻,載流子濃度彡2. 0E19,V / ΠΙ比為5,生長溫度為690°C ; 電極接觸層的厚度為150nm,摻雜元素為碳或碳鋅共摻,載流子濃度多I. 0E20, V /III 比為5,生長溫度為650 °C。
[0009] 本發(fā)明所述的應變平衡有源區(qū)梯度勢阱層半導體激光器結構的制備方法是:采用 金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)的方法在N-GaAs襯底上至下而上依次外延生長各層。 [0010] 本發(fā)明是在改善多量子阱層的勢皇層和勢阱層材料突變異質界面質量、降低晶格 常數(shù)應變失配率過大,減少量子阱有源區(qū)總的累積應變失配率,避免量子阱異質界面發(fā)生 晶格弛豫現(xiàn)象,從而對降低激光器的閾值電流、增大輸出功率,提高光電轉換效率以及延長 壽命可靠性等進行改進,得到的新型結構材料體系的半導體激光器。
[0011] 本發(fā)明的有益效果如下: 1) 非對稱直波導:量子阱限制因子較小,在相同量子阱厚度的條件下,可以得到更大的 光點尺寸,降低電壓,提高電光轉換效率,改善出光功率; 2) InGaAsP四元波導層:提供較小的導帶差和較大的價帶差,這樣易于導帶電子注入 和在價帶中對空穴形成更高的勢皇,有利用載流子的COD值明顯提高,約AlGaAs波導層的 2倍,器件可靠穩(wěn)定性提高; 3) 應變補償量子阱:降低應變失配率,提高多量子阱薄膜以及界面的的晶體質量,增加 電子空穴對的復合效率; 4) 勢阱梯度漸變層:避免高In組分下的偏析現(xiàn)象,降低異質結的失配率,提高量子阱 界面表面的光滑度,降低能帶彎曲,從而實現(xiàn)增加粒子反轉數(shù)。
【附圖說明】
[0012] 圖1位本發(fā)明應變平衡有源區(qū)梯度勢阱層半導體激光器結構的示意圖。
[0013] 圖中:1_襯底、2-緩沖層、3-下匹配層、4-下限制層、5-下過渡層、6-下波導層、 7-第一 GaAsP勢皇層、8-第一晶格匹配緩沖層GaAs、9-第一低In組分應變補償中間層 InGaAsUO- InGaAs勢阱層、11-第二低In組分應變補償中間層InGaAs、12-第二晶格匹配 緩沖層GaAs、13-第二GaAsP勢皇層、14-上波導層、15-上過渡層、16-上限制層、17-上匹 配層、18-電極接觸層。
【具體實施方式】
[0014] 以下結合附圖對本發(fā)明作進一步的描述: 如圖1所示,一種應變平衡有源區(qū)梯度勢阱層半導體激光器結構,包括: 襯底1,為(100)面的N型GaAs材料; 緩沖層2,設于襯底1上,為N型GaAs材料; 下匹配層3,設于緩沖層2上,為N型AlGaAs材料; 下限制層4,設于下匹配層3上,為N型AlGaAs材料; 下過渡層5,設于下限制層4上,為N型GaAs材料; 下波導層6,設于下過渡層5上,為N型InGaAsP材料; 多量子講層,設于下波導層