一种复合波导结构的AlGaInP红光半导体激光器件

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，具体涉及一种复合波导结构的AlGaInP红光半导体激光器件。

背景技术

本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

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，但AlGaInP激光器材料结构中的最大导带带阶差只有270meV，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，电子溢出恶化，导致阈值电流增加、斜率效率降低，影响光电转换效率。文献Electronics letters,Vol 28(2),1992,Pg 150–151指出采用MQB多量子阱垒超晶格，可以实现阱间电子能级干涉，从而提高导带能级，提高特征温度。但MQB结构采用多阱垒结构，对生长厚度要求严格，MOCVD设备量产难度大。文献Journal of Crystal Growth,191(3),1998,313-318指出P限制层高掺可以提高P型限制层的准费米能级位置，提高阻挡泄露电子的有效势垒，有助于降低阈值电流。但是P限制层掺杂浓度较高时，掺杂剂扩散会导致限制层及波导层界面粗化，同时在有源区形成非辐射复合中心，导致可靠性降低。文献IEEEjournal of selected topics in quantum electronics,Vol 3(2),1997,Pg180–187指出利用应变补偿可以提高材料晶体质量，避免因临界厚度失配造成可靠性降低。但是垒层厚度较薄，高温工作时载流子活性增加，电子抑制能力有限。

发明内容

针对AlGaInP红光半导体激光器对电子限制能力较差，导致电子从有源区向P型限制层溢出较为严重的问题，本发明提供一种复合波导结构的AlGaInP红光半导体激光器件，该激光器能够有效提高对载流子的抑制能力，提升了光电转换效率。为实现上述目的，本发明公开如下所示的技术方案。

一种复合波导结构的AlGaInP红光半导体激光器件，其由下至上依次包括由下至上依次包括：衬底、缓冲层、组分为Al

进一步地，所述组分渐变下波导层中，0.4≤y1≤0.6。可选地，所述组分渐变下波导层的厚度为0.5-1μm，非故意掺杂。在本发明中，所述组分渐变下波导层中的x1从下到上由1.0渐变至0.55，即组分渐变下波导层中的x1从其下表面到上表面由1.0渐变至0.55，所述下表面是指组分渐变下波导层面向下限制层的面，所述上表面是组分渐变下波导层面向张应变下波导层的面。本发明利用下波导层的组分渐变，有效降低了所述下限制层与张应变下波导层之间的带隙差，提高了载流子传输能力，提高了光电转换效率。

进一步地，所述张应变下波导层中，0.4≤x2≤0.5，0.52≤y2≤0.65。可选地，所述张应变下波导层的厚度为0.2-0.5μm，非故意掺杂。本发明利用张应变下波导层提高导带带隙，并组合所述第一量子阱6提高材料晶体质量，同时张应变下波导层受张应变带隙增大，与组分渐变下波导层界面导带带隙基本一致，减小势垒差值造成的载流子积聚，提高光电转换效率。

进一步地，所述第一量子阱中，0.35≤x3≤0.45，从而使组分为Ga

进一步地，所述张应变垒层中，0.4≤x4≤0.65，0.52≤y3≤0.65，从而使组分为(Al

进一步地，所述第二量子阱中，0.35≤x5≤0.45，从而使组分为Ga

进一步地，所述张应变上波导层中，0.4≤x6≤0.5，0.52≤y4≤0.65。可选地，所述张应变上波导层的厚度为0.2-0.5μm，非故意掺杂。本发明利用张应变上波导层提高导带带隙，并组合所述第二量子阱提高材料晶体质量，同时张应变上波导层受张应变带隙增大，与组分渐变上波导层界面导带带隙基本一致，减小势垒差值造成的载流子积聚，提高光电转换效率。

进一步地，所述组分渐变上波导层中，0.4≤y5≤0.6。可选地，所述组分渐变上波导层的厚度为0.5-1μm，非故意掺杂。在本发明中，所述组分渐变上波导层中的x7从下到上由0.55渐变至1.0，即：组分渐变上波导层中的x7从其下表面到上表面由0.55渐变至1.0，所述下表面是指组分渐变上波导层面向张应变上波导层的面，所述上表面是组分渐变上波导层面向第一上限制层的面。本发明利用所述组分渐变上波导层的组分渐变特点有效降低了所述第一上限制层与张应变上波导层之间的带隙差，提高光电转换效率。

进一步地，所述第一上限制层、第二上限制层中均掺杂有Mg或Zn元素，掺杂浓度为7E17-1.5E18个原子/cm

进一步地，所述腐蚀终止层中，0.5≤x8≤0.65。所述腐蚀终止层中掺杂有Mg或Zn元素，掺杂浓度均在1.2E18-3E18个原子/cm

进一步地，所述上过渡层、上过渡层中均掺杂有Mg或Zn元素，掺杂浓度均在1.5E18-4E18个原子/cm

进一步地，所述帽层材质为GaAs，其中掺杂有C或Zn元素，掺杂浓度在4E19-1E20个原子/cm

与现有技术相比，本发明至少具有以下方面的有益效果：

(1)本发明通过组分渐变下波导层与张应变下波导层组成复合波导结构，并利用组分渐变下波导层的高Al组分的渐变实现与下波导层5导带带隙的连续性，降低能量势垒，提高光电转换效率。同样地，本发明通过组分渐变上波导层与张应变上波导层组成复合波导结构，并利用分渐变上波导层10的高Al组分的渐变实现与张应变上波导层导带带隙的连续性。上的结构设计能够有效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，提高了光电转换效率。

(2)本发明通过张应变下波导层、第一量子阱6、张应变垒层、第二量子阱、张应变上波导层组成应变补偿超晶格结构，避免光电转换效率低、废热多的问题，影响激光器的老化特性，实现有源高可靠性工作。另外，本发明利用所述张应变波导层提高了量子阱与波导层之间的导带带隙差，载流子限制能力增加，减少载流子溢出，提高了载流子抑制能力，改善高温工作特性。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是下列实施例1制备的复合波导结构的AlGaInP红光半导体激光器件的示意图。

图2是下列对比例制备的复合波导结构的AlGaInP红光半导体激光器件的示意图。

图3是下列实施例1制备的复合波导结构的AlGaInP红光半导体激光器件化工作电流曲线。

图4是下列对比例制备的复合波导结构的AlGaInP红光半导体激光器件化工作电流曲线。

其中，附图标记分别代表：1-衬底、2-缓冲层、3-下限制层、4-组分渐变下波导层、5-张应变下波导层、6-第一量子阱、7-张应变垒层、8-第二量子阱、9-张应变上波导层、10-组分渐变上波导层、11-第一上限制层、12-腐蚀终止层、13-第二上限制层、14-上过渡层、15-上过渡层、16-帽层。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件需要具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。

实施例1

一种复合波导结构的AlGaInP红光半导体激光器件(参考图1)的制备方法，包括如下步骤：

S1，将GaAs衬底1放在MOCVD设备生长室内，H

S2，所述S1步骤完成后将所述生长室温度缓降到680℃(降温速度10℃/min)，继续通入TMGa和AsH

S3，将所述生长室温度保持在680℃，通入PH

S4，以5℃/min的速率将所述生长室温度升温至700℃，通入TMAl、TMIn、TMGa和PH

S5，将所述生长室温度降温到630℃(降温速度10℃/min)，通入TMAl、TMIn、TMGa和PH

S6，将所述生长室温度保持在630℃，通入TMAl、TMIn、TMGa和PH

S7，将所述生长室温度保持在630℃，继续通入TMIn、TMGa和PH

S8，将所述生长室温度保持在630℃，继续通入TMAl、TMIn、TMGa和PH

S9，将所述生长室温度保持在630℃，继续通入TMIn、TMGa和PH

S10，将所述生长室温度保持在630℃，继续通入TMAl、TMIn、TMGa和PH

S11，以5℃/min的速率将所述生长室温度升温至700℃，继续通入TMAl、TMIn、TMGa和PH

S12，将所述生长室温度保持在700℃，继续通入TMAl、TMIn和PH

S13，将所述生长室温度保持在700℃，继续通入TMGa、TMIn和PH

S14，将所述生长室温度保持在700℃，继续通入TMAl、TMIn和PH

S15，将所述生长室温度渐变至660℃(降温速度20℃/min)，继续通入TMAl、TMGa、TMIn和PH

S16，将所述生长室温度保持在660℃，继续通入TMGa、TMIn和PH

S17，将所述生长室温度降低到540℃(降温速度20℃/min)，继续通入TMGa和AsH

实施例2

一种复合波导结构的AlGaInP红光半导体激光器件(参考图1)的制备方法，包括如下步骤：

S1，将GaAs衬底1放在MOCVD设备生长室内，H

S2，所述S1步骤完成后将所述生长室温度缓降到670℃(降温速度10℃/min)，继续通入TMGa和AsH

S3，将所述生长室温度保持在670℃，通入PH

S4，以5℃/min的速率将所述生长室温度升温至690℃，通入TMAl、TMIn、TMGa和PH

S5，将所述生长室温度降温到620℃(降温速度10℃/min)，通入TMAl、TMIn、TMGa和PH

S6，将所述生长室温度保持在620℃，通入TMAl、TMIn、TMGa和PH

S7，将所述生长室温度保持在620℃，继续通入TMIn、TMGa和PH

S8，将所述生长室温度保持在620℃，继续通入TMAl、TMIn、TMGa和PH

S9，将所述生长室温度保持在620℃，继续通入TMIn、TMGa和PH

S10，将所述生长室温度保持在620℃，继续通入TMAl、TMIn、TMGa和PH

S11，以5℃/min的速率将所述生长室温度升温至690℃，继续通入TMAl、TMIn、TMGa和PH

S12，将所述生长室温度保持在690℃，继续通入TMAl、TMIn和PH

S13，将所述生长室温度保持在690℃，继续通入TMGa、TMIn和PH

S14，将所述生长室温度保持在690℃，继续通入TMAl、TMIn和PH

S15，将所述生长室温度渐变至650℃(降温速度20℃/min)，继续通入TMAl、TMGa、TMIn和PH

S16，将所述生长室温度保持在650℃，继续通入TMGa、TMIn和PH

S17，将所述生长室温度降低到530℃(降温速度20℃/min)，继续通入TMGa和AsH

实施例3

一种复合波导结构的AlGaInP红光半导体激光器件(参考图1)的制备方法，包括如下步骤：

S1，将GaAs衬底1放在MOCVD设备生长室内，H

S2，所述S1步骤完成后将所述生长室温度缓降到690℃(降温速度10℃/min)，继续通入TMGa和AsH

S3，将所述生长室温度保持在690℃，通入PH

S4，以5℃/min的速率将所述生长室温度升温至710℃，通入TMAl、TMIn、TMGa和PH

S5，将所述生长室温度降温到640℃(降温速度10℃/min)，通入TMAl、TMIn、TMGa和PH

S6，将所述生长室温度保持在640℃，通入TMAl、TMIn、TMGa和PH

S7，将所述生长室温度保持在640℃，继续通入TMIn、TMGa和PH

S8，将所述生长室温度保持在640℃，继续通入TMAl、TMIn、TMGa和PH

S9，将所述生长室温度保持在640℃，继续通入TMIn、TMGa和PH

S10，将所述生长室温度保持在640℃，继续通入TMAl、TMIn、TMGa和PH

S11，以5℃/min的速率将所述生长室温度升温至700℃，继续通入TMAl、TMIn、TMGa和PH

S12，将所述生长室温度保持在710℃，继续通入TMAl、TMIn和PH

S13，将所述生长室温度保持在710℃，继续通入TMGa、TMIn和PH

S14，将所述生长室温度保持在710℃，继续通入TMAl、TMIn和PH

S15，将所述生长室温度渐变至670℃(降温速度20℃/min)，继续通入TMAl、TMGa、TMIn和PH

S16，将所述生长室温度保持在670℃，继续通入TMGa、TMIn和PH

S17，将所述生长室温度降低到550℃(降温速度20℃/min)，继续通入TMGa和AsH

对比例

一种复合波导结构的AlGaInP红光半导体激光器件(参考图2)的制备方法，包括如下步骤：

S1，将GaAs衬底1放在MOCVD设备生长室内，H

S2，所述S1步骤完成后将所述生长室温度缓降到680℃(降温速度10℃/min)，继续通入TMGa和AsH

S3，将所述生长室温度保持在680℃，通入PH

S4，以5℃/min的速率将所述生长室温度升温至700℃，通入TMAl、TMIn、TMGa和PH

S5，将所述生长室温度降温到630℃(降温速度10℃/min)，通入TMAl、TMIn、TMGa和PH

S6，将所述生长室温度保持在630℃，继续通入TMIn、TMGa和PH

S7，将所述生长室温度保持在630℃，继续通入TMAl、TMIn、TMGa和PH

S8，将所述生长室温度保持在630℃，继续通入TMIn、TMGa和PH

S9，以5℃/min的速率将所述生长室温度升温至700℃，继续通入TMAl、TMIn、TMGa和PH

S10，将所述生长室温度保持在700℃，继续通入TMAl、TMIn和PH

S11，将所述生长室温度保持在700℃，继续通入TMGa、TMIn和PH

S12，将所述生长室温度保持在700℃，继续通入TMAl、TMIn和PH

S13，将所述生长室温度渐变至660℃(降温速度20℃/min)，继续通入TMAl、TMGa、TMIn和PH

S14，将所述生长室温度保持在660℃，继续通入TMGa、TMIn和PH

S15，将所述生长室温度降低到540℃(降温速度20℃/min)，继续通入TMGa和AsH

对上述实施例1和对比例制备的复合波导结构的AlGaInP红光半导体激光器件在85℃件进行老化测试，结果分别如图3和图4所示。其中：横坐标为老化时间，纵坐标为10mW输出功率对应的工作电流。从图4可以看出：由于对比例制备的半导体激光器件缺少张应变下波导层5和张应变上波导层9，该半导体激光器件在老化起始阶段出现大量失效。图3显示实施例1制备的半导体激光器件抗老化冲击能力强明显更好。另外，从图4可以看出，该半导体激光器件的10mW对应工作电流39.8mA，图3显示实施例1的半导体激光器件的10mW对应工作电流仅35mA，相同功率下工作电流更下，光电转换效率更高，表明本发明通过所述张应变下波导层5和张应变上波导层9的设置能够有效提高载流子抑制能力，提升光电转换效率。

最后，需要说明的是，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。