940nm～1000nm波段半導體雷射器量子阱外延結構的製作方法
2023-10-20 13:15:57 1
專利名稱：940nm～1000nm波段半導體雷射器量子阱外延結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體雷射器領域，尤其是一種940nm lOOOnm波段的低開啟電壓高效率半導體雷射器的量子阱外延結構。
背景技術：
近年來，大功率半導體雷射器的有源區幾乎都採用應變量子阱結構，這是因為應變效應和量子尺寸效應使得半導體雷射器價帶的有效質量減小，態密度降低，以獲得較低的閾值電流密度，從而提高了雷射器的工作特性。半導體雷射器發展至今，閾值電流密度從1000A/cm2降低到100A/cm2以下，波長從紅外發展到遠紅外和可見光，輸出功率不斷提高，單管輸出功率從幾百毫瓦發展到幾瓦，性能得到改善。 半導體雷射器在固體雷射器泵浦、雷射醫療、雷射加工、雷射顯示以及軍事應用等
領域得到了越來越廣泛的應用。在固體雷射器的應用中，小型化很重要，因此提高電光轉換
效率、減少廢熱，減輕固態雷射器在熱管理方面的負擔變得越來越重要。 一般認為限制雷射
器效率的關鍵因素是額外電壓降、電子-空穴對丟失和光子丟失等因素。額外電壓降來自
載流子從雷射器頂部和底部注入，要穿越所有異質壁壘所產生的電壓降。 為了解決電光轉換效率低的問題，減少"無益電壓"，也就是減少額外電壓降來提
高半導體雷射器的電光轉換效率，研究了用各種不同材料製備的量子阱半導體雷射器的性能，如lnGaAs/GaAs、 InGaAs/AlInGaAs、 InGaAs/InGaAsP、 AlGaAs/AlInGaAs等等，但是都未取得令人滿意的結果。目前，常用的940nm 1000nm波段的半導體雷射器中，上波導層和下波導層為Al。.35GaAs，上限制層和下限制層為Al。.5GaAs，工作電壓為1. 85V，開啟電壓1. 59V，轉換效率僅為50%左右，電壓高效率低。因此迫切需要優化半導體雷射器結構設計來降低雷射器的工作電壓，提高雷射器的效率。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種940nm 1000nm波段半導體雷射器量子阱外延結構，該結構通過優化量子阱外延結構中波導層和限制層的A1含量，解決了半導體雷射器的工作電壓高、光電轉換效率低的問題。 為解決上述技術問題，本發明所採取的技術方案是一種940nm 1000nm波段半導體雷射器量子阱外延結構，其結構中包括襯底、依次沉積在襯底上的緩衝層、下限制層、下波導層、量子阱層、上波導層、上限制層、電極接觸層，其中上波導層和下波導層為ALGaAs，其中x = 0. 13 0. 2 ;上限制層和下限制層為AlyGaAs，其中y = 0. 3 0. 39。
採用上述技術方案所產生的有益效果在於通過優化波導層的Al組分，使得量子阱與波導勢壘之間的能階變小，費米能級的彎曲幅度變小，使得額外電壓降低，從而使開啟電壓降低；通過優化限制層的Al組分，減少了載流子穿越所有異質壁壘產生的電壓降，使得額外電壓降低，開啟電壓和工作電壓降低，達到提高電光轉換效率的目的；同時，這種設計增加了波導層和限制層的帶階，能夠有效阻礙導帶電子或價帶空穴向限制層的擴散和漂
3移，從而減小器件的漏電流，提高電流注入效率，從而提高電光轉換效率。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明。 圖1是本發明提出的940nm lOOOnm波段半導體雷射器量子阱外延結構的示意
圖； 圖2是限制層和波導層中不同Al組分雷射器的電壓V-電流密度J特性比較 圖3是限制層和波導層中不同Al組分雷射器的電光轉換效率n-電流密度J特性比較圖； 其中，1襯底，2緩衝層，3下限制層，4下波導層，5量子阱層，6上波導層，7上限制層，8電極接觸層。
具體實施例方式
參閱圖1，本發明提供的940nm 1000nm波段半導體雷射器量子阱外延結構包括襯底1、依次沉積在襯底1上的緩衝層2、下限制層3、下波導層4、量子阱層5、上波導層6、上限制層7、電極接觸層8，其中上波導層6和下波導層4為AlxGaAs， x = 0. 13 0. 2 ;上限制層7和下限制層3為AlyGaAs， y = 0. 3 0. 39。 襯底1 :襯底1用於在其上進行半導體雷射器各層材料外延生長，本發明中襯底1是(100)面的N型砷化鎵，這樣能夠有利於電子的注入，減小襯底l材料的串聯電阻。
緩衝層2 :緩衝層2製作在襯底1上，為N型砷化鎵材料，其目的是形成高質量的外延表面，減小襯底與其它各層的應力，消除襯底的缺陷向其它各層的傳播，以利於器件其它各層材料的生長。 下限制層3 :下限制層3製作在緩衝層2上，為高摻雜的N型鋁鎵砷材料，其目的是限制光場橫模向緩衝層2和襯底1的擴展，減小光的損耗，也是限制載流子的擴散，減小空穴漏電流，以降低器件的閾值電流，同時降低勢壘，減小電壓虧損，提高效率。
下波導層4 :下波導層4製作在下限制層3上，為輕摻雜的N型鋁鎵砷材料，其目的是加強對光場的限制，減小光束的遠場發散角，提高器件的光束質量，採用輕摻雜是為了減少該層對光的吸收損耗，同時使量子阱層5與下波導層4勢壘之間的能階變小，費米能級的彎曲幅度變小，額外電壓降減小。 量子阱層5 :量子阱層5製作在下波導層4上，為非摻雜的銦鎵砷材料，其作用是作為雷射器的有源區，提供足夠的光增益，並決定器件的激射波長以及器件的使用壽命。
上波導層6 :上波導層6製作在量子阱層5上，為輕摻雜的P型鋁鎵砷材料，上波導層6的作用是加強對光場的限制，減小光束的遠場發散角，提高器件的光束質量，採用輕摻雜是為了減少上波導層6對光的吸收損耗，同時使量子阱層5與上波導層6勢壘之間的能階變小，費米能級的彎曲幅度變小，額外電壓降減小。 上限制層7 :上限制層7製作在上波導層6上，為高摻雜的P型鋁鎵砷材料，其優點是增加了上波導層6和上限制層7的帶階，能夠有效阻礙電子向上限制層7的擴散和漂移，從而減小電子的漏電流，以降低器件的閾值電流，提高注入效率，而且限制光場橫模向該上限制層7的擴展，減小光的損耗，也是降低勢壘，減小電壓虧損，提高效率。
電極接觸層8 :電極接觸層8製作在上限制層7上，為重摻雜的P型砷化鎵材料，其目的是實現良好的歐姆接觸，採用重摻雜是為了減小串聯電阻，提高器件的轉換效率。
參見圖2和圖3可知，本發明明顯降低了 940nm 1000nm波段半導體雷射器的開啟電壓及工作電壓，半導體雷射器電光轉換效率從50%提高到了 67%。由此可知，本發明提供的半導體雷射器外延結構在不增加工藝步驟的基礎上能夠有效提高電光轉換效率。
權利要求
一種940nm～1000nm波段半導體雷射器量子阱外延結構，其結構中包括襯底(1)、依次沉積在襯底上的緩衝層(2)、下限制層(3)、下波導層(4)、量子阱層(5)、上波導層(6)、上限制層(7)、電極接觸層(8)，其特徵在於上波導層(6)和下波導層(4)為AlxGaAs，其中x＝0.13～0.2；上限制層(7)和下限制層(3)為AlyGaAs，其中y＝0.3～0.39。
2. 根據權利要求1所述的940nm 1000nm波段半導體雷射器量子阱外延結構，其特徵在於所述襯底(1)和緩衝層(2)均為N型砷化鎵材料。
3. 根據權利要求1所述的940nm 1000nm波段半導體雷射器量子阱外延結構，其特徵在於所述為下限制層(3)為N型鋁鎵砷材料。
4. 根據權利要求1所述的940nm 1000nm波段半導體雷射器量子阱外延結構，其特徵在於所述下波導層(4)和上波導層(6)為鋁鎵砷材料。
5. 根據權利要求1所述的940nm 1000nm波段半導體雷射器量子阱外延結構，其特徵在於所述量子阱層(5)為銦鎵砷材料。
6. 根據權利要求1所述的940nm 1000nm波段半導體雷射器量子阱外延結構，其特徵在於所述上限制層(7)為P型鋁鎵砷材料。
7. 根據權利要求1所述的940nm 1000nm波段半導體雷射器量子阱外延結構，其特徵在於所述電極接觸層(8)為P型砷化鎵材料。
全文摘要
本發明公開了一種半導體雷射器量子阱外延結構，尤其是一種940nm～1000nm波段的高效率半導體雷射器的量子阱外延結構，結構中包括襯底、依次沉積在襯底上的緩衝層、下限制層、下波導層、量子阱層、上波導層、上限制層、電極接觸層，其中上波導層和下波導層為AlxGaAs，x＝0.13～0.2；上限制層和下限制層為AlyGaAs，y＝0.3～0.39。該結構通過優化量子阱外延結構中波導層和限制層的Al含量，解決了半導體雷射器的工作電壓高、光電轉換效率低的問題，達到了降低工作電壓，提高光電轉換效率的目的。
文檔編號H01S5/343GK101764355SQ20101003339
公開日2010年6月30日 申請日期2010年1月19日 優先權日2010年1月19日
發明者安振峰, 徐會武, 楊紅偉, 林琳, 王晶, 車相輝, 陳宏泰 申請人:中國電子科技集團公司第十三研究所