本發(fā)明涉及一種利用量子隧穿能力提高光增益的半導(dǎo)體激光器件及其制備方法，屬于光電子。

背景技術(shù)：

1、algainp紅光半導(dǎo)體激光器具有體積小、重量輕，功耗小，可直接調(diào)制，具有很高的效率及可靠性的特點(diǎn)，在塑料光纖傳輸中的近距離全光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和在醫(yī)療美容、激光顯示及工業(yè)測(cè)量等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。然而algainp激光器材料結(jié)構(gòu)中的最大導(dǎo)帶能隙差只有270mev，電子限制能力較差，電子溢出較為嚴(yán)重，同時(shí)algainp熱阻率較大，散熱能力差，隨輸出功率及工作環(huán)境增加，有源區(qū)溫度升高，進(jìn)一步惡化了載流子限制能力，導(dǎo)致閾值電流增加、斜率效率降低，產(chǎn)生更多的廢熱，限制了輸出功率的進(jìn)一步提升。

2、文獻(xiàn)ieee?journal?of?selected?topics?in?quantum?electronics，vol?17(6)，2011，pg?1723–1726指出降低閾值電流密度，有助于抑制載流子溢出，其中采用alinp做為限制層具有最大光限制因子，從而減小閾值電流密度。algainp材料中隨al組分增加導(dǎo)帶帶隙逐漸增大，一般認(rèn)為當(dāng)al組分達(dá)到(al70ga30)50in50p后，材料由直接帶隙轉(zhuǎn)變?yōu)殚g接帶隙，導(dǎo)帶降低、載流子限制能力變差。

3、文獻(xiàn)japanese?journal?of?applied?physics，vol?45，2006，pg?7600–7604報(bào)道了采用5對(duì)張應(yīng)變(al70ga30)0.5in0.5p及壓應(yīng)變gainp交替生長(zhǎng)，來(lái)抑制電子溢出，降低閾值電流密度，提高斜率效率。文獻(xiàn)laser?diode?technology?and?applications，vol?1850，1993，pg?263–269報(bào)道了采用晶格匹配(al70ga30)0.5in0.5p及gainp交替生長(zhǎng)超晶格結(jié)構(gòu)，以提高導(dǎo)帶帶隙，抑制電子溢出，從而提高斜率效率。利用超晶格多量子阱壘結(jié)構(gòu)組成電子反射結(jié)構(gòu)(mqb)，雖然可以提高導(dǎo)帶帶隙，抑制載流子限制能力，但采用algainp作為限制層與量子阱折射率差降低，光限制能力變差，導(dǎo)致閾值電流變大、光增益減小。

4、文獻(xiàn)中國(guó)激光，vol?42(7)，2020，pg?0701007-1-13綜述了量子級(jí)聯(lián)激光器的原理及最新進(jìn)展，與常規(guī)半導(dǎo)體激光器不同，量子級(jí)聯(lián)激光器利用量子化能帶之間的電子躍遷，利用偏壓下電子通過(guò)一系列量子阱的光子輔助量子隧穿實(shí)現(xiàn)光放大，即在偏壓下電子從一個(gè)量子阱的基態(tài)躍遷至相鄰量子阱的激發(fā)態(tài)并伴隨光子發(fā)射。但qcl需要多大數(shù)千層單層材料的生長(zhǎng)，對(duì)厚度、組分及生長(zhǎng)穩(wěn)定要求較高，缺少該原理在常規(guī)量子阱激光器中的應(yīng)用。

5、中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)cn115528542a公開(kāi)了一種帶有應(yīng)變超晶格結(jié)構(gòu)的algainp紅光半導(dǎo)體激光器件及其制備方法，通過(guò)在組分漸變波導(dǎo)層結(jié)構(gòu)與量子阱之間插入應(yīng)變超晶格，利用應(yīng)變超晶格抑制缺陷及非輻射復(fù)合產(chǎn)生的原理，提高材料生長(zhǎng)質(zhì)量，改善老化特性，但該結(jié)構(gòu)位于n波導(dǎo)層與量子阱之間，對(duì)抑制量子阱向p限制層溢出無(wú)作用，同時(shí)各對(duì)材料組分固定，量子隧穿效果較差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種利用量子隧穿能力提高光增益的半導(dǎo)體激光器件及其制備方法；

2、本發(fā)明中，利用alinp作為限制層，實(shí)現(xiàn)最高折射率差值設(shè)計(jì)，提高光限制能力，降低閾值電流；利用多量子阱壘結(jié)構(gòu)(mqb)作為壘層，提高多量子阱之間壘層的導(dǎo)帶帶隙，增強(qiáng)電子抑制能力；多量子阱壘結(jié)構(gòu)(mqb)采用薄層應(yīng)變技術(shù)，實(shí)現(xiàn)能帶量子化，利用偏壓下能帶傾斜量子隧穿，降低閾值電流，提高光增益。多量子阱壘結(jié)構(gòu)(mqb)采用組分遞變技術(shù)，提高偏壓下的能帶傾斜，加速量子隧穿，提高光增益。

3、本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

4、第一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種利用量子隧穿能力提高光增益的半導(dǎo)體激光器件。

5、一種利用量子隧穿能力提高光增益的半導(dǎo)體激光器件，由下至上依次包括襯底、緩沖層、下過(guò)渡層、下限制層、下波導(dǎo)層、gax2in1-x2p第一量子阱、(ala1ga1-a1)b1in1-b1p/(ala2ga1-a2)b2in1-b2p應(yīng)變多量子阱壘超晶格、gax3in1-x3p第二量子阱、上波導(dǎo)層、第一上限制層、腐蝕終止層、第二上限制層、第一上過(guò)渡層、第二上過(guò)渡層和帽層；

6、其中，0.4≤x2≤0.65；0.4≤x3≤0.65；0.6≤a1≤1，0.38≤b1≤0.48；0≤a2≤0.4，0.5≤b2≤0.65。

7、根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述gax2in1-x2p第一量子阱，非故意摻雜，厚度為4-15nm；進(jìn)一步優(yōu)選的，x2＝0.43，所述gax2in1-x2p第一量子阱的度為5nm。

8、根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述(ala1ga1-a1)b1in1-b1p/(ala2ga1-a2)b2in1-b2p應(yīng)變多量子阱壘超晶格，非故意摻雜，厚度為1-5nm；同時(shí)第一對(duì)與第n對(duì)之間，a1、a2逐級(jí)降低，保持a1與a2差值。

9、進(jìn)一步優(yōu)選的，所述(ala1ga1-a1)b1in1-b1p/(ala2ga1-a2)b2in1-b2p應(yīng)變多量子阱壘超晶格中，第一對(duì)a1＝0.95、b1＝0.42，厚度為1.12nm，a2＝0.25、b2＝0.55，厚度為1.46nm；第二對(duì)a1＝0.92、b1＝0.42，厚度為1.17nm，a2＝0.22、b2＝0.55，厚度為1.51nm；第三對(duì)a1＝0.9、b1＝0.42，厚度為1.23nm，a2＝0.2、b2＝0.55，厚度為1.58nm；第四對(duì)a1＝0.88、b1＝0.42，厚度為1.3nm，a2＝0.18、b2＝0.55，厚度為1.65nm；第五對(duì)a1＝0.85、b1＝0.42，厚度為1.35nm，a2＝0.15、b2＝0.55，厚度為1.73nm；第六對(duì)a1＝0.82、b1＝0.42，厚度為1.43nm，a2＝0.18、b2＝0.55，厚度為1.81nm；交替生長(zhǎng)共6對(duì)。

10、根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述gax3in1-x3p第二量子阱，非故意摻雜，0.4≤x3≤0.65，厚度為4-15nm；

11、進(jìn)一步優(yōu)選的，x3＝0.43，量子阱厚度為5nm，實(shí)現(xiàn)激射波長(zhǎng)645nm。

12、根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述下限制層為n型al0.5in0.5p下限制層，所述第一上限制層為p型al0.5in0.5p第一上限制層，所述第二上限制層為p型al0.5in0.5p第二上限制層。

13、根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述n型al0.5in0.5p下限制層的摻雜源為si2h6，摻雜濃度為3e17-1.5e18個(gè)原子/cm3，厚度為0.5-3μm；

14、進(jìn)一步優(yōu)選的，所述n型al0.5in0.5p下限制層的厚度為0.9μm，摻雜濃度為7e17個(gè)原子/cm3。

15、根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述p型al0.5in0.5p第一上限制層的摻雜源為cp2mg或dezn，摻雜濃度為3e17-3e18個(gè)原子/cm3，厚度為0.1-0.5μm；

16、進(jìn)一步優(yōu)選的，所述p型al0.5in0.5p第一上限制層的厚度為0.2μm，摻雜濃度為5e17個(gè)原子/cm3。

17、根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述p型al0.5in0.5p第二上限制層的摻雜源為cp2mg或dezn，摻雜濃度為3e17-3e18個(gè)原子/cm3，厚度為0.5-2μm；

18、進(jìn)一步優(yōu)選的，所述p型al0.5in0.5p第二上限制層的厚度為0.8μm，摻雜濃度為8e17個(gè)原子/cm3。

19、根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述襯底為gaas襯底，所述緩沖層為gaas緩沖層，所述下過(guò)渡層為ga0.5in0.5p下過(guò)渡層，所述下波導(dǎo)層為(alx1ga1-x1)y1in1-y1p下波導(dǎo)層，所述上波導(dǎo)層為(alx4ga1-x4)y2in1-y2p上波導(dǎo)層，所述腐蝕終止層為p型gax5in1-x5p腐蝕終止層，所述第一上過(guò)渡層為(al0.5ga0.5)0.5in0.5p第一上過(guò)渡層，所述第二上過(guò)渡層為ga0.5in0.5p第二上過(guò)渡層，所述帽層為gaas帽層；

20、其中，0.4≤x1≤1，0.4≤y1≤0.6；0.4≤x4≤1，0.4≤y2≤0.6；0.5≤x5≤0.6。

21、根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述gaas緩沖層的摻雜源為si2h6，摻雜濃度為2e18-5e18個(gè)原子/cm3，厚度為0.1-0.3μm；

22、進(jìn)一步優(yōu)選的，所述gaas緩沖層的厚度為0.2μm，摻雜濃度為2e18個(gè)原子/cm3。

23、根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述ga0.5in0.5p下過(guò)渡層的摻雜源為si2h6，摻雜濃度為5e17-2e18個(gè)原子/cm3，厚度為0.1-0.3μm；

24、進(jìn)一步優(yōu)選的，所述ga0.5in0.5p下過(guò)渡層的厚度為0.1μm，摻雜濃度為1e18個(gè)原子/cm3。

25、根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述(alx1ga1-x1)y1in1-y1p下波導(dǎo)層，非故意摻雜，0.4≤x1≤1，0.4≤y1≤0.6，x1由小于1漸變至大于等于0.4，厚度為60-200nm；

26、進(jìn)一步優(yōu)選的，所述(alx1ga1-x1)y1in1-y1p下波導(dǎo)層中x1由0.95漸變至0.5，y1＝0.5，厚度為100nm。

27、根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述(alx4ga1-x4)y2in1-y2p上波導(dǎo)層，非故意摻雜，0.4≤x4≤1，0.4≤y2≤0.6，x4由大于等于0.4漸變至小于等于1，厚度為60-200nm；

28、進(jìn)一步優(yōu)選的，所述(alx4ga1-x4)y2in1-y2p上波導(dǎo)層中x4由0.5漸變至0.95，y2＝0.5，厚度為100nm。

29、根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述p型gax5in1-x5p腐蝕終止層的摻雜源為cp2mg或dezn，摻雜濃度為1e18-3e18個(gè)原子/cm3，0.5≤x5≤0.6，厚度為5-30nm；

30、進(jìn)一步優(yōu)選的，所述p型gax5in1-x5p腐蝕終止層的厚度為10nm，x5＝0.53，摻雜濃度，2e18個(gè)原子/cm3。

31、根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述(al0.5ga0.5)0.5in0.5p第一上過(guò)渡層的摻雜源為cp2mg或dezn，摻雜濃度為1e18-3e18個(gè)原子/cm3，厚度為10-50nm；

32、進(jìn)一步優(yōu)選的，所述(al0.5ga0.5)0.5in0.5p第一上過(guò)渡層的厚度為20nm，摻雜濃度為1.2e18個(gè)原子/cm3。

33、根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述ga0.5in0.5p第二上過(guò)渡層的摻雜源為cp2mg或dezn，摻雜濃度為1e18-3e18個(gè)原子/cm3，厚度為10-50nm；

34、進(jìn)一步優(yōu)選的，所述ga0.5in0.5p第二上過(guò)渡層的厚度為20nm，摻雜濃度為1.5e18個(gè)原子/cm3。

35、根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述gaas帽層的摻雜源為cbr4或dezn，摻雜濃度為3e19-1e20個(gè)原子/cm3，厚度為100-500nm；

36、進(jìn)一步優(yōu)選的，所述gaas帽層的厚度為200nm，摻雜濃度為5e19個(gè)原子/cm3。

37、本發(fā)明第二方面提供上述利用量子隧穿能力提高光增益的半導(dǎo)體激光器件的制備方法。

38、上述利用量子隧穿能力提高光增益的半導(dǎo)體激光器件的制備方法，包括：

39、在所述襯底上依次生長(zhǎng)所述緩沖層、下過(guò)渡層、下限制層、下波導(dǎo)層；

40、在所述下波導(dǎo)層上生長(zhǎng)所述gax2in1-x2p第一量子阱；包括：溫度保持在650±10℃，通入tmin、tmga和ph3，在所述下波導(dǎo)層上生長(zhǎng)所述gax2in1-x2p第一量子阱；

41、在所述gax2in1-x2p第一量子阱上生長(zhǎng)所述(ala1ga1-a1)b1in1-b1p/(ala2ga1-a2)b2in1-b2p應(yīng)變多量子阱壘超晶格；包括：溫度保持在650±10℃，通入tmal、tmin、tmga和ph3，在所述ga1-x2inx2p第一量子阱上生長(zhǎng)所述(ala1ga1-a1)b1in1-b1p/(ala2ga1-a2)b2in1-b2p應(yīng)變多量子阱壘超晶格；

42、在所述(ala1ga1-a1)b1in1-b1p/(ala2ga1-a2)b2in1-b2p應(yīng)變多量子阱壘超晶格上生長(zhǎng)所述gax3in1-x3p第二量子阱；包括：溫度保持在650±10℃，通入tmin、tmga和ph3，在所述(ala1ga1-a1)b1in1-b1p/(ala2ga1-a2)b2in1-b2p應(yīng)變多量子阱壘超晶格上生長(zhǎng)所述gax3in1-x3p第二量子阱；

43、在所述gax3in1-x3p第二量子阱上依次生長(zhǎng)所述上波導(dǎo)層、第一上限制層、腐蝕終止層、第二上限制層、第一上過(guò)渡層、第二上過(guò)渡層和帽層。

44、根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，在gaas襯底上依次生長(zhǎng)gaas緩沖層、ga0.5in0.5p下過(guò)渡層、n型al0.5in0.5p下限制層、(alx1ga1-x1)y1in1-y1p下波導(dǎo)層；包括：

45、s1，將gaas襯底放在mocvd設(shè)備生長(zhǎng)室內(nèi)，h2環(huán)境升溫到720±10℃烘烤，并通入ash3，對(duì)所述gaas襯底進(jìn)行表面熱處理；

46、s2，將溫度緩降到680±10℃，降溫速度不高于30℃/min，繼續(xù)通入tmga和ash3，在所述gaas襯底上生長(zhǎng)gaas緩沖層；

47、s3，溫度保持在680±10℃，在所述gaas緩沖層上生長(zhǎng)停頓，通入ph3，通過(guò)中止停斷v族族源及iii族源實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)停頓，停斷3-30s，將mocvd設(shè)備生長(zhǎng)室內(nèi)as原子耗盡；

48、s4，溫度保持在680±10℃，通入tmga、tmin和ph3，在所述gaas緩沖層上生長(zhǎng)ga0.5in0.5p下過(guò)渡層；

49、s5，溫度緩變至700±10℃，升溫速度不高于60℃/min，通入tmal、tmin和ph3，在所述ga0.5in0.5p下過(guò)渡層上生長(zhǎng)n型al0.5in0.5p下限制層。

50、s6，溫度緩變到650±10℃，降溫速度不高于60℃/min，通入tmal、tmin、tmga和ph3，在n型al0.5in0.5p下限制層上生長(zhǎng)(alx1ga1-x1)y1in1-y1p下波導(dǎo)層。

51、根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，在所述gax3in1-x3p第二量子阱上依次生長(zhǎng)(alx4ga1-x4)y2in1-y2p上波導(dǎo)層、p型al0.5in0.5p第一上限制層、p型gax5in1-x5p腐蝕終止層、p型al0.5in0.5p第二上限制層、

52、(al0.5ga0.5)0.5in0.5p第一上過(guò)渡層、ga0.5in0.5p第二上過(guò)渡層和gaas帽層；包括：

53、s7，溫度緩變至700±10℃，升溫速度不高于60℃/min，繼續(xù)通入tmal、tmin、tmga和ph3，在gax3in1-x3p第二量子阱上生長(zhǎng)(alx4ga1-x4)y2in1-y2p上波導(dǎo)層。

54、s8，溫度保持在700±10℃，繼續(xù)通入tmal、tmin和ph3，在所述(alx4ga1-x4)y2in1-y2p上波導(dǎo)層上生長(zhǎng)p型al0.5in0.5p第一上限制層；

55、s9，溫度保持在700±10℃，繼續(xù)通入tmga、tmin和ph3，在所述p型al0.5in0.5p第一上限制層上生長(zhǎng)p型gax5in1-x5p腐蝕終止層；

56、s10，溫度保持在700±10℃，繼續(xù)通入tmal、tmin和ph3，在所述p型gax5in1-x5p腐蝕終止層上生長(zhǎng)p型al0.5in0.5p第二上限制層；

57、s11，溫度漸變至680±10℃，降溫速度不高于60℃/min，通入tmal、tmin、tmga和ash3，在所述p型al0.5in0.5p第二上限制層生長(zhǎng)(al0.5ga0.5)0.5in0.5p第一上過(guò)渡層；

58、s12，溫度保持在680±10℃，降溫速度不高于60℃/min，通入tmin、tmga和ash3，在所述(al0.5ga0.5)0.5in0.5p第一上過(guò)渡層上生長(zhǎng)ga0.5in0.5p第二上過(guò)渡層；

59、s13，將溫度降低到540±10℃，降溫速度不超過(guò)40℃/min，繼續(xù)通入tmga和ash3，在所述ga0.5in0.5p第二上過(guò)渡層上生長(zhǎng)gaas帽層。

60、本發(fā)明的有益效果為：

61、1、利用多量子阱壘結(jié)構(gòu)(mqb)作為壘層，提高多量子阱之間壘層的導(dǎo)帶帶隙，增強(qiáng)電子抑制能力，提高了高溫可靠性；

62、2、多量子阱壘結(jié)構(gòu)(mqb)采用薄層應(yīng)變技術(shù)，實(shí)現(xiàn)能帶量子化，利用偏壓下能帶傾斜量子隧穿，降低閾值電流，提高光增益。