應(yīng)變平衡有源區(qū)梯度勢(shì)阱層半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種半導(dǎo)體激光器，具體是一種 應(yīng)變平衡有源區(qū)梯度勢(shì)阱層半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002] 大功率半導(dǎo)體激光器在泵浦固體激光器和光釬激光器領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域和通訊信息 領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用和市場(chǎng)需求。隨著對(duì)激光器功率的要求越來(lái)越高，器件可靠性的 問(wèn)題越來(lái)越突出。對(duì)大功率半導(dǎo)體激光器而言，由于高輸出光功率密度引起的腔面光學(xué)災(zāi) 變損傷和各種載流子復(fù)合熱效應(yīng)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(shù)和半導(dǎo)體薄膜生長(zhǎng)技術(shù)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(jié)構(gòu)。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(xué)損傷閾值低等， InGaAs/GaAs傳統(tǒng)量子阱材料會(huì)產(chǎn)生載流子泄漏，工作閾值電流高，光電轉(zhuǎn)換效率低等缺點(diǎn) 逐漸將會(huì)被新的材料所代替以適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)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(dǎo)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(diǎn)。但是這種新型的半導(dǎo)體量子阱材料的缺點(diǎn)：1.材料生長(zhǎng)晶格匹配問(wèn)題，如何實(shí)現(xiàn)高質(zhì) 量應(yīng)變補(bǔ)償量子阱材料共格生長(zhǎng)；2.在高In組分下，生長(zhǎng)勢(shì)阱層量子阱材料之后，In易發(fā) 生偏析，導(dǎo)致異質(zhì)界面差，如何實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)高質(zhì)量的適用于激光器領(lǐng)域的光滑的突變異質(zhì)界 面。
[0004] 為了解決有源區(qū)應(yīng)變補(bǔ)償量子阱高質(zhì)量的異質(zhì)界面的制備，在普通的應(yīng)變補(bǔ)償量 子阱的基礎(chǔ)上，提出生長(zhǎng)完高In組分勢(shì)阱層到勢(shì)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(guò)大，導(dǎo)致生長(zhǎng)表面粗糙度大，In偏析等問(wèn)題。
[0005] 隨著技術(shù)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(xué)災(zāi)變閾值電流 低，提高斜率效率以及光電轉(zhuǎn)換效率等，對(duì)半導(dǎo)體激光器有源區(qū)量子阱材料異質(zhì)界面的生 長(zhǎng)質(zhì)量要求越來(lái)越高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種應(yīng)變平衡有源區(qū)梯度勢(shì)阱層半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，在非 對(duì)稱波導(dǎo)層的基礎(chǔ)上對(duì)器件的波導(dǎo)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(zhǎng)壽命可靠性等進(jìn)行研宄，以期得到最優(yōu)化的新結(jié)構(gòu)材料體系 的半導(dǎo)體激光器。
[0007] 本發(fā)明是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的： 一種應(yīng)變平衡有源區(qū)梯度勢(shì)阱層半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，包括： 襯底，為（1〇〇)面的N型GaAs材料； 緩沖層，設(shè)于襯底上，為N型GaAs材料； 下匹配層，設(shè)于緩沖層上，為N型AlGaAs材料； 下限制層，設(shè)于下匹配層上，為N型AlGaAs材料； 下過(guò)渡層，設(shè)于下限制層上，為N型GaAs材料； 下波導(dǎo)層，設(shè)于下過(guò)渡層上，為N型InGaAsP材料； 多量子講層，設(shè)于下波導(dǎo)層上，包括高In組分InGaAs/低In組分InGaAs/GaAs/GaAsP 勢(shì)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(shì)皇層，第一晶格匹配 緩沖層GaAs，第一低In組分應(yīng)變補(bǔ)償中間層InGaAs，InGaAs勢(shì)阱層，第二低In組分應(yīng)變 補(bǔ)償中間層InGaAs，第二晶格匹配緩沖層GaAs和第二GaAsP勢(shì)皇層； 上波導(dǎo)層，設(shè)于多量子阱層上，為P型InGaAsP材料； 上過(guò)渡層，設(shè)于上波導(dǎo)層上，為P型GaAs材料； 上限制層，設(shè)于上過(guò)渡層上，為P型AlGaAs材料； 上匹配層，設(shè)于上限制層上，為P型InGaP材料； 電極接觸層，設(shè)于上匹配層上，為P型GaAs材料。
[0008] 進(jìn)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)溫度為650°C ; 下過(guò)渡層的厚度為2nm，生長(zhǎng)溫度為690°C ;下過(guò)渡層采用GaAs材料，使得下限制層和 下波導(dǎo)層的界面容易得到高質(zhì)量的外延材料，減少界面態(tài)數(shù)目，降低載流子復(fù)合熱效應(yīng)導(dǎo) 致的溫升，提高激光器的可靠性； 下波導(dǎo)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(dǎo)層采用帶差小的InGaAsP材料，這種材料體系能夠提供較小的導(dǎo)帶差和較大的價(jià)帶差， 有利于導(dǎo)帶電子注入和價(jià)帶中對(duì)空穴形成更高的勢(shì)皇，提高COD值，增加器件的可靠性；下 波導(dǎo)層的載流子濃度為3. 0E17，V / ΙΠ 比為80,生長(zhǎng)溫度為690°C ; 多量子阱層采用應(yīng)變補(bǔ)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(yīng)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(shì)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(yīng)變補(bǔ)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(shì)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(yīng)變補(bǔ)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(shì)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(zhǎng)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(dá)到改善界面質(zhì)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(dǎo)致 的位錯(cuò)密度的降低，從而改善量子阱的界面質(zhì)量； 上波導(dǎo)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(dǎo)層采用帶差小的InGaAsP材料，這種材料體系能夠提供較小的導(dǎo)帶差和較大的價(jià)帶差， 有利于導(dǎo)帶電子注入和價(jià)帶中對(duì)空穴形成更高的勢(shì)皇，提高COD值，增加器件的可靠性；并 且選擇非對(duì)稱的直波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，這種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)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(dǎo)層的V /III比為80,生長(zhǎng)溫度為690°C ; 上過(guò)渡層的厚度為2nm，V / ΠΙ比為50,生長(zhǎng)溫度為690°C ;上過(guò)渡層采用GaAs材料， 使得上波導(dǎo)層和上限制層的界面容易得到高質(zhì)量的外延材料，減少界面態(tài)數(shù)目，降低載流 子復(fù)合熱效應(yīng)導(dǎo)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(zhǎng)溫度為690°C ;上限制層采用導(dǎo)帶差小的AlGaAs材 料，這種材料體系能夠提供較小的導(dǎo)帶差和較大的價(jià)帶差，有利于導(dǎo)帶電子形成良好的限 制，同時(shí)降低價(jià)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(zhǎng)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(zhǎng)溫度為650 °C。
[0009] 本發(fā)明所述的應(yīng)變平衡有源區(qū)梯度勢(shì)阱層半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的制備方法是：采用 金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD)的方法在N-GaAs襯底上至下而上依次外延生長(zhǎng)各層。 [0010] 本發(fā)明是在改善多量子阱層的勢(shì)皇層和勢(shì)阱層材料突變異質(zhì)界面質(zhì)量、降低晶格 常數(shù)應(yīng)變失配率過(guò)大，減少量子阱有源區(qū)總的累積應(yīng)變失配率，避免量子阱異質(zhì)界面發(fā)生 晶格弛豫現(xiàn)象，從而對(duì)降低激光器的閾值電流、增大輸出功率，提高光電轉(zhuǎn)換效率以及延長(zhǎng) 壽命可靠性等進(jìn)行改進(jìn)，得到的新型結(jié)構(gòu)材料體系的半導(dǎo)體激光器。
[0011] 本發(fā)明的有益效果如下： 1) 非對(duì)稱直波導(dǎo)：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(diǎn)尺寸，降低電壓，提高電光轉(zhuǎn)換效率，改善出光功率； 2) InGaAsP四元波導(dǎo)層：提供較小的導(dǎo)帶差和較大的價(jià)帶差，這樣易于導(dǎo)帶電子注入 和在價(jià)帶中對(duì)空穴形成更高的勢(shì)皇，有利用載流子的COD值明顯提高，約AlGaAs波導(dǎo)層的 2倍，器件可靠穩(wěn)定性提高； 3) 應(yīng)變補(bǔ)償量子阱：降低應(yīng)變失配率，提高多量子阱薄膜以及界面的的晶體質(zhì)量，增加 電子空穴對(duì)的復(fù)合效率； 4) 勢(shì)阱梯度漸變層：避免高In組分下的偏析現(xiàn)象，降低異質(zhì)結(jié)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(shí)現(xiàn)增加粒子反轉(zhuǎn)數(shù)。
【附圖說(shuō)明】
[0012] 圖1位本發(fā)明應(yīng)變平衡有源區(qū)梯度勢(shì)阱層半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)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(guò)渡層、6-下波導(dǎo)層、 7-第一 GaAsP勢(shì)皇層、8-第一晶格匹配緩沖層GaAs、9-第一低In組分應(yīng)變補(bǔ)償中間層 InGaAsUO- InGaAs勢(shì)阱層、11-第二低In組分應(yīng)變補(bǔ)償中間層InGaAs、12-第二晶格匹配 緩沖層GaAs、13-第二GaAsP勢(shì)皇層、14-上波導(dǎo)層、15-上過(guò)渡層、16-上限制層、17-上匹 配層、18-電極接觸層。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述： 如圖1所示，一種應(yīng)變平衡有源區(qū)梯度勢(shì)阱層半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，包括： 襯底1，為（100)面的N型GaAs材料； 緩沖層2,設(shè)于襯底1上，為N型GaAs材料； 下匹配層3,設(shè)于緩沖層2上，為N型AlGaAs材料； 下限制層4,設(shè)于下匹配層3上，為N型AlGaAs材料； 下過(guò)渡層5,設(shè)于下限制層4上，為N型GaAs材料； 下波導(dǎo)層6,設(shè)于下過(guò)渡層5上，為N型InGaAsP材料； 多量子講層，設(shè)于下波導(dǎo)層