一種短波長AlGaInP紅光半導(dǎo)體激光器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種短波長的紅光半導(dǎo)體激光器，屬于半導(dǎo)體激光器技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]紅光半導(dǎo)體激光器具有體積小、壽命長、光電轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，正在逐漸取代傳統(tǒng)的He-Ne氣體激光器及紅寶石固體激光器，并且廣泛應(yīng)用于光盤讀寫系統(tǒng)、條形碼閱讀器、準(zhǔn)直標(biāo)線儀、醫(yī)療保健設(shè)備等領(lǐng)域。另外，它還是激光電視、便攜式投影儀等激光顯示設(shè)備的紅光光源。
[0003]早期的紅光半導(dǎo)體激光器使用AlGaAs材料體系，比如⑶機(jī)用的780nm的AlGaAs半導(dǎo)體激光器。由于光盤的存儲(chǔ)密度是同激光的波長成反比的，要增加光存儲(chǔ)密度，必須降低半導(dǎo)體激光器的激射波長。另外，在紅光波段，人眼的視覺靈敏度隨著光線波長的變短而提高，例如人眼對(duì)635nm光線的敏感度是660nm光線的3倍。因此，用在激光顯示的紅光半導(dǎo)體激光器也是要求波長越短越好，這樣才能獲得高亮度的圖像。如果AlGaAs材料A1組分增加，更容易被氧化造成缺陷增加，影響激光器性能。而且隨著A1組分增加，其能帶接近間接帶隙，發(fā)光效率大幅下降，所以AlGaAs材料體系的半導(dǎo)體激光器的最短激射波長在680nm左右。因此，帶隙更大的AlGalnP材料開始應(yīng)用于紅光半導(dǎo)體激光器，并成為沿用至今的紅光主流材料。
[0004]相比于808nm、980nm等長波長半導(dǎo)體激光器，短波長的紅光半導(dǎo)體激光器制作難度更大。主要的難點(diǎn)包括兩個(gè)方面:一是由于AlGalnP材料體系的限制，有源區(qū)及限制層的帶隙差較小，因而對(duì)注入載流子的限制能力較差，容易產(chǎn)生泄露電流。這不僅會(huì)使半導(dǎo)體激光器的內(nèi)量子效率降低，功率轉(zhuǎn)換效率下降，還會(huì)導(dǎo)致器件的特征溫度變低，輸出功率對(duì)溫度的敏感度變高。二是紅光半導(dǎo)體激光器波長短，光子能量高，在高功率下工作時(shí)，對(duì)腔面的抗燒毀能力要求更高。
[0005]特征溫度:半導(dǎo)體激光器是一個(gè)對(duì)溫度很敏感的器件，其閾值電流隨溫度的升高而加大。在一定溫度范圍內(nèi)，閾值電流同溫度的關(guān)系表示為:
[0006]Ith= I 0exp (T/T0)，
[0007]式中，Ith表示結(jié)溫為T時(shí)的閾值電流，I。為常數(shù)，T。即為半導(dǎo)體激光器的特征溫度，表征閾值電流對(duì)工作溫度的敏感程度。
[0008]文獻(xiàn)IEEE J.Sel.Top.Quant.，2011，Vol.17，pp 1723 報(bào)道了一種大功率 625nmAlGalnP半導(dǎo)體激光器。高帶隙的AllnP被用作限制層來提高光限制因子，減弱漏電流。選擇性Zn擴(kuò)散技術(shù)被用來提高腔面的抗損傷能力。此短波長的紅光半導(dǎo)體激光器可在25°C時(shí)獲得220mW及441m的連續(xù)輸出。但是由于波長較短，器件對(duì)光子及電子的限制能力較差，625nm的半導(dǎo)體激光器的光通量是低于波長略長的638nm半導(dǎo)體激光器的，離實(shí)際應(yīng)用還有一段距離。
[0009]中國專利文獻(xiàn)CN103124046A公開了一種半導(dǎo)體激光器，包括襯底以及依次層疊設(shè)置于所述襯底上的緩沖層、N型下限制層、下波導(dǎo)層、量子阱層、上波導(dǎo)層、P型上限制層、過渡層以及電極接觸層，所述上波導(dǎo)層和所述下波導(dǎo)層均為鋁鎵銦磷材料，激射波長在630-640nm，且所述上波導(dǎo)層的材料組分為AlxlGaylI%49P，所述下波導(dǎo)層的材料組分為Alx2Gay2In0.49P，其中 xl>x2，yl<y2, xl+yl+0.49 = 1，x2+y2+0.49 = 1。通過優(yōu)化各層組分及厚度能夠減少對(duì)光的總吸收，提高半導(dǎo)體激光器的特性，增加半導(dǎo)體激光器的效率。此發(fā)明激光器使用的AlGalnP材料中In占比為0.49，晶格常數(shù)與襯底GaAs是匹配的，限制層最大帶隙材料為Α1α51Ιηα49Ρ，而量子阱GalnP由于具有一定厚度，其應(yīng)變不能太大，即In組分不能偏離0.49太多，所以其激射波長最短在630nm附近，并且波長越短，漏電流越大，半導(dǎo)體激光器的效率越低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]針對(duì)現(xiàn)有半導(dǎo)體激光器技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種短波長AlGalnP紅光半導(dǎo)體激光器，該激光器使得量子阱層在低應(yīng)變條件下即可獲得短波長的光。
[0011]本發(fā)明的短波長AlGalnP紅光半導(dǎo)體激光器，采用以下技術(shù)方案:
[0012]該紅光半導(dǎo)體激光器，其結(jié)構(gòu)從下至上依次為襯底、下緩沖層、下限制層、下波導(dǎo)層、量子阱層、上波導(dǎo)層、上限制層、上緩沖層和歐姆接觸層；下緩沖層為Α1χΙηι XP組分漸變層，X由0.5線性漸變至0.6 ;上緩沖層為Alylni yP組分漸變層，y由0.6線性漸變至0.5 ;下波導(dǎo)層及上波導(dǎo)層均為(A1ZG&1 z)0.6ln0.4P ;下限制層及上限制層均為Α1α6Ιηα4Ρ。
[0013]所述襯底為Ν型GaAs。
[0014]所述下緩沖層的厚度為1-2 μ m。
[0015]所述上緩沖層Alylni yP的厚度為0.2-0.5 μπι。
[0016]所述下波導(dǎo)層及上波導(dǎo)層(A1ZG&1 z)0.6In0.4P中z的取值為0.5-0.7。
[0017]所述下限制層及上限制層Α1α6Ιηα4Ρ的厚度為2_3 μπι。
[0018]所述量子阱層為Gajni UP，u取值為0.6-0.7，厚度5_15nm，量子阱發(fā)光波長590_620nm。
[0019]所述歐姆接觸層為P型GaAs。
[0020]本發(fā)明通過AllnP組分漸變緩沖層，使得限制層及波導(dǎo)層的In組分降到0.4。相比于現(xiàn)有的與GaAs晶格匹配的AlGalnP紅光半導(dǎo)體激光器，具有以下特點(diǎn):
[0021]1.限制層的折射率減小，激光器的光限制因子增加，因而增益系數(shù)變大，激光器的閾值電流密度下降。
[0022]2.波導(dǎo)層帶隙增加，可以更有效的限制載流子的逃逸，提高電光轉(zhuǎn)換效率，減少產(chǎn)熱，增加器件可靠性。
[0023]3.量子阱層在低應(yīng)變條件下即可使用高帶隙材料，獲得短波長的光，同時(shí)不會(huì)存在高應(yīng)變量帶來的缺陷，提高了材料的生長質(zhì)量。
[0024]4.限制層厚度較大，使得發(fā)光區(qū)遠(yuǎn)離緩沖層的高位錯(cuò)區(qū)，激光器性能不會(huì)受到影響。
【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明短波長AlGalnP紅光半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖中，1、襯底，2、下緩沖層，3、下限制層，4、下波導(dǎo)層，5、量子阱層，6、上波導(dǎo)層，7、 上限制層，8、上緩沖層，9、歐姆接觸層。
【具體實(shí)施方式】
[0027]如圖1所示，本發(fā)明的短波長AlGalnP紅光半導(dǎo)體激光器，其結(jié)構(gòu)由下至上依次為襯底1、下緩沖層2、下限制層3、下波導(dǎo)層4、量子阱層5、上波導(dǎo)層6、上限制層7、上緩沖層8和歐姆接觸層9。
[0028]襯底1為通用的N型GaAs。
[0029]下緩沖層2為1-2 μ m厚的Α1χΙηι XP，A1組分x由0.5線性漸變至0.6，即生長的第一層晶格為與GaAs晶格匹配的AUn。.#，最后一層為Α1α6Ιηα4Ρ，且最后一層晶格應(yīng)變得到釋放，其晶格常數(shù)同于體材料Α1α6Ιηα4Ρ。
[0030]下限制層3及上限制層7均為2-3 4111厚的41。.6111。.4?。對(duì)于620nm紅光波長，Al0.6In0.4P折射率約為3.05，低于Α1α5Ιηα5Ρ的折射率3.15。
[0031]下波導(dǎo)層4及上波導(dǎo)層6均為高帶隙的(A1ZG&1 z)0.6In0.4P, z的取值為0.5-0.7。
[0032]量子阱層5為5-15nm厚的GauIni UP，u取值為0.6-0.7，量子阱發(fā)光波長為590-620nm。相對(duì)于兩側(cè)下波導(dǎo)層4及上波導(dǎo)層6的(A1ZG&1 ζ)α6Ιηα4Ρ，其張應(yīng)變量在0-0.7%范圍內(nèi)，但是激射波長可短至630nm以下。
[0033]上緩沖層8為0.2-0.5 μπι厚的AlyIni yP，A1組分由0.6線性漸變至0.5，即生長的第一層晶格與上限制層7相同，為Α1α6Ιηα4Ρ，最后一層為AUn。.#，且最后一層晶格應(yīng)變得到釋放，其晶格常數(shù)同于GaAs。
[0034]歐姆接觸層9為P型GaAs。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種短波長AlGalnP紅光半導(dǎo)體激光器，其結(jié)構(gòu)從下至上依次為襯底、下緩沖層、下限制層、下波導(dǎo)層、量子阱層、上波導(dǎo)層、上限制層、上緩沖層和歐姆接觸層；其特征是:下緩沖層為Alxlni XP組分漸變層，X由0.5線性漸變至0.6 ;上緩沖層為Alylni yP組分漸變層，y由0.6線性漸變至0.5 ;下波導(dǎo)層及上波導(dǎo)層均為(AlzGai z)0.6In0.4P ;下限制層及上限制層均為Α1α6Ιηα4Ρ。2.如權(quán)利要求1所述的短波長AlGalnP紅光半導(dǎo)體激光器，其特征是:所述下緩沖層的厚度為1-2 μ m。3.如權(quán)利要求1所述的短波長AlGalnP紅光半導(dǎo)體激光器，其特征是:所述上緩沖層Alylni 盧的厚度為 0.2-0.5 μ m04.如權(quán)利要求1所述的短波長AlGalnP紅光半導(dǎo)體激光器，其特征是:所述下波導(dǎo)層及上波導(dǎo)層(A1ZG&1 z)0.6In0.4P中z的取值為0.5-0.7。5.如權(quán)利要求1所述的短波長AlGalnP紅光半導(dǎo)體激光器，其特征是:所述下限制層及上限制層Α1α6Ιηα4Ρ的厚度為2-3 μ m。6.如權(quán)利要求1所述的短波長AlGalnP紅光半導(dǎo)體激光器，其特征是:所述量子阱層為 Gaulni UP，u 取值為 0.6-0.7，厚度 5_15nm，發(fā)光波長為 590_620nm。
【專利摘要】一種短波長AlGaInP紅光半導(dǎo)體激光器，其結(jié)構(gòu)從下至上依次為襯底、下緩沖層、下限制層、下波導(dǎo)層、量子阱層、上波導(dǎo)層、上限制層、上緩沖層和歐姆接觸層；下緩沖層為AlxIn1-xP組分漸變層，x由0.5線性漸變至0.6；上緩沖層為AlyIn1-yP組分漸變層，y由0.6線性漸變至0.5；下波導(dǎo)層及上波導(dǎo)層均為(AlzGa1-z)0.6In0.4P；下限制層及上限制層均為Al0.6In0.4P。本發(fā)明通過AlInP組分漸變緩沖層，使得限制層及波導(dǎo)層的In組分降到0.4，限制層材料折射率減小，波導(dǎo)層材料帶隙增加，可以更好地限制光子和載流子，同時(shí)，量子阱層在低應(yīng)變條件下即可獲得590-620nm的短波長的光。
【IPC分類】H01S5/343
【公開號(hào)】CN105390937
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201511024066
【發(fā)明人】朱振, 張新, 徐現(xiàn)剛
【申請(qǐng)人】山東華光光電子有限公司
【公開日】2016年3月9日
【申請(qǐng)日】2015年12月30日