一种GaAs基多结红光激光器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种GaAs基多结红光激光器及其制备方法，所述激光器包括GaAs衬底，所述GaAs衬底上自下而上依次生长有GaAs低温缓冲层、第一激光节、GaInP腐蚀阻挡层和第一GaAs帽层，所述第一激光节、GaInP腐蚀阻挡层生长有若干个发光层；所述发光层自下而上包括若干个隧道结和第二激光节，所述最接近第一激光节的隧道结在第一激光节上生长，所述第二激光节在隧道结上生长；本发明专利技术不仅通过隧道结的设计实现了多节激光材料的生长，在较小的电流下获得较大的输出功率，提高了激光器的发光功率；同时由于AlInP上限制层、第二GaAs帽层之间的界面宽带不连续，本技术方案引入了(Al

【技术实现步骤摘要】
一种GaAs基多结红光激光器及其制备方法
本专利技术涉及光电子
，具体是一种GaAs基多结红光激光器及其制备方法。
技术介绍
半导体激光器，又称激光二极管(LD)，利用半导体电子光跃迁引起光子受激发射而产生的光振荡并发射激光。从其结构的发展来说，可大致分为以下几个阶段：最初的同质结激光器；实现室温连续激射的双异质结激光器；使半导体激光器性能获得极大改善的量子阱激光器；进一步发展的应变量子阱激光器。量子阱有源区由于能级发生分裂，导带的电子能态密度大大提高，更容易发生粒子数反转，因此量子阱激光器可以实现高量子效率和低阈值电流密度。1977年，杜普伊斯(Dupuis)等人研制出了阈值电流密度为3000A/cm2的量子阱激光器。1979年，AlGaAs多量子阱激光器由曾焕添(WonT.Tsang)用MBE生长得到，在室温下工作时其阈值电流密度为2000A/cm2。随后，曾焕添将梯度折射率波导分别限制异质结(GRIN-SCH)结构用在量子阱激光器的优化设计上，进一步降低了激光器的阈值电流密度，并且其内量子效率也得到了大大提高。量子阱激光器的光电特性远远优于双异质结激光器，使得半导体激光器商业化生产，并且带动了光电集成、光互联及光通讯的发展。由于能带工程理论的不断完善运用，外延所用材料纯度不断提高，晶体生长工艺不断成熟以及半导体加工过程控制趋于成熟，半导体材料不断广泛的渗透到应用领域中，新的不同族元素、不同波长范围和新理念的引入，使半导体激光器的新品如雨后春笋般出现，如应变量子阱激光器、分布反馈激光器、垂直腔面发射激光器、外腔激光器、量子阱级联激光器、量子点激光器、微腔激光器、光子晶体激光器、宽带隙GaN基半导体激光器等。半导体激光器的最重要应用是光纤通信，其对光源的频谱要求十分严格。为此人们在激光器的纵向方向加入调制性周期机构，如分布布拉格反射结构。窄线宽的分布反馈布拉格半导体激光器(DFB-LD)用于光纤通信，单信道码率可达10Gb/S，为适应更高码率的波分复用(WDM)和时分复用(TWM)等光纤信号传输技术，发展了量子阱多段结构的可调谐DFB-LD或分布布拉格反射激光器(DBR-LD)，由于其线宽窄，微分增益系数大，有利于降低调制引起的展宽，这样有助于提高信道码率。半导体激光由于重复操作、重量轻、体积小、可重复操作、电光转换效率高、寿命长、可靠性高等特点，因此具备了传输速度快、能量集中、转移火力快、作用距离远等优点，也越来越广泛的应用于军事领域；在工业处理应用中，高功率光束质量好的半导体激光器应用越来越广泛，尤其是在工业加工领域，与传统的机械加工相比较，激光加工因为其光束质量好，速度快，而且可以加工传统机械加工所达不到的精度，而广泛应用于切割、焊接、表面淬火、去锈和打标等领域。除材料加工外，大功率半导体还可以泵浦固体激光器，从而可以进一步用于激光核聚变、同位素分离、检测、分析以及军事国防等领域。半导体激光器的光束质量目前还较差，而这一缺点很大程度的限制了半导体激光器的应用，在只对光束质量要求不高但还需要高功率的激光焊接等领域有较广泛的应用。如果能够提高半导体激光器的光束质量，其在工业领域将有更好的应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种GaAs基多结红光激光器及其制备方法，以解决现有技术中的问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种GaAs基多结红光激光器，所述激光器包括GaAs衬底，所述GaAs衬底上自下而上依次生长有GaAs低温缓冲层、第一激光节、GaInP腐蚀阻挡层和第一GaAs帽层，所述第一激光节、GaInP腐蚀阻挡层生长有若干个发光层。较优化的方案，所述发光层自下而上包括若干个隧道结和第二激光节，所述最接近第一激光节的隧道结在第一激光节上生长，所述第二激光节在隧道结上生长，所述GaInP腐蚀阻挡层在最远离第一激光节的第二激光节上生长。较优化的方案，所述隧道结自下而上分别包括第二GaAs帽层、GaAs重掺杂P层、GaAs本征层、GaAs掺杂N型层。现如今的AlGaInP材料体系只能生长小功率或者中小功率的激光器，实际生产中无法满足市场需求，因此本技术方案中增加了第二GaAs帽层、GaAs重掺杂P层，GaAs本征层和GaAs掺杂N型层，形成隧道结，提高了电子迁移率；第一激光节、第二激光节之间、相邻第二激光节之间均通过隧道结连接，这样设计是为了利用多子隧道效应进行工作，使噪音降低，隧道结用重掺杂的简并半导体制成，使隧道二极管的工作温度范围增大，同时不受电子渡越时间限制，注入的载流子在第一个有源区复合发光后，经反向隧道结隧穿到下一个有源区的导带，从而在第二个有源区中再次复合发光，在相同的注入电流下，光输出功率成倍增加，可以在较小的电流下获得较大的输出功率，减少了焦耳热的产生，可以在极高的频率下工作，保证电流扩展和光学特性，提高了器件的可靠性、稳定性。较优化的方案，所述第一激光节、第二激光节结构相同，所述第一激光节自下而上分别包括GaInP过渡层、AlInP下限制层、AlxGa1-xInP下波导层、量子阱发光区、AlxGa1-xInP上波导层、AlInP上限制层和(AlxGa1-x)yIn1-yP晶格过渡层。本技术方案中设计了(AlxGa1-x)yIn1-yP晶格过渡层，(AlxGa1-x)yIn1-yP晶格过渡层与AlInP上限制层、第二GaAs帽层中间带隙的晶格匹配，通过(AlxGa1-x)yIn1-yP晶格过渡层减少了由于AlInP与GaAs界面的宽带不连续的情况，使得电压降低，提高光电转换效率，并因降低电压而提高器件的可靠性和寿命。一种GaAs基多结红光激光器的制备方法，包括以下步骤：1)准备GaAs衬底；2)GaAs低温缓冲层的生长；3)第一激光节的生长；4)发光区的生长：a)隧道结的生长；b)第二激光节的生长；c)重复步骤4)中的步骤a)、步骤b)，交替生长隧道结和第二激光节，形成发光区5)GaInP腐蚀阻挡层的生长；6)第一GaAs帽层的生长；7)封装，制得成品。较优化的方案，包括以下步骤：1)准备GaAs衬底：将GaAs衬底放在MOCVD设备生长室内，H2环境升温至780-820℃，烘烤30-60min，并通入AsH3；2)GaAs低温缓冲层的生长：温度缓慢降到730-770℃，继续通入TMGa和AsH3，在GaAs衬底上生长GaAs低温缓冲层，其中GaAs低温缓冲层的厚度为0.1-2.5um；3)第一激光节的生长：a)GaInP过渡层的生长：将温度缓慢降到690-730℃，继续通入TMGa、TMIn和PH3，在GaAs低温缓冲层上生长GaInP过渡层；b)AlInP下限制层的生长：温度缓慢降到660-700℃，继续通入TMAl、TMIn和PH3，在GaInP过渡层上生长n型AlInP下限制层；c)AlxGa1-xInP下波导层的生长：保持温度在660-700℃，继续通入TMIn、TMA本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种GaAs基多结红光激光器，其特征在于：所述激光器包括GaAs衬底，所述GaAs衬底上自下而上依次生长有GaAs低温缓冲层、第一激光节、GaInP腐蚀阻挡层和第一GaAs帽层，所述第一激光节、GaInP腐蚀阻挡层生长有若干个发光层。/n

【技术特征摘要】
1.一种GaAs基多结红光激光器，其特征在于：所述激光器包括GaAs衬底，所述GaAs衬底上自下而上依次生长有GaAs低温缓冲层、第一激光节、GaInP腐蚀阻挡层和第一GaAs帽层，所述第一激光节、GaInP腐蚀阻挡层生长有若干个发光层。


2.根据权利要求1所述的一种GaAs基多结红光激光器，其特征在于：所述发光层自下而上包括若干个隧道结和第二激光节，所述最接近第一激光节的隧道结在第一激光节上生长，所述第二激光节在隧道结上生长，所述GaInP腐蚀阻挡层在最远离第一激光节的第二激光节上生长。


3.根据权利要求2所述的一种GaAs基多结红光激光器，其特征在于：所述隧道结自下而上分别包括第二GaAs帽层、GaAs重掺杂P层、GaAs本征层、GaAs掺杂N型层。


4.根据权利要求2所述的一种GaAs基多结红光激光器，其特征在于：所述第一激光节、第二激光节结构相同，所述第一激光节自下而上分别包括GaInP过渡层、AlInP下限制层、AlxGa1-xInP下波导层、量子阱发光区、AlxGa1-xInP上波导层、AlInP上限制层和(AlxGa1-x)yIn1-yP晶格过渡层。


5.一种GaAs基多结红光激光器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)准备GaAs衬底；
2)GaAs低温缓冲层的生长；
3)第一激光节的生长；
4)发光区的生长：
a)隧道结的生长；
b)第二激光节的生长；
c)重复步骤4)中的步骤a)、步骤b)，交替生长隧道结和第二激光节，形成发光区；
5)GaInP腐蚀阻挡层的生长；
6)第一GaAs帽层的生长；
7)封装，制得成品。


6.根据权利要求5所述的一种GaAs基多结红光激光器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)准备GaAs衬底：将GaAs衬底放在MOCVD设备生长室内，H2环境升温至780-820℃，烘烤30-60min，并通入AsH3；
2)GaAs低温缓冲层的生长：温度缓慢降到730-770℃，继续通入TMGa和AsH3，在GaAs衬底上生长GaAs低温缓冲层，其中GaAs低温缓冲层的厚度为0.1-2.5um；
3)第一激光节的生长：
a)GaInP过渡层的生长：将温度缓慢降到690-730℃，继续通入TMGa、TMIn和PH3，在GaAs低温缓冲层上生长GaInP过渡层；
b)AlInP下限制层的生长：温度缓慢降到660-700℃，继续通入TMAl、TMIn和PH3，在GaInP过渡层上生长n型AlInP下限制层；
c)AlxGa1-xInP下波导层的生长：保持温度在660-700℃，继续通入TMIn、TMAl、TMGa和PH3，在AlInP下限制层上生长AlxGa1-xInP下波导层；
d)量子阱发光区的生长：保持温度在660-700℃，继续通入TMIn、TMAl、TMGa和PH3，在AlxGa1-xInP下波导层上生长(AlxGa1-x)yIn1-yP量子阱发光区；其中0≤x＜y≤1；
e)AlxGa1-xInP上波导层的生长：温度缓慢降到630-670℃，继续通入TMIn、TMAl、TMGa和PH3在(AlxGa1-x)yIn1-yP量子阱发光区上生长AlxGa1-xInP上波导层；
f)AlInP上限制层的生长：温度缓慢升到660-700℃，继续通入TMAl、TMIn和PH3，在AlxGa1-xInP上波导层上生长p型AlInP上限制层；
g)(AlxGa1-x)yIn1-yP晶格过渡层的生长：温度升到730-770℃，继续通入TMIn、TMAl、TMGa和PH3，在AlInP上限制层上生(AlxGa1-x)yIn1-yP晶格过渡层，其中0≤x，y≤1；
4)发光区的生长：
a)调节环境氛围：关闭TMAl、TMGa、TMIn的Run阀，仅通入PH3，温度下降至495-535℃；再关闭PH3，仅通入AsH3，继续保持温度480-520℃；
b)隧道结的生长：
I)第二GaAs帽层的生长：保持温度480-520℃，通入TMGa和AsH3，在(AlxGa1-x)yIn1-yP晶格过渡层上生长第二GaAs帽层；
II)GaAs重掺杂P层的生长：通入TMGa、CBr4，在第二GaAs帽层上生长GaAs重掺杂P层；
III)GaAs本征层的生长：关闭TMGa、CBr4的Run阀，升温至680-720℃，再通入TMGa，在GaAs重掺杂P层上生长GaAs本征层；
IV)GaAs掺杂N型层的生长：保持温度680-720℃，通入Si2H6，在GaAs本征层上生长GaAs掺杂N型层；
c)第二激光节的生长：重复步骤3)，在步骤GaAs掺杂N型层上生长第二激光节；
d)重复步骤4)中的步骤a)、步骤b)、步骤c)，交替生长隧道结和第二激光节，形成发光区；
5)GaInP腐蚀阻挡层的生长：缓慢降温至695-735℃，继续通入TMGa、TMIn和PH3，在最远离第一激光节的第二激光节上生长GaInP腐蚀阻挡层；
6)第一GaAs帽层的生长：缓慢降温至480-520℃，在GaInP腐蚀阻挡层上生长第一GaAs帽层；
7)外延材料生长完毕后，在第一GaAs帽层表面蒸镀金属薄膜，制作P面电极，再将GaAs衬底减薄，蒸镀AuGe金属层制作背面电极，切割，封装，制得成品激光器。


7.根据权利要求6所述的一种GaAs基多结红光激光器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)准备GaAs衬底：将GaAs衬底放在MOCVD设备生长室内，H2环境升温至780-820℃，烘烤35min，并通入AsH3；
2)GaAs低温缓冲层的生长：温度缓慢降到730-770℃，继续通入TMGa和AsH3，在GaAs衬底上生长GaAs低温缓冲层，其中GaAs低温缓冲层的厚度为200-1500nm，掺杂浓度为5E17-6E18个原子/cm3；
3)第一激光节的生长：
a)GaInP过渡层的生长：将温度缓慢降到690-730℃，继续通入TMGa、TMIn和PH3，在GaAs低温缓冲层上生长GaInP过渡层；其中GaInP过渡层的掺杂浓度为5E17-5E18个原子/cm3；
b)AlInP下限制层的生长：温度缓慢降到660-700℃，继续通入TMAl、TMIn和PH3，在GaInP过渡层上生长n型AlInP下限制层；其中AlInP下限制层的厚度为0.1-4um，掺杂浓度为1E17-5E18个原子/cm3；
c)AlxGa1-xInP下波导层的生长：保持温度在660-700℃，继续通入TMIn、TMAl、TMGa和PH3，在AlInP下限制层上生长AlxGa1-xInP下波导层；其中AlxGa1-xInP下波导层的厚度为0.2-2um，掺杂浓度为1E15-5E17个原子/cm3；
d)量子阱发光区的生长：保持温度在660-700℃，继续通入TMIn、TMAl、TMGa和PH3，在AlxGa1-xInP下波导层上生长(AlxGa1-x)yIn1-yP量子阱发光区；其中x为0-0.2，y为0.8-1；量子阱发光区的厚度为0.1-0.2um，掺杂浓度为1E18-5E18个原子/cm3；
e)AlxGa1-xInP上波导层的生长：温度缓慢降到630-670℃，继续通入TMIn、TMAl、TMGa和PH3在(AlxGa1-x)yIn1-yP量子阱发光区上生长AlxGa1-xInP上波导层；其中AlxGa1-xInP上波导层的厚度为0.1-3um，掺杂浓度为1E18-5E18个原子/cm3；
f)AlInP上限制层的生长：温度缓慢升到660-700℃，继续通入TMAl、TMIn和PH3，在AlxGa1-xInP上波导层上生长p型AlInP上限制层；其中AlInP上限制层的厚度为0.1-4um，掺杂浓度为1E17-5E18个原子/cm3；...

【专利技术属性】
技术研发人员：李志虎，张新，朱振，于军，
申请(专利权)人：山东华光光电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37