一種測試GaAs基半導體激光器外延片發光波長的方法及其應用
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種測試GaAs基半導體激光器外延片發光波長的方法及其應用，屬于半導體激光器測試技術領域。
【背景技術】
[0002]半導體激光器具有體積小、壽命長、光電轉換效率高、易于與集成電路兼容等優點，在光通訊、光存儲、工業制造及醫療保健等行業有著廣泛應用。其中，研究最早、性能最好并且目前應用最多的是以GaAs為基底的半導體激光器。
[0003]半導體激光器的工作波長是由制作器件所用的半導體材料決定的。半導體材料中存在著導帶和價帶，導帶上面含有自由運動的電子，而價帶下面含有自由運動的空穴，導帶和價帶之間隔著一條禁帶，當電子吸收了光的能量從價帶跳躍到導帶中去時，就把光的能量變成了電，而帶有電能的電子從導帶跳回價帶，又可以把電的能量變成光，因此，半導體材料的禁帶寬度就決定了器件的工作波長。材料科學的發展使我們能采用能帶工程對半導體材料的能帶進行各種精巧的裁剪，使半導體光電器件的工作波長突破材料禁帶寬度的限制擴展到更寬的范圍。以GaAs為基底可以進行外延生長的材料包括AlGaAs、AlGaInP,InGaAsP等多元化合物，因此，GaAs基半導體激光器的工作波長最短為600nm附近的紅光波段，最長可到100nm附近的紅外波段。
[0004]波長不同，激光器的用途也不一樣。紅光波段的半導體激光器主要用于激光顯示、工業指示和定位、激光醫療等方面。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635nm光線的敏感度是660nm光線的3倍。因此，激光器的亮度不僅同其功率有關還同其波長有關。要保證紅光激光器亮度的一致性，必須保證其波長一致性好。近紅外波段的808nm及980nm半導體激光器主要用于工業制造及栗浦。由于栗浦材料吸收譜的限制，要獲得高的栗浦效率，栗浦激光器的波長要在吸收峰值附近的幾個納米以內。在這些應用中對激光器的波長要求比較嚴格，必須在制作激光器的源頭，即激光器外延片，進行發光波長測試與監控。
[0005]—種改善半導體材料光致發光測試效果的測試系統
[0006]中國專利文獻CN101949844B公開了一種改善半導體材料光致發光測試效果的測試系統。此系統的激光器激發的激光經過反射鏡轉換方向后由透鏡聚焦直接照射在被測樣品上，被測樣品反射的激光通過拋物面鏡收集轉向準直后以寬光束形式送達光譜測量系統。可以根據半導體材料的特性選擇合適的發射波長，從而獲得較高的光致發光強度，提升光致發光測試能力及改善測試的靈敏度。但是，此發明只是針對激發光及測試儀器進行優化，如果材料內部發出的光不能逃逸出材料，仍然測試不到材料的發光波長。GaAs基半導體激光器外延片的上表面接觸層一般為重摻雜GaAs，帶隙較小，對有源區發出的光有吸收作用。如圖1所示，當光線從GaAs層射出表面時，由于GaAs折射率較大，大部分光線會在表面發生全反射，從而被GaAs層或者其它外延層所吸收。以660nm波長的紅光為例，GaAs折射率高達3.82，光線從GaAs層射入空氣時發生全反射的臨界角僅為15°。入射角小于15°的光仍然會有1/3以上被反射回外延片內部，再加上表面GaAs層對光線的吸收，普通測試設備探測器捕捉到的出射光很少，很難準確測試到外延片的發光波長。
[0007]GaAs基半導體激光器外延片包括由下至上依次設置的襯底、下包層、有源區、上包層、接觸層，襯底為適合外延生長的GaAs單晶片，有源區發出的光線從接觸層表面射出時，大部分傾斜方向入射光會在接觸層表面發生全反射，傾斜方向出射光10會回到GaAs基半導體激光器外延片內部并最終被吸收；垂直方向出射光仍然會有1/3以上被反射回GaAs基半導體激光器外延片內部形成垂直方向反射光，并被吸收。再加上接觸層表面對光線的吸收，普通測試設備探測器捕捉到的垂直方向出射光很少，如圖1所示。
[0008]現有的測試GaAs基半導體激光器外延片發光波長的方法為:將接觸層腐蝕掉，剩下的上包層材料折射率較小，全反射臨界角較大，同時其帶隙大于有源區材料的帶隙，不會吸收有源區發出的光。雖然能測試到外延片的發光波長，但是破壞了外延片的表面接觸層，不能做成器件，如圖2所示。
【發明內容】
[0009]針對現有技術中存在的不足，本發明提供了一種測試GaAs基半導體激光器外延片發光波長的方法；
[0010]本發明還提供了一種用于測試發光波長的GaAs基半導體激光器外延片。
[0011]術語解釋
[0012]摻雜濃度，本文所述摻雜濃度為原子濃度，指單位體積中該原子所占的個數。
[0013]本發明的技術方案為:
[0014]—種測試GaAs基半導體激光器外延片發光波長的方法，所述GaAs基半導體激光器外延片包括由下至上依次設置的襯底、下包層、有源區、上包層、接觸層，所述襯底為適合外延生長的GaAs單晶片，所述下包層及所述上包層均為與所述襯底晶格匹配的多元化合物，所述有源區為發光區，所述接觸層為與金屬電極形成歐姆接觸的接觸層，具體步驟包括:
[0015](I)在所述GaAs基半導體激光器外延片表面生長一層不吸收有源區發出的光的介質膜，所述介質膜的折射率m的取值范圍為I < m < η，η為所述GaAs基半導體激光器外延片發出的光線在GaAs中的折射率；所述介質膜的厚度d的取值范圍為O < d彡λ/2m，λ為所述GaAs基半導體激光器外延片發出的光線的波長；所述介質膜表面粗糙；
[0016](2)對步驟⑴得到的GaAs基半導體激光器外延片進行常規光致發光測試，得到GaAs基半導體激光器外延片發光波長；
[0017](3)去除所述介質膜。
[0018]所述下包層及所述上包層用來限制有源區的電子和光子。
[0019]所述常規光致發光測試，例如，利用PL光致發光測試系統進行光致發光測試。
[0020]此處設計的優勢在于，介質膜表面粗糙，GaAs基半導體激光器外延片發出的光線入射到空氣中時，發生全反射的幾率大大減小，逃逸出GaAs基半導體激光器外延片的光線數量增加；介質膜的折射率m的取值范圍為I < m < n，介質膜折射率位于空氣折射率與GaAs折射率之間，此范圍內的介質膜對出射光線均有增透作用；介質膜的厚度d的取值范圍為O < d < λ /2m,此厚度范圍內的介質膜對出射光線均有增透作用。
[0021]根據本發明優選的，步驟⑴完成后，對所述GaAs基半導體激光器外延片在100° -300°溫度下進行退火處理。
[0022]此處設計的優勢在于，退火處理后的介質膜晶粒變大，表面粗糙度也會變大，進一步減小了傾斜方向入射光發生全反射的幾率。
[0023]根據本發明優選的，所述介質膜的折射率m的取值為η的平方根，所述介質膜的厚度d為λ /4m ο
[0024]此處設計的優勢在于，介質膜的折射率m的取值為η的平方根，介質膜的厚度d為λ /4m，對于垂直方向出射光可達到接近甚至為100 %的增透效果。
[0025]根據本發明優選的，所述介質膜表面粗糙度Ra大于2nm。
[0026]根據本發明優選的，所述介質膜為濺射生長的Si02、Si3N4, A1203、ZrO20
[0027]此處設計的優勢在于，濺射生長的介質膜一般為多晶結構，比外延層表面粗糙，出射光線容易逃逸出表面；介質膜為濺射生長的Si02、Si3N4, A1203、ZrO2，帶隙較大，不吸收GaAs基半導體激光器外延片發出的光線；折射率位于空氣及GaAs之間，對出射光線有增透作用。
[0028]根據本發明優選的，所述下包層及所述上包層的材料為AlGaAs、AlGaInP或InGaAsP中的任一種。
[0029]根據本發明優選的，所述有源區的材料為與所述襯底晶格匹配的AlGaAs、AlGaInP, InGaAsP的任一種或者與所述襯底晶格不匹配的應變AlGaAs、AlGaInP, InGaAsP的任一種，所述有源區發光波長為600-1000nm。
[0030]根據本發明優選的，所述接觸層為重摻雜GaAs。
[0031]一種用于測試發光波長的GaAs基半導體激光器外延片，包括由下至上依次設置的襯底、下包層、有源區、上包層、接觸層，所述襯底為適合外延生長的GaAs單晶片，所述下包層及所述上包層均為與所述襯底晶格匹配的多元化合物，所述有源區為發光區，所述接觸層為與金屬電極形成歐姆接觸的接觸層，所述接觸層表面設有一層不吸收有源區發出的光的介質膜，所述介質膜的折射率m的取值范圍為I < m < η，η為所述GaAs基半導體激光器外延片發出的光線在GaAs中的折射率；所述介質膜的厚度d的取值范圍為O< d ^ λ/2m，λ為所述GaAs基半導體激光器外延片發出的光線的波長；所述介質膜表面粗糙。
[0032]根據本發明優選的，所述介質膜的折射率m的取值為η的平方根，所述介質膜的厚度為λ /4m，所述介質膜表面粗糙度Ra大于2nm。
[0033]本發明的有益效果為:
[0034]1、本發明介質膜表面粗糙，GaAs基半導體激光器外延片發出的光線入射到空氣中時發生全反射的幾率大大減小，逃逸出外延片的光線數量增加。
[0035]2、本發明介質膜折射率m位于空氣折射率與GaAs折射率之間，介質膜的厚度d的取值范圍為0<d< λ/2m，起到增透膜的作用，如果折射率合適，法向分量上的射出光可以達到理論上的全部透過，沒有反射損失。
[0036]3、本發明介質膜去除后，對外延片表面沒有影響，不會破壞外延片結構，外延片可以正常制作半導體激光器。
【附圖說明】
[0037]圖1為本發明所述GaAs基半導體激光器外延片的結構及光線出射示意圖。
[0038]圖2為現有的測試GaAs基半導體激光器外延片發光波長的光線出射示意圖。
[0039]圖3為本發明所述一種測試GaAs基半導體激光器