一種低電壓損耗半導體激光器外延結構的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體光電子技術領域，特別是一種低電壓損耗半導體激光器外延結構。
【背景技術】
[0002]GaAs基半導體激光器的波長主要集中于800nm-1100nm波段，該波段的器件主要作為激光源應用于泵浦全固態激光器(solid-state laser)、光纖激光器等領域，因此，對于GaAs基半導體激光器而言，高效率、高功率、高可靠性的能量輸出是至關重要的，這也成為自GaAs基激光器誕生以來，世界上相關研究機構一直專注的研究熱點。十幾年前，美國政府的“高效率激光二極管研究計劃(SHEDS) ”將GaAs基半導體激光器的電光轉換效率提升至60%以上，這是因為光損耗問題被很好地解決了，但這仍與該計劃的目標(電光轉換效率75%以上)距離較遠。
[0003]為進一步提高半導體激光器的電光轉換效率，從電子學角度出發，降低器件的電損耗是一種途徑。有統計表明在半導體激光器中，過剩電壓和過剩電流造成的能量損耗約為20 %，也就是說如可以降低電壓損耗和電流損耗，那么器件的效率可以得到較大的提高。
[0004]從微觀角度理解，電壓損耗在外延結構中可以發生在各外延層上以及外延層的交界處，外延層各層的電阻率和厚度等參數是影響單層電阻的主要因素，而外延層間的電壓損耗主要取決于費米能級的狀態。也就是說，我們可以通過外延層的材料選擇控制費米能級的狀態，減少電子或空穴傳輸過程中的能量損耗，也即降低器件工作的電壓損耗。
[0005]稀氮InxGai xNyPi y材料是近些年才開始得到關注的一種較特殊的半導體材料，它是通過在InGaP材料體系中加入非常少量(通常是在0.5%-2%之間)的N元素構成的。N元素的含量雖小，但其可以改變原來InGaP體系的能帶結構，實現激射波長的調制，因此，稀氮InxGai xNyPi y的早期研究主要集中于將其用作搬到激光器的有源區材料。
[0006]稀氮InxGai ,Ν,Ρ! y材料還有一個十分重要的特性，就是當In的組分為0.48時，材料的晶格常數接近于GaAs的晶格常數，也就是說二者是晶格匹配的，因此，它可以采用金屬有機氣相外延技術(M0CVD)或分子束外延技術(MBE)等實現在GaAs襯底上的直接生長，這為稀氮InxGai xNyPi y的實際應用奠定了基礎。
[0007]本發明就是要利用稀氮InxGai y的特殊能帶結構和晶格屬性，將其構造在GaAs基半導體激光器外延結構中，提供一種降低器件工作電壓的新結構。
【發明內容】
[0008]本發明的目的在于提供一種低電壓損耗半導體激光器外延結構，將稀氮InxGa! xNyPi y材料加入傳統GaAs基半導體激光器外延結構中,利用其特殊的能帶結構降低載流子在傳輸過程的能量損耗，實現器件的高效率輸出。
[0009]為了實現上述目的，本發明提出了一種高功率非對稱異質結1060nm半導體激光器結構，包括:
[0010]—襯底，為(100)面的N型GaAs材料,該襯底用于在其上外延生長激光器各層材料；
[0011]—緩沖層，為N-GaAs材料，該緩沖層制作在襯底上，用于阻止襯底中缺陷的轉移；
[0012]一 N型下限制層，為稀氮N_InQ.4SGaQ.52NyPi y材料，該N型下限制層制作在緩沖層上;
[0013]— N型下波導層，為N-GaAs材料，該下波導層制作在下限制層上；
[0014]一量子阱層，該量子阱有源區材料為較成熟的In。.2GaasAs，該量子阱為單量子阱，制作在下波導層上；
[0015]一 P型上波導層，為P-AlGaAs材料，該上波導層制作在量子阱層上；
[0016]— P型上限制層,為P-AlGaAs材料,該P型上限制層制作在上波導層上；
[0017]一過渡層，為P-GaAs材料，該過渡層制作在P型上限制層上；
[0018]一電極接觸層，為P-GaAs材料，該電極接觸層制作在過渡層上。
[0019]其中量子阱為單阱結構，其特征在于單阱結構能降低閾值，從而滿足高效率的要求。
[0020]其中N型下限制層和N型下波導層，選擇稀氮InamGauJPi y/GaAs材料結構，其特征在于在該材料結構中，稀氮IrvMGauAyPi晶格匹配且費米能級在兩種材料的交界處具有很小的能量差。
[0021]其中P型上波導層和P型上限制層，選擇導帶差大的AlGaAs材料體系，其特征在于AlGaAs材料體系的波導層和包覆層能對電子形成良好的限制，同時減少價帶空穴注入有源區的阻礙。
【附圖說明】
[0022]以下通過結合附圖對具體實施例進行詳細描述，進一步說明本發明的結構、特點，其中:
[0023]圖1是根據本發明提出的Int^Ga0.KjNyPi y/GaAs材料結構能帶示意圖。
[0024]圖2是帶有1%4辦。.52￥1 y/GaAs材料結構的半導體激光外延結構示意圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結合圖1詳細說明本發明中采用的稀氮y/GaAs材料結構的特點。
[0026]參閱圖1，圖中左側部分為GaAs能帶結構，上方實線是導帶位置，下方實線是價帶位置；同理，圖1右側為InajGaajNyPi y的能帶結構，上方三條虛線分別代表N的三種不同組分對應的各自的導帶位置，下方實線是價帶位置。
[0027]通過調整In^GaamNyPi y中N元素的百分比，能夠達到控制其導帶位置的目的。當N的含量在0.5%時，y和GaAs的導帶位置一致，此時，如有電子在二者之間傳輸，電子的能量損失將很小。在實際應用中，考慮到半導體激光器的偏壓影響以及光場控制方面的因素，稀氮y中的N含量可以在0% _1%之間優化選擇。
[0028]圖2所示是本發明的一種具體實施例——一種低電壓損耗半導體激光器外延結構，其包括: 一襯底1，為(100)面的N型GaAs材料,該襯底1用于在其上外延生長激光器各層材料；一緩沖層2，為N-GaAs材料，該緩沖層2制作在襯底1上，主要用以調節晶格適配度以及阻止襯底中缺陷的傳輸；一 N型下限制層3，為N-稀氮In^Ga—NyPi y材料，該N型下限制層3制作在緩沖層2上；一 N型下波導層4，為N-GaAs材料，該下波導層4制作在下限制層3上；一量子阱層5，該量子阱有源區材料是I%2GaasAs，該量子阱為單量子阱，制作在下波導層上4 ;一 P型上波導層6，為P-AlGaAs材料，該上波導層6制作在量子阱層5上；一P型上限制層7，為P-AlGaAs材料，該P型上限制層7制作在上波導層6上；一過渡層8，為P-GaAs材料，該過渡層8制作在P型上限制層7上；一電極接觸層9，為P-GaAs材料，該電極接觸層9具有高的P型摻雜且制作在過渡層8上。
[0029]本發明選用的稀氮In^GaamNyPi y材料生長工藝和表征手段成熟，其與GaAs過渡層2以及GaAs波導層4之間不存在晶格常數不匹配問題。另外，由圖1可知，通過稀氮In0.^Ga0.s^Pi y材料中N元素的組分變化，可以控制其與GaAs過渡層2以及GaAs波導層4之間的能帶結構，降低在兩個界面上發生的載流子能量損失。
[0030]同時，由于稀氮IrvuGaamNyPi y/GaAs構造不含有A1元素，因此，可以通過折射率和厚度優化設計將器件光場移至N型一側，達到提高器件壽命的目的。
[0031]以上所述，僅為本發明中的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術范圍內，可輕易想到的變換或替換，都應涵蓋在本發明的包含范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
【主權項】
1.一種低電壓損耗半導體激光器外延結構，其特征在于，包括: 一襯底，為(100)面的N型GaAs材料，該襯底用于在其上外延生長激光器各層材料； 一緩沖層，為N-GaAs材料，該緩沖層制作在襯底上； 一 N型下限制層，為稀氮N-1n^GaaAP: y材料，該N型下限制層制作在緩沖層上； 一 N型下波導層，為N-GaAs材料，該下波導層制作在下限制層上； 一量子阱層，該量子阱有源區材料為成熟的I%2Ga。.sAs，該量子阱為單量子阱，制作在下波導層上； 一 P型上波導層，為P-AlGaAs材料，該上波導層制作在量子阱層上； 一 P型上限制層，為P-AlGaAs材料，該P型上限制層制作在上波導層上； 一過渡層，為P-GaAs材料，該過渡層制作在P型上限制層上； 一電極接觸層，為P-GaAs材料，該電極接觸層制作在過渡層上。2.根據權利要求1所述的低電壓損耗半導體激光器外延結構，其中N型下限制層選擇稀氮InQ.4SGaQ.52NyPi y材料，其特征在于，其中N含量在(0% -0.5% )區間，y與GaAs材料晶格匹配。3.根據權利要求1所述的低電壓損耗半導體激光器外延結構，稀氮JGaAs中N元素的加入有利于減小材料禁帶寬度，降低In^GaamNyPi y和GaAs的導帶差，此結構有利于降低注入電子的能量損耗，降低器件電壓降。4.根據權利要求1所述的低電壓損耗半導體激光器外延結構，稀氮JGaAs限制結構不含A1元素，該結構有利于提高半導體激光器的壽命。
【專利摘要】本發明屬于半導體光電子學技術領域，涉及一種低電壓損耗半導體激光外延結構，包括：一襯底，為(100)面的N型GaAs材料，該襯底用于在其上外延生長激光器各層材料；一緩沖層，在襯底上，為N型GaAs材料；一N型下限制層，在緩沖層上，為N型稀氮In0.48Ga0.52NyP1-y材料；一下波導層，在下限制層上，為N型GaAs材料；一量子阱層，該量子阱材料為InGaAs單量子阱，制作在下波導層上；一上波導層，為P型AlGaAs材料，該上波導層在量子阱層上；一P型上限制層，在上波導層上，為P型AlGaAs材料；一過渡層，在P型上限制層上，為P型GaAs材料；一電極接觸層，為P型GaAs材料，在過渡層上。其中選用稀氮In0.48Ga0.52NyP1-y/GaAs材料組合作為下限制層和波導層結構，該材料體系能夠在晶格匹配的條件下，降低界面處的導帶差，減小載流子傳輸過程中的電壓損耗。
【IPC分類】H01S5/343
【公開號】CN105322440
【申請號】CN201410279694
【發明人】李特, 喬忠良, 郝二娟, 李再金, 蘆鵬, 曲軼, 劉國軍
【申請人】長春理工大學
【公開日】2016年2月10日
【申請日】2014年6月18日