一种低电压损耗半导体激光器外延结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体光电子技术领域，特别是一种低电压损耗半导体激光器外延结构。
【背景技术】
[0002]GaAs基半导体激光器的波长主要集中于800nm-1100nm波段，该波段的器件主要作为激光源应用于泵浦全固态激光器(solid-state laser)、光纤激光器等领域，因此，对于GaAs基半导体激光器而言，高效率、高功率、高可靠性的能量输出是至关重要的，这也成为自GaAs基激光器诞生以来，世界上相关研究机构一直专注的研究热点。十几年前，美国政府的“高效率激光二极管研究计划(SHEDS) ”将GaAs基半导体激光器的电光转换效率提升至60%以上，这是因为光损耗问题被很好地解决了，但这仍与该计划的目标(电光转换效率75%以上)距离较远。
[0003]为进一步提高半导体激光器的电光转换效率，从电子学角度出发，降低器件的电损耗是一种途径。有统计表明在半导体激光器中，过剩电压和过剩电流造成的能量损耗约为20 %，也就是说如可以降低电压损耗和电流损耗，那么器件的效率可以得到较大的提高。
[0004]从微观角度理解，电压损耗在外延结构中可以发生在各外延层上以及外延层的交界处，外延层各层的电阻率和厚度等参数是影响单层电阻的主要因素，而外延层间的电压损耗主要取决于费米能级的状态。也就是说，我们可以通过外延层的材料选择控制费米能级的状态，减少电子或空穴传输过程中的能量损耗，也即降低器件工作的电压损耗。
[0005]稀氮InxGai xNyPi y材料是近些年才开始得到关注的一种较特殊的半导体材料，它是通过在InGaP材料体系中加入非常少量(通常是在0.5%-2%之间)的N元素构成的。N元素的含量虽小，但其可以改变原来InGaP体系的能带结构，实现激射波长的调制，因此，稀氮InxGai xNyPi y的早期研究主要集中于将其用作搬到激光器的有源区材料。
[0006]稀氮InxGai ,Ν,Ρ! y材料还有一个十分重要的特性，就是当In的组分为0.48时，材料的晶格常数接近于GaAs的晶格常数，也就是说二者是晶格匹配的，因此，它可以采用金属有机气相外延技术(M0CVD)或分子束外延技术(MBE)等实现在GaAs衬底上的直接生长，这为稀氮InxGai xNyPi y的实际应用奠定了基础。
[0007]本发明就是要利用稀氮InxGai y的特殊能带结构和晶格属性，将其构造在GaAs基半导体激光器外延结构中，提供一种降低器件工作电压的新结构。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种低电压损耗半导体激光器外延结构，将稀氮InxGa! xNyPi y材料加入传统GaAs基半导体激光器外延结构中,利用其特殊的能带结构降低载流子在传输过程的能量损耗，实现器件的高效率输出。
[0009]为了实现上述目的，本发明提出了一种高功率非对称异质结1060nm半导体激光器结构，包括:
[0010]—衬底，为(100)面的N型GaAs材料,该衬底用于在其上外延生长激光器各层材料；
[0011]—缓冲层，为N-GaAs材料，该缓冲层制作在衬底上，用于阻止衬底中缺陷的转移；
[0012]一 N型下限制层，为稀氮N_InQ.4SGaQ.52NyPi y材料，该N型下限制层制作在缓冲层上;
[0013]— N型下波导层，为N-GaAs材料，该下波导层制作在下限制层上；
[0014]一量子阱层，该量子阱有源区材料为较成熟的In。.2GaasAs，该量子阱为单量子阱，制作在下波导层上；
[0015]一 P型上波导层，为P-AlGaAs材料，该上波导层制作在量子阱层上；
[0016]— P型上限制层,为P-AlGaAs材料,该P型上限制层制作在上波导层上；
[0017]一过渡层，为P-GaAs材料，该过渡层制作在P型上限制层上；
[0018]一电极接触层，为P-GaAs材料，该电极接触层制作在过渡层上。
[0019]其中量子阱为单阱结构，其特征在于单阱结构能降低阈值，从而满足高效率的要求。
[0020]其中N型下限制层和N型下波导层，选择稀氮InamGauJPi y/GaAs材料结构，其特征在于在该材料结构中，稀氮IrvMGauAyPi晶格匹配且费米能级在两种材料的交界处具有很小的能量差。
[0021]其中P型上波导层和P型上限制层，选择导带差大的AlGaAs材料体系，其特征在于AlGaAs材料体系的波导层和包覆层能对电子形成良好的限制，同时减少价带空穴注入有源区的阻碍。
【附图说明】
[0022]以下通过结合附图对具体实施例进行详细描述，进一步说明本发明的结构、特点，其中:
[0023]图1是根据本发明提出的Int^Ga0.KjNyPi y/GaAs材料结构能带示意图。
[0024]图2是带有1%4办。.52￥1 y/GaAs材料结构的半导体激光外延结构示意图。
【具体实施方式】
[0025]下面结合图1详细说明本发明中采用的稀氮y/GaAs材料结构的特点。
[0026]参阅图1，图中左侧部分为GaAs能带结构，上方实线是导带位置，下方实线是价带位置；同理，图1右侧为InajGaajNyPi y的能带结构，上方三条虚线分别代表N的三种不同组分对应的各自的导带位置，下方实线是价带位置。
[0027]通过调整In^GaamNyPi y中N元素的百分比，能够达到控制其导带位置的目的。当N的含量在0.5%时，y和GaAs的导带位置一致，此时，如有电子在二者之间传输，电子的能量损失将很小。在实际应用中，考虑到半导体激光器的偏压影响以及光场控制方面的因素，稀氮y中的N含量可以在0% _1%之间优化选择。
[0028]图2所示是本发明的一种具体实施例——一种低电压损耗半导体激光器外延结构，其包括: 一衬底1，为(100)面的N型GaAs材料,该衬底1用于在其上外延生长激光器各层材料；一缓冲层2，为N-GaAs材料，该缓冲层2制作在衬底1上，主要用以调节晶格适配度以及阻止衬底中缺陷的传输；一 N型下限制层3，为N-稀氮In^Ga—NyPi y材料，该N型下限制层3制作在缓冲层2上；一 N型下波导层4，为N-GaAs材料，该下波导层4制作在下限制层3上；一量子阱层5，该量子阱有源区材料是I%2GaasAs，该量子阱为单量子阱，制作在下波导层上4 ;一 P型上波导层6，为P-AlGaAs材料，该上波导层6制作在量子阱层5上；一P型上限制层7，为P-AlGaAs材料，该P型上限制层7制作在上波导层6上；一过渡层8，为P-GaAs材料，该过渡层8制作在P型上限制层7上；一电极接触层9，为P-GaAs材料，该电极接触层9具有高的P型掺杂且制作在过渡层8上。
[0029]本发明选用的稀氮In^GaamNyPi y材料生长工艺和表征手段成熟，其与GaAs过渡层2以及GaAs波导层4之间不存在晶格常数不匹配问题。另外，由图1可知，通过稀氮In0.^Ga0.s^Pi y材料中N元素的组分变化，可以控制其与GaAs过渡层2以及GaAs波导层4之间的能带结构，降低在两个界面上发生的载流子能量损失。
[0030]同时，由于稀氮IrvuGaamNyPi y/GaAs构造不含有A1元素，因此，可以通过折射率和厚度优化设计将器件光场移至N型一侧，达到提高器件寿命的目的。
[0031]以上所述，仅为本发明中的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
【主权项】
1.一种低电压损耗半导体激光器外延结构，其特征在于，包括: 一衬底，为(100)面的N型GaAs材料，该衬底用于在其上外延生长激光器各层材料； 一缓冲层，为N-GaAs材料，该缓冲层制作在衬底上； 一 N型下限制层，为稀氮N-1n^GaaAP: y材料，该N型下限制层制作在缓冲层上； 一 N型下波导层，为N-GaAs材料，该下波导层制作在下限制层上； 一量子阱层，该量子阱有源区材料为成熟的I%2Ga。.sAs，该量子阱为单量子阱，制作在下波导层上； 一 P型上波导层，为P-AlGaAs材料，该上波导层制作在量子阱层上； 一 P型上限制层，为P-AlGaAs材料，该P型上限制层制作在上波导层上； 一过渡层，为P-GaAs材料，该过渡层制作在P型上限制层上； 一电极接触层，为P-GaAs材料，该电极接触层制作在过渡层上。2.根据权利要求1所述的低电压损耗半导体激光器外延结构，其中N型下限制层选择稀氮InQ.4SGaQ.52NyPi y材料，其特征在于，其中N含量在(0% -0.5% )区间，y与GaAs材料晶格匹配。3.根据权利要求1所述的低电压损耗半导体激光器外延结构，稀氮JGaAs中N元素的加入有利于减小材料禁带宽度，降低In^GaamNyPi y和GaAs的导带差，此结构有利于降低注入电子的能量损耗，降低器件电压降。4.根据权利要求1所述的低电压损耗半导体激光器外延结构，稀氮JGaAs限制结构不含A1元素，该结构有利于提高半导体激光器的寿命。
【专利摘要】本发明属于半导体光电子学技术领域，涉及一种低电压损耗半导体激光外延结构，包括：一衬底，为(100)面的N型GaAs材料，该衬底用于在其上外延生长激光器各层材料；一缓冲层，在衬底上，为N型GaAs材料；一N型下限制层，在缓冲层上，为N型稀氮In0.48Ga0.52NyP1-y材料；一下波导层，在下限制层上，为N型GaAs材料；一量子阱层，该量子阱材料为InGaAs单量子阱，制作在下波导层上；一上波导层，为P型AlGaAs材料，该上波导层在量子阱层上；一P型上限制层，在上波导层上，为P型AlGaAs材料；一过渡层，在P型上限制层上，为P型GaAs材料；一电极接触层，为P型GaAs材料，在过渡层上。其中选用稀氮In0.48Ga0.52NyP1-y/GaAs材料组合作为下限制层和波导层结构，该材料体系能够在晶格匹配的条件下，降低界面处的导带差，减小载流子传输过程中的电压损耗。
【IPC分类】H01S5/343
【公开号】CN105322440
【申请号】CN201410279694
【发明人】李特, 乔忠良, 郝二娟, 李再金, 芦鹏, 曲轶, 刘国军
【申请人】长春理工大学
【公开日】2016年2月10日
【申请日】2014年6月18日