InGaAs/AlGaAs单量子阱及多量子阱半导体激光器有源区外延结构的制作方法

本发明属于半导体材料领域，尤其涉及一种长在900-950nm的半导体激光器有源区ingaas/algaas单量子阱以及多量子阱外延结构。

背景技术：

半导体激光器具有波长范围宽、制作简单、成本低、易于大量生产、寿命长等优点。由于它的高效率、高可靠性和小型化的优点，半导体二极管激光器在光通信、光存储、光互联、激光打印以及激光雷达测距等方面得到了广泛的应用。对于波长在900-950nm波段，传统的半导体激光器有源区采用的ingaas/gaas多量子阱结构中的gaas势垒较低，不能很好的把载流子限制在量子阱中。

技术实现要素：

为了解决波长为900-950nm附近的半导体激光器有源区材料体系中ingaas/gaas中gaas禁带宽度小的问题，本发明提供了一种新的ingaas/algaas单量子阱以及多量子阱结构用作半导体激光器有源区材料的外延结构设计及生长技术，其以简单有效的方式实现目标波长的有源区材料生长，并可以增加势垒高度，减少表面粗糙度，且有较高的晶体质量。

本发明所采用的技术方案是：

一种ingaas/algaas单量子阱及多量子阱半导体激光器有源区外延结构，其特殊之处在于：

当ingaas/algaas多量子阱结构作为有源区时，包括势阱ingaas层、势垒algaas层、插入层gaas层。

另外一种ingaas/algaas单量子阱及多量子阱半导体激光器有源区外延结构，其特殊之处在于：

当ingaas/algaas多量子阱结构作为单独有源区外延结构时，从上到下依次包括gaas盖层、algaas上势垒层、gaas上插入层、ingaas势阱层、gaas下插入层、algaas下势垒层、gaas缓冲层、gaas(100)晶向偏(110)2°的n型衬底。

优选地，上述algaas上势垒层、algaas下势垒层中al的组分均为x，当0.1≤x≤0.3时，所述algaas上势垒层、algaas下势垒层的厚度为8-10nm。

优选地，上述势阱ingaas层中in的组分为y，当0.15≤y≤0.18时，所述势阱ingaas层的厚度为6-8nm。

优选地，上述gaas上插入层、gaas下插入层的厚度为4-7nm。

优选地，上述有源区采用多量子阱结构的量子阱数目为1-5。

优选地，上述势阱ingaas层为低温生长，约560-600℃生长。

优选地，上述algaas上势垒层、algaas下势垒层为高温生长，约680-720℃生长。

优选地，上述gaas上插入层为高温生长，约660-680℃生长；gaas下插入层为低温生长，约580-600℃生长。

与现有技术相比，

1)本发明针对半导体激光器外延结构，通过设计有源区结构，选择ingaas/algaas多量子阱作为有源区结构，通过优化设计势阱ingaas层厚度、势垒algaas层厚度、插入层gaas层厚度以及各层的生长温度；针对有源区结构，需要设计不同的厚度的gaas插入层，实现光致发光强度增强和表面粗糙度最小光实现有源区结构性能得到提升和改善。

2)本方案采用金属有机化合物外延生长技术外延生长ingaas/algaas多量子阱有源区结构，增加了势垒高度，减少了表面粗糙度，且有较高的晶体质量；

3)本发明可用于915nm水平谐振腔面发射激光器、940nm垂直腔面发射激光器、边发射激光器等半导体激光器；在ingaas/algaasmqws生长过程中，根据mocvd生长理论，ingaas生长需要较低的温度(约600℃以下)，确保in原子不会由于高温发生偏析现象，造成in组分波动而不均匀；此外，algaas生长需要较高的温度(约680℃以下)，确保algaas层含有较少的碳和氧杂质。在利用mocvd生长过程中，algaas和ingaas层为交替生长，反复变温生长，会使in和al原子，生长ingaas，影响器件性能；

4)本发明通过适当改变gaas层厚度提升多量子阱性能，生长过程在gaas插入层的厚度为4-7nm时，ingaas/algaas多量子阱的光致发光光谱中发光强度明显增强，以及光谱中的fwhm较小，从而证明通过恰当厚度的gaas层可以提升ingaas/algaas的性能。

附图说明

图1为半导体激光器有源区外延生长结构图；

图2为插入层分别为0nm、2nm、4nm、6nm、7nm时有源区ingaas/algaas多量子阱结构和外延结构ingaas/gaas多量子阱结构的光致发光光谱图；

图3为插入层为0nm时，有源区外延结构ingaas/algaas多量子阱结构的原子力显微镜表面形貌图；

图4为插入层为4nm时，有源区外延结构ingaas/algaas多量子阱结构的原子力显微镜表面形貌图；

图5为插入层为6nm时，有源区外延结构ingaas/algaas多量子阱结构的原子力显微镜表面形貌图；

图6为插入层为7nm时，有源区外延结构ingaas/algaas多量子阱结构的原子力显微镜表面形貌图。

其中：1、gaas盖层；2、algaas上势垒层；3、gaas上插入层；4、ingaas势阱层；5、gaas下插入层；6、algaas下势垒层；7、gaas缓冲层；8、gaas(100)晶向偏(110)2°的n型衬底。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要明确的是，术语“垂直”、“横向”、“纵向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“水平”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅仅是为了便于描述本发明，而不是意味着所指的装置或元件必须具有特有的方位或位置，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本实施例公开了半导体激光器有源区ingaas/algaas多量子阱外延结构设计及生长技术，自上而下依次包括gaas盖层1、algaas上势垒层2、gaas上插入层3、ingaas势阱层4、gaas下插入层5、algaas下势垒层6、gaas缓冲层7、gaas(100)晶向偏(110)2°的n型衬底8。其中有源区为多量子阱的数目和组分含量有变化，优化插入层gaas厚度，有效的提高外延生长晶体质量和光致发光发光强度。

实施例一

本实施例中，半导体激光器有源区结构为采用mocvd技术外延得到，其中algaas上势垒层2、algaas下势垒层6均为al0.3gaas，680℃高温生长；ingaas势阱层4为in0.18gaas，600℃低温生长；gaas上插入层3、gaas下插入层5分别为0nm，分别采用600℃低温和680℃高温下生长上下插入层。为了表征多量子阱结构有源区的发光效率和晶体质量，同时对外延片采用光致发光和原子力显微镜进行测试。如图2所示，为光致发光光谱图，发光强度几乎为0(相对强度)。如图3所示，为原子力显微镜表面形貌图，生长模式均为明显台阶流生长模式，且均方根表面粗糙度分别为0.683nm。

实施例二

本实施例中，半导体激光器有源区结构为采用mocvd技术外延得到，其中algaas上势垒层2、algaas下势垒层6均为al0.3gaas，680℃高温生长；ingaas势阱层4为in0.18gaas，600℃低温生长；gaas上插入层3、gaas下插入层5为4nm，分别采用600℃低温和680℃高温下生长上下插入层。为了表征多量子阱结构有源区的发光效率和晶体质量，同时对外延片采用光致发光和原子力显微镜进行测试。如图2所示，为光致发光光谱图，发光强度为7544(相对强度)，半峰宽为16.5nm，激射波长为937nm。如图4所示，为原子力显微镜表面形貌图，生长模式均为明显台阶流生长模式，且均方根表面粗糙度分别0.278nm。

实施例三

本实施例中，半导体激光器有源区结构为采用mocvd技术外延得到，其中algaas上势垒层2、algaas下势垒层6均为al0.3gaas，680℃高温生长；ingaas势阱层4为in0.18gaas，600℃低温生长；gaas上插入层3、gaas下插入层5为6nm，分别采用600℃低温和680℃高温下生长上下插入层。为了表征多量子阱结构有源区的发光效率和晶体质量，同时对外延片采用光致发光和原子力显微镜进行测试。如图2所示，为光致发光光谱图，发光强度为13361(相对强度)，半峰宽为14.5nm，激射波长为937nm。如图5所示，为原子力显微镜表面形貌图，生长模式均为明显台阶流生长模式，且均方根表面粗糙度分别为0.640nm。

实施例四

本实施例中，半导体激光器有源区结构为采用mocvd技术外延得到，其中algaas上势垒层2、algaas下势垒层6均为al0.3gaas，680℃高温生长；ingaas势阱层4为in0.18gaas，600℃低温生长；gaas上插入层3、gaas下插入层5为7nm，分别采用600℃低温和680℃高温下生长上下插入层。为了表征多量子阱结构有源区的发光效率和晶体质量，同时对外延片采用光致发光和原子力显微镜进行测试。如图2所示，为光致发光光谱图，发光强度为5545(相对强度)，半峰宽为25nm，激射波长为946nm。如图6所示，为原子力显微镜表面形貌图，生长模式均为明显台阶流生长模式，且均方根表面粗糙度分别为0.472nm。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。