一种半导体激光器的外延片、外延片制备方法，以及半导体激光器与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种半导体激光器的外延片、外延片制备方法，以及半导体激光器。


背景技术：

2.一般半导体激光器有源层厚度约为0.2-0.5um，当有源层厚度减薄到德布罗意波长数量级时，就出现量子尺寸效应，这时载流子被限制在有源层构成的势阱内，该势阱称为量子阱，这导致了自由载流子特性发生重大变化。量子阱是窄带隙超薄层被夹在两个宽带隙势垒薄层之间。由于量子阱有源层阈值更低，量子效率更高，目前新型的半导体激光器如vcsel(垂直腔面发射激光器)等均采用量子阱有源层。
3.现有的近红外波段半导体激光器通常采用algaas/ingaas的量子阱，由于势垒层和势阱层交替生长，而叠加in的溢出效应，会造成阱垒界面模糊，引起载流子微分复合效率降低，导致量子效率降低，严重限制半导体激光器的性能，因此，如何提高外延片量子效率变得尤为重要。


技术实现要素：

4.针对上述缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种半导体激光器的外延片、外延片制备方法，以及半导体激光器。
5.为达到以上目的，本发明的技术方案为：
6.一种半导体激光器的外延片，包括：衬底，以及依次层叠于所述衬底上的缓冲层、量子阱结构层、保护层，其特征在于，所述量子阱结构层包括，在缓冲层上依次交替层叠的势垒层、势阱层、隔断层，所述保护层层叠于最外侧势垒层的表面。
7.进一步地，所述势垒层包括，第一势垒层和第二势垒层，且均为al0.3ga0.7as层。
8.进一步地，所述隔断层由靠近势阱层一侧的gaas向第二势垒层渐变为al0.2ga0.8as。
9.进一步地，所述第一势垒层和第二势垒层的厚度均为20nm。
10.进一步地，所述势阱层为in0.13ga0.87as层，所述in0.13ga0.87as层的厚度为8nm，所述势阱层的波长为930nm。
11.进一步地，所述缓冲层为gaas缓冲层，所述gaas缓冲层的厚度为0.8um。
12.进一步地，所述保护层为gaas保护层，所述gaas保护层的厚度为0.16um。
13.进一步地，所述隔断层的厚度为3nm。
14.一种半导体激光器外延片的制作方法，包括以下步骤s1—s4：
15.s1，提供衬底；
16.s2，在所述衬底上依次外延生长缓冲层；
17.s3，在所述缓冲层上依次生长得到量子阱结构层，
18.其中,所述量子阱结构层包括，在缓冲层表面依次交替生长的第一势垒层、势阱层、隔断层、第二势垒层；
19.当生长所述隔断层时，在势阱层的上表面先生长gaas，由gaas渐变为al0.2ga0.8as，在所述al0.2ga0.8as的表面生长第二势垒层；
20.s4，在所述第二势垒层表面生长保护层。
21.一种半导体激光器，包括上述所述的外延片。
22.与现有技术比较，本发明的有益效果为：
23.本发明提供了一种半导体激光器的外延片通过在在ingaas量子阱势阱表面与上势垒层界面添加超薄渐变层，渐变层组分由gaas渐变为al0.2ga0.8as作为隔断层，来抑制势阱层内in原子析出溢流进入势垒层，克服了in原子引发的张应力造成势垒层带隙变窄、材料界面模糊的问题，以提高量子阱有源层与阱垒界面的清晰度，进一步，增大载流子的微分复合效率，进而提高了外延片的量子效率。
24.本发明提供了一种外延片制备方法，通过在缓冲层表面依次交替生长的第一势垒层、势阱层、隔断层、第二势垒层；其中，当生长隔断层时，在势阱层的表面先生长gaas，由gaas渐变为al0.2ga0.8as，最后在al0.2ga0.8as的表面生长第二势垒层，实现量子阱有源层与阱垒界面之间超薄渐变隔断层的添加；来抑制势阱层内in析出效应，从而增大载流子的微分复合效率，以提高外延片的量子效率，进而提高了半导体激光器的发光性能。
附图说明
25.图1是本发明中外延片的结构示意图；
26.图2是本发明中外延片制备方法的流程图；
27.图3是本发明中外延片或半导体激光器的发光波长曲线图；
28.图4是现有外延片或半导体激光器的发光波长曲线图；
29.图5是本发明中外延片或半导体激光器的波长光能量分布光谱图；
30.图6是现有外延片或半导体激光器的波长光能量分布光谱图。
31.其中，1—衬底；2—缓冲层；3—第一势垒层；4—势阱层；5—隔断层；6—第二势垒层；7—保护层。
具体实施方式
32.下面将结合附图对本发明做详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
33.本技术主要针对采用algaas/ingaas量子阱的半导体激光器,在半导体激光器的外延片中多量子阱由于势垒层和势阱层交替生长，由于in(铟)高温下析出效应强，在上势垒层生长过程中，in(铟)容易溢流进入上势垒层中，而晶格常数较大的in原子引发的张应力造成势垒层带隙变窄，材料界面模糊，使得载流子微分复合效率降低，从而导致量子效率降低。因此，如何提高外延片量子阱有源层的量子效率变得尤为重要。
34.实施例一
35.如图1所示，本发明实施例提供一种半导体激光器的外延片，包括衬底1，以及依次
层叠于所述衬底上1的缓冲层2、量子阱结构层、保护层7；其中，量子阱结构层包括，在缓冲层2上依次交替层叠的势垒层(3、6)、势阱层4、隔断层5；所述势垒层包括，第一势垒层3(作为宽带隙的下势垒层)和第二势垒层6(作为宽带隙的上势垒层)，作为宽带隙的下势垒层和上势垒层的材料为al0.2ga0.7as，且厚度均为20nm；所述势阱层4夹在第一势垒层3与第二势垒层6之间，且层叠于第一势垒层3的表面，所述隔断层5插入势阱层4与第二势垒层6界面之间，来抑制in向上势垒层的扩散，提高量子阱有源层与阱垒界面的清晰度，进一步，提高了载流子的复合效率，以提高量子效率。所述保护层7层叠于第二势垒层6的表面，防止上势垒层表面氧化。
36.具体的，所述隔断层5为复合渐变层，组分由靠近势阱层4表面的gaas向第二势垒层6渐变为al0.2ga0.8as层，在ingaas量子阱势阱表面与上势垒层界面形成厚度为3nm的超薄渐变层，作为隔断层，在第二势垒层6(上势垒层生)生长时，抑制了晶格常数较大in原子向上溢流进进入在第二势垒层6(上势垒层)，避免in原子引发的张应力造成势垒层带隙变窄，材料界面模糊，从而增大了量子阱内载流子的微分复合效率，提高了量子效率。在本实施例中，所述衬底1为gaas衬底；所述缓冲层2为gaas缓冲层，其厚度为0.8um；所述势阱层4为in0.13ga0.87as量子阱有源层，量子阱有源层的厚度为8nm，且量子阱有源层对应的波长为930nm；所述保护层6为gaas保护层，防止al0.3ga0.7as氧化，其厚度为0.16um。
37.实施例二
38.如图2所示，本实施例提供一种外延片的制备方法，应用于实施例1提出的外延片中，所述外延片的制备方法包括以下步骤：
39.s1，提供衬底1，所述衬底1为6英寸的晶圆片(wafer 6inch)，且表面晶面指数[100]、偏向2度，所述衬底1的厚度为625um；在本实施例中利用mocvd(metal-organic chemical vapor deposition)在气压50mbar，温度700℃条件下；
[0040]
s2，mocvd中砷化氢(ash3)流量为950sccm,三甲基镓(tmga)钢瓶压力1000mbar,流量164sccm,在所述衬底1上生长15min，得到一层厚度为0.8um的gaas缓冲层；
[0041]
s3，在所述缓冲层2(gaas缓冲层)上依次生长得到单/多量子阱结构层，示例性的，在缓冲层2上生长一个量子阱结构为单量子阱结构层，生长两个以上量子阱结构为多量子阱结构层，本实施例中量子阱结构层为三个量子阱结构依次层叠生长在gaas缓冲层表面的多量子阱结构层，其中：
[0042]
所述量子阱结构包括，在缓冲层2(gaas缓冲层)表面依次交替生长的势垒层(第一势垒层3)、势阱层4、隔断层5、势垒层(第二势垒层6)；所述第一势垒层3和第二势垒层6为al0.2ga0.7as，所述势阱层4为in0.13ga0.87as层；
[0043]
其中，mocvd中ash3流量为950sccm,tmga流量108sccm,三甲基铝(tmal)钢瓶压力1000mbar tmal流量102sccm，在所述缓冲层2(gaas缓冲层)上生长30s，得到厚度为20nm的第一势垒层3，作为宽带隙的下势垒层；所述第一势垒层3为al0.2ga0.7as层。
[0044]
mocvd中ash3流量为950sccm,tmga流量66sccm,三甲基镓(tmin)钢瓶压力300mbar tmin流量218sccm，在所述第一势垒层3(下势垒层)上生长20s，得到厚度为8nm的势阱层4，作为窄带隙的量子阱有源层；且对应的波长为930nm；所述势阱层4为in0.13ga0.87as(铟镓砷，其中in摩尔含量为13％,镓的摩尔含量为87％)；
[0045]
mocvd中ash3流量为950sccm,tmga流量由164sccm渐变为66sccm,tmal流量由
0sccm渐变为58sccm,在所述势阱层4的表面生长5s，得到厚度为3nm的隔断层5(复合渐变层)，且在势阱层4的表面先生长gaas(砷化镓)层，由gaas渐变为al0.2ga0.8as(铝砷化镓，其中al摩尔含量为20％，镓的摩尔含量为80％)；
[0046]
mocvd中ash3流量为950sccm,tmga流量108sccm,tmal钢瓶压力1000mbar tmal 102sccm，在所述隔断层5表面(即al0.2ga0.8as表面)生长30s，得到厚度为20nm的第二势垒层6(下势垒层)；所述第二势垒层6为al0.3ga0.7as(铝砷化镓，其中al摩尔含量为30％，镓的摩尔含量为70％)层。
[0047]
s4，mocvd中ash3流量950sccm,tmga钢瓶压力不变，流量164sccm,，在所述第二势垒层6表面生长3min，得到厚度为0.16um的保护层7，所述保护层7为gaas保护层，用于防止最外层势垒层al0.3ga0.7as层氧化。
[0048]
如图3-图6所示，对本发明中外延片结构与现有的普通外延片的发光强度进行光谱检测对比；其中，图3—图4为光致发光光谱仪在同样的测量条件下测量得到的发光波长曲线图，图5—图6为光致发光光谱仪在同样的测量条件下测量得到的不同波长光的能量或者强度分布的光谱图。由此发现，本技术中的外延片结构、含有本技术外延片结构的半导体激光器，比普通外延片或者激光器有源层的强度高35％，半峰宽(fwhm)改善40％，大大地提高了量子阱的量子效率，使得本技术中的半导体激光器，发光强度更高，性能更好。
[0049]
本发明的第三实施例提供一种半导体激光器，包括上述实施例一中的外延片；所述外延片由上述实施例二中的外延片制备方法获得。
[0050]
由于本技术中外延片的量子效率高，故半导体激光器的发光性能更优越。
[0051]
对于本领域技术人员而言，显然能了解到上述具体事实例只是本发明的优选方案，因此本领域的技术人员对本发明中的某些部分所可能作出的改进、变动，体现的仍是本发明的原理，实现的仍是本发明的目的，均属于本发明所保护的范围。