非对称异质波导808nm半导体激光器结构及其制备方法

本发明涉及非对称半导体激光器结构，更具体的说，涉及一种非对称异质波导808nm半导体激光器结构及其制备方法。

背景技术：

1、波导层是808nm半导体激光器的重要组成部分，对激光器的输出特性起着关键作用。波导结构一般情况下采用非对称波导，通过调整波导厚度降低光损耗，但常规的n-p侧波导层通常采用同质半导体，导致波导层和限制层之间的能带结构相对固定，这可能会造成载流子输运过程中的损失，从而影响工作电压和输出功率。实际上，能带结构与工作电压和串联电阻之间联系紧密，因此，如何通过外延结构优化降低n侧能量损失极其重要。

2、载流子损耗大，工作电压高导致能量损耗大是影响808nm半导体激光器高功率、高电光转换效率输出的关键科学问题。传统波导n、p侧采用同质algaas材料，各外延层间能带结构相对固定。非对称波导结构通过调节n、p型波导厚度优化光场分布，达到减少光损耗的目的，在电学上只考虑了各层材料的电导率和热导率。此外，载流子在传输过程中的损耗导致808nm半导体激光器的工作电压增大，电光转换效率降低。这是限制808nm半导体激光器实现高性能的主要因素。ingaasp材料体系能够提供较小的导带差和较大的价带差，有利于导带电子的注入和在价带中对空穴形成更高的势垒。采用n型ingaasp材料和p型波导采用algaas材料的非对称异质波导结构，实现对电子和空穴的分别限制，从而降低器件的电压降，提高器件的注入效率和输出功率。因此，设计高功率半导体激光器的非对称异质波导结构对减少载流子损耗，提高半导体激光器的电学性能具有重要意义。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种非对称异质波导808nm半导体激光器结构及其制备方法，该发明不仅能够调控光场分布，减少了光损耗，还能优化载流子传输能力，减少界面载流子损耗，从而降低串联电阻和工作电压，实现提高输出功率和电光转换效率的目的。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

3、一种非对称异质波导808nm半导体激光器结构，包括n-gaas衬底和外延生长方向依次设置的n-inxga1-xas1-ypy限制层、n-inxga1-xas1-ypy波导层、n-inxga1-xas1-ypy势垒层、inxga1-xas1-ypy量子阱层、p-gaas1-xpx势垒层、p-alxga1-xas波导层、p-alxga1-xas限制层、p-gaas接触层，其中：n-gaas衬底在晶面上生长，n-inxga1-xas1-ypy限制层在n-gaas衬底上生长；n-inxga1-xas1-ypy波导层在n-inxga1-xas1-ypy限制层上生长；n-inxga1-xas1-ypy势垒层在n-inxga1-xas1-ypy波导层上生长，inxga1-xas1-ypy量子阱层在n-ga1-xinxas1-ypy势垒层上生长；p-gaas1-xpx势垒层在inxga1-xas1-ypy量子阱层上生长；p-alxga1-xas波导层在p-gaas1-xpx势垒层上生长；p-alxga1-xas限制层在p-alxga1-xas波导层上生长；p-gaas接触层在p-alxga1-xas限制层上生长。

4、进一步，n-gaas衬底厚度为1000～3000nm，n-gaas衬底的掺杂浓度为5×1018～1×1019cm-1；p-gaas接触层厚度为100～500nm，p-gaas接触层恒定掺杂浓度为5×1019～1×1020cm-1。

5、进一步，inxga1-xas1-ypy量子阱层厚度为3～10nm，in组分满足0＜x＜0.10，p组分满足0＜y＜0.15，inxga1-xas1-ypy量子阱层不掺杂。

6、进一步，n-ga1-xinxas1-ypy势垒层厚度为10～20nm，in组分满足0.4＜x＜0.55，p组分满足0.8＜y＜0.95；p-gaas1-xpx势垒层厚度与n-ga1-xinxas1-ypy势垒层厚度相同，p组分满足0.2＜x＜0.7；n-ga1-xinxas1-ypy势垒层和p-gaas1-xpx势垒层均不掺杂。

7、进一步，n-inxga1-xas1-ypy波导层厚度为300～700nm，in和p组分为渐变，in组分最大值与n-inxga1-xas1-ypy限制层中的in组分相同，in组分最小值大于0；n-inxga1-xas1-ypy波导层掺杂浓度渐变，掺杂浓度最大值小于n-inxga1-xas1-ypy限制层的掺杂浓度；p-alxga1-xas波导层厚度为300～700nm，al组分渐变，al组分最大值与p-alxga1-xas限制层中的al组分相同，al组分最小值大于0；p-alxga1-xas波导层掺杂浓度渐变，掺杂浓度最大值小于p-alxga1-xas限制层的掺杂浓度。

8、进一步，n-inxga1-xas1-ypy限制层厚度为1000～1500nm，掺杂浓度与n-gaas衬底相同，n-inxga1-xas1-ypy限制层中in组分x满足0.4＜x＜0.55，p组分满足0.8＜y＜0.95，in和p组分固定，n-inxga1-xas1-ypy限制层中的in和p组分分别与n-inxga1-xas1-ypy波导层中in和p组分的最大值相同；p-alxga1-xas限制层厚度为1000～1500nm，掺杂浓度与p-gaas接触层掺杂浓度相同，p-alxga1-xas限制层中al组分满足0.4＜x＜0.6，al组分固定，且与p-alxga1-xas波导层中al组分的最大值相同；n-inxga1-xas1-ypy限制层和p-alxga1-xas限制层的掺杂浓度固定。

9、一种非对称异质波导808nm半导体激光器结构的制备方法，基上述的非对称异质波导808nm半导体激光器结构，具体包括以下步骤：

10、步骤1.清洗带有偏角的n-gaas衬底表面：通入氢气，反应室温度为700～740℃时，持续5～15分钟，清洗掉n-gaas衬底表面颗粒污染物，去除n-gaas衬底表面氧原子；

11、步骤2.n-inxga1-xas1-ypy限制层生长：反应室温度降至650～680℃，三甲基镓流量为45sccm，砷烷流量为800～1500sccm，磷烷流量为300～500sccm，三甲基铟流量为240sccm，在n-gaas衬底上生长n-inxga1-xas1-ypy限制层；n型掺杂浓度为1×1019cm-1；

12、步骤3.n-inxga1-xas1-ypy波导层生长：反应室内温度保持不变，三甲基镓流量为45sccm，砷烷流量为800～1500sccm，磷烷流量为300～500sccm，三甲基铟流量为240sccm，，在n-inxga1-xas1-ypy限制层上生长n-inxga1-xas1-ypy波导层；n型掺杂浓度为1×1017～1×1018cm-1；

13、步骤4.n-inxga1-xas1-ypy势垒层生长：反应室温度保持不变，三甲基镓流量为45sccm，砷烷流量为800～1500sccm，磷烷流量为300～500sccm，三甲基铟流量为240sccm，在n-inxga1-xas1-ypy波导层上生长n-inxga1-xas1-ypy势垒层；

14、步骤5.inxga1-xas1-ypy量子阱层生长：反应室温度降至550～650℃，三甲基镓流量为90sccm，砷烷流量为440sccm，在n-inxga1-xas1-ypy势垒层上生长inxga1-xas1-ypy量子阱层；

15、步骤6.p-gaas1-xpx势垒层生长：反应室温度升至650～680℃，三甲基镓流量为45sccm，砷烷流量为800～1500sccm，磷烷流量为300～500sccm，inxga1-xas1-ypy量子阱层上生长p-gaas1-xpx势垒层；

16、步骤7.p-alxga1-xas波导层生长：反应室温度保持不变，三甲基镓流量为97sccm，三甲基铝流量为28sccm，砷烷流量为1160sccm，四溴化碳流量为5～20sccm，在p-gaas1-xpx势垒层上生长p-alxga1-xas波导层，p型掺杂浓度为1×1017～1×1018cm-1；

17、步骤8.p-alxga1-xas限制层生长：反应室温度保持不变，三甲基镓流量为75sccm，三甲基铝流量为70sccm，砷烷流量为1160sccm，四溴化碳流量为5～20sccm，在p-alxga1-xas波导层上生长p-alxga1-xas限制层，p型掺杂浓度1×1019cm-1；

18、步骤9.p-gaas接触层生长：反应室温度保持不变，三甲基镓流量为90sccm，砷烷流量为440sccm，四溴化碳流量为10～25sccm，在p-alxga1-xas限制层上生长p-gaas接触层。

19、进一步，n-gaas衬底的偏角为0～1°。

20、综上所述，发明具有以下有益效果：

21、本发明的非对称异质波导结构能够调控光场分布，减少了光损耗，还能优化载流子传输能力，减少界面载流子损耗，从而降低串联电阻和工作电压，实现提高输出功率和电光转换效率的目的。本发明能够解决外延结构中载流子光吸收损耗严重和在输运过程中能量损失大的问题，降低了工作中的光损耗和泄漏电流，从而降低激光器的串联电阻和工作电压，提高激光器的输出功率和电光转换效率。