一种GaAs基大功率激光器及其制备方法
阅读说明：本技术 一种GaAs基大功率激光器及其制备方法 (GaAs-based high-power laser and preparation method thereof ) 是由 李志虎 张新 夏伟 金光勇 于 2020-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种GaAs基大功率激光器及其制备方法,属于光电子技术领域,包括在GaAs衬底上由下至上依次生长的GaAs低温缓冲层、Al-(x)Ga-(y)As下限制层、AlGaAs下波导层、量子阱发光区、AlGaAs上波导层、Al-(X)Ga-(Y)As上限制层和GaAs帽层,其中,0≤x,y≤1,0≤X,Y≤1；所述量子阱发光区包括交替生长的AlGaAs阱层-AlGaAs垒层和GaAsP阱层-AlGaAs垒层。本发明采用无铝材料GaAsP作为量子阱有源区,可以保证长期工作的可靠性。(The invention relates to a GaAs-based high-power laser and a preparation method thereof, belonging to the technical field of photoelectrons x Ga y An As lower limiting layer, an AlGaAs lower waveguide layer, a quantum well light emitting region, an AlGaAs upper waveguide layer, and Al X Ga Y The GaAs cap layer is arranged on the As upper limiting layer, wherein X is more than or equal to 0, Y is less than or equal to 1, X is more than or equal to 0, and Y is less than or equal to 1; the quantum well light emitting region comprises AlGaAs well layer-AlGaAs barrier layers and GaAsP well layer-AlGaAs barrier layers which are alternately grown. The invention adopts the aluminum-free material GaAsP as the quantum well active region, and can ensure the reliability of long-term operation.)
技术领域
本发明涉及一种GaAs基大功率激光器及其制备方法，属于光电子技术领域。
背景技术
大功率半导体激光器具有体积小、重量轻、可靠性高、寿命长、成本低的优点，成果多、学科渗透广、应用范围大的核心器件，已广泛应用于国民经济的各个领域如激光加工、激光医疗、激光显示及科学研究领域。
GaAs基大功率激光器是半导体激光器封装结构中的一种，具体结构为将单Bar半导体激光器沿慢轴方向均匀排布。这种水平阵列封装结构常用来作为固体激光器的泵浦源，在晶体棒周围均匀排布多个水平阵列结构的半导体激光器，分别从不同方向照射晶体棒，可以实现较高的转化效率。但是，反射的激光还可能会直接照射到半导体激光芯片，导致芯片热损毁，会严重影响半导体激光器的可靠性和寿命，并且对半导体激光器芯片的散热能力提出了更高的要求。
由于含铝的有源区容易氧化和产生暗线缺陷，腔面所能承受的光学功率密度不高，因此降低了激光器的最高功率和使用寿命，对于需要长期工作的大功率激光器影响更为严重。无铝材料与含铝材料相比热导率和电导率更高，从而具有较高的腔面光学灾变功率密度、并且不易氧化，因而有利于提高器件功率和可靠性，适合高性能应用领域。对于全无铝材料结构，虽然具有上述优点，但是由于量子阱层与垒和上限制层形成异质结的导带带阶较小，会造成较强的载流子泄漏，从而导致阈值电流密度增加，外量子效率下降，温度特性变差，限制了激光器在某些环境和领域的应用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种GaAs基大功率激光器及其制备方法，采用无铝材料GaAsP作为量子阱有源区，可以保证长期工作的可靠性。
本发明采用以下技术方案：
一种GaAs基大功率激光器，包括在GaAs衬底上由下至上依次生长的GaAs低温缓冲层、AlxGayAs下限制层、AlGaAs下波导层、量子阱发光区、AlGaAs上波导层、AlXGaYAs上限制层和GaAs帽层，其中，0≤x，y≤1，0≤X，Y≤1；
所述量子阱发光区包括交替生长的AlGaAs阱层-AlGaAs垒层和GaAsP阱层-AlGaAs垒层。
优选的，AlGaAs阱层-AlGaAs垒层的一层AlGaAs阱层和一层AlGaAs垒层构成一对量子阱，GaAsP阱层-AlGaAs垒层的一层GaAsP阱层和一层AlGaAs垒层构成一对量子阱，量子阱对数为2～10对；
优选的，量子阱对数为2对，AlGaAs阱层-AlGaAs垒层和GaAsP阱层-AlGaAs垒层各为1对，即一层AlGaAs阱层-AlGaAs垒层和一层GaAsP阱层-AlGaAs垒层，如图1所述，可表示为(阱AlGaAs垒AlGaAs)+(阱GaAsP垒AlGaAs)。
优选的，量子阱发光区的阱层厚度(包括AlGaAs阱层和GaAsP阱层的总厚度)为6～15nm，垒层厚度(AlGaAs垒层的总厚度)为10～100nm。
本发明中，GaAsP占比与所需达到的波长有关，可根据禁带宽度视情况而定。
一种上述的GaAs基大功率激光器的制备方法，包括以下步骤：
(1)将GaAs衬底放在MOCVD设备生长室内，在H2环境升温到780±30℃烘烤30-50分钟，并通入AsH3，去除GaAs衬底表面水氧完成表面热处理；
AsH3流量优选为1000ccm-10000ccm；
(2)将温度缓降到700±20℃，继续通入TMGa和AsH3，在GaAs衬底上生长厚度在50-1000nm的GaAs低温缓冲层；
缓降可根据工艺设定，本步骤中，温度缓降的斜率≤45°，通入TMGa和AsH3的流量可根据生长厚度而定，V/III比在20以上为佳；
(3)温度保持在700±20℃，继续通入TMGa、TMAl、和AsH3，在步骤(2)的GaAs低温缓冲层上生长AlxGayAs下限制层，其中0≤x，y≤1；
通入TMGa、TMAl、和AsH3时，V/III比在20以上，优选为90，根据SIMS测试，V/III比为90可抑制材料中的C的自掺杂，提高材料生长的晶体质量；
(4)温度降至650±20℃，在AlxGayAs下限制层上生长n型AlGaAs下波导层；
(5)保持温度在650±20℃，在步骤(4)的AlGaAs下波导层上生长量子阱发光区，同时通入TMIn，In的摩尔流量占比在3％-10％，优选为4％-6％，通过实验验证，此时的压应变量最优；
其中，量子阱发光区包括交替生长的AlGaAs阱层-AlGaAs垒层和GaAsP阱层-AlGaAs垒层，即AlGaAs阱层-AlGaAs垒层与aAsP阱层-AlGaAs垒层交替生长，AlGaAs阱层-AlGaAs垒层的一层AlGaAs阱层和一层AlGaAs垒层构成一对量子阱，GaAsP阱层-AlGaAs垒层的一层GaAsP阱层和一层AlGaAs垒层构成一对量子阱，量子阱对数为2对，即AlGaAs阱层-AlGaAs垒层和GaAsP阱层-AlGaAs垒层各为1对，即(阱AlGaAs垒AlGaAs)+(阱GaAsP垒AlGaAs)结构；
(6)保持温度在650±20℃，在量子阱发光区上生长p型AlGaAs上波导层；
(7)将温度提升到700±20℃，上继续通入TMGa、TMAl和AsH3，在AlGaAs上波导层上生长AlXGaYAs上限制层，其中0≤X，Y≤1；
通入TMGa、TMAl和AsH3时，V/III比在20以上，优选为90，根据SIMS测试，V/III比为90可抑制材料中的C的自掺杂，提高材料生长的晶体质量；
(8)将温度降低到550±20℃，继续通入TMGa和AsH3(V/III比在20以上为佳)，在AlXGaYAs上限制层上生长GaAs帽层；
(9)外延材料生长完毕后，利用常规LD封装技术制作出成品LD器件。
优选的，GaAs低温缓冲层厚度为100-300nm，掺杂浓度为1E17-5E18个原子/cm3；
优选的，GaAs低温缓冲层厚度为200nm，掺杂浓度为1E18个原子/cm3；
优选的，步骤(3)中AlGaAs的掺杂浓度为1E17-5E18个原子/cm3，x为0.3-0.5，y为0.5-0.7；
优选的，步骤(3)中AlGaAs的掺杂浓度为5E17个原子/cm3，x为0.35，y为0.65，AlxGayAs下限制层的厚度为0.3μm。
优选的，步骤(4)中AlGaAs下波导层厚度为0.5-3μm，掺杂浓度为1E16-5E19个原子/cm3；
优选的，AlGaAs下波导层包括两层，分别为先生长的波导层和后生长的SiAlGaAs层或TeAlGaAs层，AlGaAs下波导厚度为2μm，先生长的波导层厚度为1μm，掺杂浓度为1E17个原子/cm3，后生长的SiAlGaAs层或TeAlGaAs层厚度为1μm，为非掺杂层。
优选的，所述步骤(5)中量子阱发光区的厚度为0.1-0.3μm，量子阱对数为2～10对，In的摩尔占比为1％-10％；
优选的，量子阱发光区的厚度为0.1μm，量子阱对数为2对，即一层AlGaAs阱层-AlGaAs垒层和一层GaAsP阱层-AlGaAs垒层，In摩尔占比为5％-7％。
优选的，步骤(6)中AlGaAs上波导层的厚度为0.1-3μm，掺杂浓度为1E18-5E18个原子/cm3；
优选的，AlGaAs上波导层的厚度为1μm，远离量子阱发光区的1/2厚度(即远离量子阱发光区的0.5μm)掺杂浓度为1E17个原子/cm3，靠近量子阱发光区的1/2厚度(即靠近量子阱发光区的0.5μm)为非掺杂，这种掺杂方式能够提高载流子浓度的电流扩展，相同条件下工作电压会降低5％-15％。
优选的，步骤(7)的AlGaAs的掺杂浓度为1E17-5E18个原子/cm3，X为0.3-0.5，Y为0.5-0.7，
优选的，步骤(7)的AlGaAs的掺杂浓度为5E18个原子/cm3，X为0.5，Y为0.5，AlXGaYAs上限制层厚度为1μm。
优选的，步骤(1)中MOCVD设备的压力为50-200mbar；
所述GaAs低温缓冲层、AlxGayAs下限制层、AlGaAs下波导层的N型掺杂源均为Si2H6或DETe；所述AlGaAs上波导层、AlXGaYAs上限制层和GaAs帽层，掺杂源均为DEZn、CBr4或CP2Mg；通入掺杂源的方式为先通入AsH3后，持续通入设计的掺杂源流量，间隔3～10s停止通入(优选为5s)，其余时间段持续通入；
优选的，H2的流量为8000－50000sccm；TMGa的纯度为99.9999％，TMGa的恒温槽的温度为(-5)～15℃；TMIn的纯度为99.9999％，TMIn的恒温槽的温度为15±5℃；TMAl的纯度为99.9999％，TMAl的恒温槽的温度为10-28℃；AsH3的纯度为99.9999％；Si2H6的纯度为99.9999％；Cp2Mg的纯度为99.9999％，Cp2Mg的恒温槽的温度为0-25℃，CBr4的恒温槽的温度为0-10℃。
本发明未详尽之处，均可采用现有技术。
本发明的有益效果为：
本发明采用无铝材料GaAsP作为量子阱有源区的一部分，采用低铝组份的AlGaAs作为上波导层、下波导层，以及采用导带带阶较大的含高铝组份材料AlxGayAs和AlXGaYAs作为下限制层和上限制层，这种有源区结构是无铝材料组成，长期工作的可靠性得到保证。由于量子阱发光区和波导层之间，以及量子阱发光区和上限制层之间的较大导带带阶能够有防止载流子溢出，降低阈值电流密度，使激光器能够高温工作。
GaAsP/AlGaAs量子阱在结平面为伸张应变，当应变量足够大且阱的量子效应不是很强时，价带的轻空穴会移到重空穴的上方，输出的激光为TM偏振，这种TM模式的LD可以用于对泵浦光有特殊要求的晶体。
另外，GaAsP/AlGaAs张应变量子阱在端面的驰豫形成非吸收窗口，能够减少端面对光子的吸收。
附图说明
图1为本发明的一种GaAs基大功率激光器的结构示意图；
其中，1-GaAs低温缓冲层，2-AlxGayAs下限制层，3-AlGaAs下波导层，4-量子阱发光区，5-AlGaAs上波导层，6-AlXGaYAs上限制层，7-GaAs帽层。
具体实施方式
：
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。
实施例1：
一种GaAs基大功率激光器，包括在GaAs衬底上由下至上依次生长的GaAs低温缓冲层1、AlxGayAs下限制层2、AlGaAs下波导层3、量子阱发光区4、AlGaAs上波导层5、AlXGaYAs上限制层6和GaAs帽层7，其中，0≤x，y≤1，0≤X，Y≤1；
量子阱发光区包括交替生长的AlGaAs阱层-AlGaAs垒层和GaAsP阱层-AlGaAs垒层，AlGaAs阱层-AlGaAs垒层的一层AlGaAs阱层和一层AlGaAs垒层构成一对量子阱，GaAsP阱层-AlGaAs垒层的一层GaAsP阱层和一层AlGaAs垒层构成一对量子阱，量子阱对数为2对，AlGaAs阱层-AlGaAs垒层和GaAsP阱层-AlGaAs垒层各为1对，即一层AlGaAs阱层-AlGaAs垒层和一层GaAsP阱层-AlGaAs垒层，如图1所述，可表示为(阱AlGaAs垒AlGaAs)+(阱GaAsP垒AlGaAs)；
量子阱发光区的阱层厚度(包括AlGaAs阱层和GaAsP阱层的总厚度)为6～15nm，垒层厚度(AlGaAs垒层的总厚度)为10～100nm。
实施例2：
一种GaAs基大功率激光器的制备方法，包括以下步骤：
(1)将GaAs衬底放在MOCVD设备生长室内，在H2环境升温到780±30℃烘烤30-50分钟，并通入AsH3，去除GaAs衬底表面水氧完成表面热处理；
AsH3流量为1000ccm-10000ccm；
(2)将温度缓降到700±20℃，继续通入TMGa和AsH3，在GaAs衬底上生长厚度在50-1000nm的GaAs低温缓冲层1；
(3)温度保持在700±20℃，继续通入TMGa、TMAl、和AsH3，在步骤(2)的GaAs低温缓冲层1上生长AlxGayAs下限制层2，其中0≤x，y≤1；
(4)温度降至650±20℃，在AlxGayAs下限制层2上生长n型AlGaAs下波导层3；
(5)保持温度在650±20℃，在步骤(4)的AlGaAs下波导层3上生长量子阱发光区4，同时通入TMIn，In的摩尔流量占比在为4％-6％；
其中，量子阱发光区包括交替生长的AlGaAs阱层-AlGaAs垒层和GaAsP阱层-AlGaAs垒层，即AlGaAs阱层-AlGaAs垒层与aAsP阱层-AlGaAs垒层交替生长，AlGaAs阱层-AlGaAs垒层的一层AlGaAs阱层和一层AlGaAs垒层构成一对量子阱，GaAsP阱层-AlGaAs垒层的一层GaAsP阱层和一层AlGaAs垒层构成一对量子阱，量子阱对数为2对，即AlGaAs阱层-AlGaAs垒层和GaAsP阱层-AlGaAs垒层各为1对，即(阱AlGaAs垒AlGaAs)+(阱GaAsP垒AlGaAs)结构，如图1所示；
(6)保持温度在650±20℃，在量子阱发光区上生长p型AlGaAs上波导层5；
(7)将温度提升到700±20℃，上继续通入TMGa、TMAl和AsH3，在AlGaAs上波导层上生长AlXGaYAs上限制层，其中0≤X，Y≤1；
(8)将温度降低到550±20℃，继续通入TMGa和AsH3，在AlXGaYAs上限制层上生长GaAs帽层；
(9)外延材料生长完毕后，利用常规LD封装技术制作出成品LD器件。
实施例3：
一种GaAs基大功率激光器的制备方法，如实施例2所示，所不同的是，GaAs低温缓冲层1厚度为200nm，掺杂浓度为1E18个原子/cm3；
步骤(3)的AlGaAs的掺杂浓度为5E17个原子/cm3，x为0.35，y为0.65，AlxGayAs下限制层2的厚度为0.3μm；
AlGaAs下波导层3包括两层，分别为先生长的波导层和后生长的SiAlGaAs层或TeAlGaAs层，AlGaAs下波导厚度为2μm，先生长的波导层厚度为1μm，掺杂浓度为1E17个原子/cm3，后生长的SiAlGaAs层或TeAlGaAs层厚度为1μm，为非掺杂层。
量子阱发光区4的厚度为0.1μm，量子阱对数为2对，即一层AlGaAs阱层-AlGaAs垒层和一层GaAsP阱层-AlGaAs垒层，In摩尔占比为5％-7％。
AlGaAs上波导层5的厚度为1μm，远离量子阱发光区的1/2厚度(即远离量子阱发光区的0.5μm)掺杂浓度为1E17个原子/cm3，靠近量子阱发光区的1/2厚度(即靠近量子阱发光区的0.5μm)为非掺杂。
步骤(7)的AlGaAs的掺杂浓度为5E18个原子/cm3，X为0.5，Y为0.5，AlXGaYAs上限制层6厚度为1μm。
实施例4：
一种GaAs基大功率激光器的制备方法，如实施例2所示，所不同的是，步骤(1)中MOCVD设备的压力为50-200mbar；
GaAs低温缓冲层1、AlxGayAs下限制层2、AlGaAs下波导层3的N型掺杂源均为Si2H6或DETe；AlGaAs上波导层5、AlXGaYAs上限制层6和GaAs帽层7，掺杂源均为DEZn、CBr4或CP2Mg；通入掺杂源的方式为先通入AsH3后，持续通入设计的掺杂源流量，间隔5s停止通入，其余时间段持续通入；
H2的流量为8000－50000sccm；TMGa的纯度为99.9999％，TMGa的恒温槽的温度为(-5)～15℃；TMIn的纯度为99.9999％，TMIn的恒温槽的温度为15±5℃；TMAl的纯度为99.9999％，TMAl的恒温槽的温度为10-28℃；AsH3的纯度为99.9999％；Si2H6的纯度为99.9999％；Cp2Mg的纯度为99.9999％，Cp2Mg的恒温槽的温度为0-25℃，CBr4的恒温槽的温度为0-10℃。
值得注意的是，本发明中GaAs与GaAsP材料属于晶格不匹配的异质外延材料，只有当外延层足够薄时，才能保持弹性应变的能量低于形成位错的能量。因此设计GaAsP量子阱材料时，首先需要考虑的是由晶格常数不同而引起的失配应力所决定的临界厚度hc，外延层厚度要求其小于临界厚度hc。
临界厚度hc可由Matthews的力学平衡模型估算，用来描述弹性应变范围内临界厚度与失配度f的关系，如式(1-1)所示，其中a为应变层的晶格常数，失配度f＝Δa/a，ν为泊松比ν＝C11/(C11+C12)，C11和C12为材料的弹性系数，依据此公式可理论计算出临界厚度与晶格失配度的依赖关系；
但在实际生产过程中，由于外延生长中其它因素的影响，比如量子阱厚度的起伏，实际的临界厚度要远小于理论计算值hc，在实际的工艺实验中，理论计算结果可为结构设计提供基本依据，为设计生长厚提供方向性参考。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种主动式拦截预防雷击装置