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一种具有低 电子 泄漏的砷化镓 激光器及其制作方法

阅读：2发布：2020-11-29

专利汇可以提供一种具有低电子泄漏的砷化镓激光器及其制作方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种具有低电子泄漏的砷化镓激光器及其制作方法，通过在n型波导层与有源区之间引入较厚的窄带隙插入层，降低了电子能量。电子能量的降低不仅提高了量子阱捕获载流子效率还可以改善量子阱的温度特性，从而减小电子泄漏。本发明利用四元材料作为插入层，通过选择合适的材料组分，不仅使插入层带隙宽度降低，而且可以保持插入层的折射率和n型波导层折射率一致，避免了插入层的引入对光场分布的影响。因此，通过在n型波导层与有源区之间引入较厚的窄带隙插入层，大大改善了GaAs基激光器阈值电流、电光转换效率等性能。，下面是一种具有低电子泄漏的砷化镓激光器及其制作方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种具有低电子泄漏的砷化镓激光器，包括：
n型砷化镓(GaAs)衬底(10)；
n型限制层(11)，形成于n型GaAs衬底(10)之上；
n型波导层(12)，形成于n型限制层(11)之上；
量子阱有源区(14)，形成于n型波导层(12)之上；
p型波导层(15)，形成于量子阱有源区(14)之上；
p型限制层(16)，形成于p型波导层(15)之上；
p型接触层(17)，形成于p型限制层(16)之上；
p型欧姆电极(18)，形成于p型接触层(17)之上；
n型欧姆电极(19)，形成于砷化镓衬底(10)的背面；
其特征在于，该砷化镓激光器还包括：
插入层(13)，形成于n型波导层(12)与量子阱有源区(14)之间，该插入层(13)是窄带隙插入层，能够使注入到量子阱有源区(14)的电子能量降低。
2.根据权利要求1所述的具有低电子泄漏的砷化镓激光器，其特征在于，所述插入层(13)采用的材料为四元材料，为铟镓砷磷材料或铝镓铟磷材料，厚度0.1-0.5μm。
3.根据权利要求1所述的具有低电子泄漏的砷化镓激光器，其特征在于，所述插入层(13)的带隙宽度要小于所述n型波导层(12)的带隙宽度，所述窄带隙插入层(13)的折射率与所述n型波导层(12)的折射率一致。
4.根据权利要求1所述的具有低电子泄漏的砷化镓激光器，其特征在于，所述量子阱有源区(14)的量子阱个数为1-5个，采用的材料为砷化镓材料、镓砷磷材料或铟镓砷材料，厚度为1-10nm。
5.根据权利要求4所述的具有低电子泄漏的砷化镓激光器，其特征在于，所述量子阱有源区(14)采用的材料为砷化镓材料、镓砷磷材料或铟镓砷材料时，对应的量子垒材料分别为铝镓砷材料、铟镓磷材料或镓砷磷材料。
6.根据权利要求1所述的具有低电子泄漏的砷化镓激光器，其特征在于，所述p型波导层(15)的厚度为0.2-2μm。
7.一种具有低电子泄漏的砷化镓激光器的制作方法，包括：
在砷化镓衬底(10)之上生长n型限制层(11)；
在n型限制层(11)之上生长n型波导层(12)；
在n型波导层(12)之上生长插入层(13)；
在插入层(13)之上生长量子阱有源区(14)；
在量子阱有源区(14)之上生长p型波导层(15)；
在p型波导层(15)之上生长p型限制层(16)；
在p型限制层(16)之上生长p型接触层(17)；
对p型接触层(17)和p型限制层(16)进行湿法腐蚀或干法刻蚀形成脊型；
在p型接触层(17)之上制作p型欧姆电极(18)；
将砷化镓衬底(10)减薄、清洗；
在砷化镓衬底(10)背面制作n型欧姆电极(19)；以及
进行解理、镀膜，最后封装在管壳上，完成具有低电子泄漏的砷化镓激光器的制作。
8.根据权利要求7所述的具有低电子泄漏的砷化镓激光器的制作方法，其特征在于，所述插入层(13)采用的材料为四元材料，为铟镓砷磷材料或铝镓铟磷材料，厚度
0.1-0.5μm。
9.根据权利要求7所述的具有低电子泄漏的砷化镓激光器的制作方法，其特征在于，所述插入层(13)的带隙宽度要小于所述n型波导层(12)的带隙宽度，所述窄带隙插入层(13)的折射率与所述n型波导层(12)的折射率一致。
10.根据权利要求7所述的具有低电子泄漏的砷化镓激光器的制作方法，其特征在于，在封装时所述p型接触层(17)接触热沉的倒装结构。

说明书全文

一种具有低电子 泄漏的砷化镓 激光器及其制作方法

技术领域

[0001] 本发明涉及到半导体光电子器件技术领域，尤其是一种具有低电子泄漏的砷化镓激光器及其制作方法。

背景技术

[0002] 随着半导体光电子器件的迅速发展，大功率半导体激光器应运而生。由于半导体激光器体积小、价格便宜、电光转换效率高以及寿命长等优点，半导体激光器在光电子领域有着非常广泛的应用。半导体激光器在工业加工领域、医学治疗领域、军事领域以及理论研究领域都扮演着重要的角色。目前为止，与其它半导体III-V族材料相比，对砷化镓材料的研究是最成熟的。因而，人们对砷化镓激光器的性能要求也是最高的，这表现在砷化镓激光器可以有很低的阈值电流、很低的垂直发散角、较高的电光转换效率等等其它半导体激光器不可比拟的优点。

[0003] 砷化镓激光器材料层主要分为三部分：单量子阱或多量子阱形成的有源区、有源区一侧为有源区提供电子的n区、以及有源区另一侧为有源区提供空穴的p区。载流子从限制层注入，然后通过扩散和漂移输运到量子阱有源区边缘上方，然后被量子阱捕获进行复合并产生光。但是由于限制层和波导层较大的带隙宽度，致使被量子阱捕获时的电子能量较高。

[0004] 然而，较高能量的电子可使激光器有严重的电子泄露。电子泄露是指电子没有在量子阱发生辐射复合而被输运到p区，与p区的空穴发生复合造成了电子泄露。电子泄露造成了电子的损耗，从而影响了激光器的阈值电流、效率等性能。较高能量的电子对电子泄露的影响主要表现在两个方面。第一，温度特性变差。电子被量子阱捕获的过程，就是电子通过发射光学声子和载流子之间的相互作用释放自己的能量直到量子阱的基态能级的过程。这些被释放掉的能量会以热的形式加热量子阱有源区。显然，电子能量越高，释放的能量越高，有源区被加热的越严重。有源区温度过高，会使阱中的电子再次逃逸出去，造成电子泄露。另外，有源区温度过高会使俄歇复合更加严重，俄歇复合会产生热载流子造成电子泄露。第二，量子阱捕获效率降低。量子阱可以看作是一个有效的捕获中心。然而，注入的电子能量越高、速度越大，与量子阱相互作用的时间就越短，就越难被捕获。另外，注入电子的能量越高，从垒层散射到量子阱的散射矩阵元也越小。最终导致量子阱捕获效率减小，这也会使更多的电子不被量子阱捕获直接越过量子阱到p区，造成电子泄露。

[0005] 针对激光器电子泄漏问题，本发明通过在激光器结构中在n型波导层与有源区之间引入四元材料的窄带隙插入层，不仅可以降低注入到有源区的电子能量，而且可以通过选择合适的材料组分，保持材料折射率不受影响。综上所述，电子能量的降低不仅提高了量子阱捕获载流子效率还可以改善量子阱的温度特性，从而减小电子泄漏。

发明内容

[0006] (一)要解决的技术问题

[0007] 有鉴于此，本发明的主要目的在于提出一种具有低电子泄漏的砷化镓激光器及其制作方法，以提高量子阱捕获载流子效率，改善量子阱的温度特性，从而减小电子泄漏。

[0008] (二)技术方案

[0009] 为达到上述目的，本发明提供了一种具有低电子泄漏的砷化镓激光器，包括：n型砷化镓(GaAs)衬底10；n型限制层11，形成于n型GaAs衬底10之上；n型波导层12，形成于n型限制层11之上；量子阱有源区14，形成于n型波导层12之上；p型波导层15，形成于量子阱有源区14之上；p型限制层16，形成于p型波导层15之上；p型接触层17，形成于p型限制层16之上；p型欧姆电极18，形成于p型接触层17之上；n型欧姆电极19，形成于砷化镓衬底10的背面；其中，该砷化镓激光器还包括：插入层13，形成于n型波导层12与量子阱有源区14之间，该插入层13是窄带隙插入层，能够使注入到量子阱有源区14的电子能量降低。

[0010] 上述方案中，所述插入层13采用的材料为四元材料，为铟镓砷磷材料或铝镓铟磷材料，厚度0.1-0.5μm。

[0011] 上述方案中，所述插入层13的带隙宽度要小于所述n型波导层12的带隙宽度，所述窄带隙插入层13的折射率与所述n型波导层12的折射率一致。

[0012] 上述方案中，所述量子阱有源区14的量子阱个数为1-5个，采用的材料为砷化镓材料、镓砷磷材料或铟镓砷材料，厚度为1-10nm。所述量子阱有源区14采用的材料为砷化镓材料、镓砷磷材料或铟镓砷材料时，对应的量子垒材料分别为铝镓砷材料、铟镓磷材料或镓砷磷材料。

[0013] 上述方案中，所述p型波导层15的厚度为0.2-2μm。

[0014] 为达到上述目的，本发明还提供了一种具有低电子泄漏的砷化镓激光器的制作方法，包括：在砷化镓衬底10之上生长n型限制层11；在n型限制层11之上生长n型波导层12；在n型波导层12之上生长插入层13；在插入层13之上生长量子阱有源区14；在量子阱有源区14之上生长p型波导层15；在p型波导层15之上生长p型限制层16；在p型限制层16之上生长p型接触层17；对p型接触层17和p型限制层16进行湿法腐蚀或干法刻蚀形成脊型；在p型接触层17之上制作p型欧姆电极18；将砷化镓衬底10减薄、清洗；
在砷化镓衬底10背面制作n型欧姆电极19；以及进行解理、镀膜，最后封装在管壳上，完成具有低电子泄漏的砷化镓激光器的制作。

[0015] 上述方案中，所述插入层13采用的材料为四元材料，为铟镓砷磷材料或铝镓铟磷材料，厚度0.1-0.5μm。

[0016] 上述方案中，所述插入层13的带隙宽度要小于所述n型波导层12的带隙宽度，所述窄带隙插入层13的折射率与所述n型波导层12的折射率一致。

[0017] 上述方案中，在封装时所述p型接触层17接触热沉的倒装结构。

[0018] (三)有益效果

[0019] 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

[0020] 1、本发明提供的具有低电子泄漏的砷化镓激光器及其制作方法，通过在n型波导层与有源区之间引入较厚的窄带隙插入层，降低了电子能量。电子能量的降低不仅提高了量子阱捕获载流子效率，还可以改善量子阱的温度特性，从而减小电子泄漏。

[0021] 2、本发明利用四元材料作为插入层，通过选择合适的材料组分，不仅使插入层带隙宽度降低，而且可以保持插入层的折射率和n型波导层折射率一致，避免了插入层的引入对光场分布的影响。因此，通过在n型波导层与有源区之间引入较厚的窄带隙插入层，大大改善了GaAs基激光器阈值电流、电光转换效率等性能。附图说明

[0022] 图1是本发明提供的具有低电子泄漏的砷化镓激光器的结构示意图。

[0023] 图2是图1所示的具有低电子泄漏的砷化镓激光器在生长方向的导带示意图。

[0024] 图3是制作图1所示的具有低电子泄漏的砷化镓激光器的方法流程图。

具体实施方式

[0025] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

[0026] 本发明通过在n型波导层与有源区之间引入四元材料的窄带隙插入层，在不影响折射率分布的情况下，使注入到有源区的电子能量降低，从而改善了电子捕获效率和温度特性，最终使电子泄漏大大降低。电子能量的降低不仅提高了量子阱捕获载流子效率还可以改善量子阱的温度特性，从而减小电子泄漏。本发明利用四元材料作为插入层，通过选择合适的材料组分，不仅使插入层带隙宽度降低，而且可以保持插入层的折射率和n型波导层折射率一致，避免了插入层的引入对光场分布的影响。

[0027] 本发明的关键在于四元插入层材料的带隙宽度要低于n型波导材料的带隙宽度，插入层的折射率要与n型波导材料的折射率一致，尽量减小插入层的引入对光场分布的影响。

[0028] 如图1所示，图1是本发明提供的具有低电子泄漏的砷化镓激光器的结构示意图，该具有低电子泄漏的砷化镓激光器包括：n型砷化镓(GaAs)衬底10；n型限制层11，形成于n型GaAs衬底10之上；n型波导层12，形成于n型限制层11之上；量子阱有源区14，形成于n型波导层12之上；p型波导层15，形成于量子阱有源区14之上；p型限制层16，形成于p型波导层15之上；p型接触层17，形成于p型限制层16之上；p型欧姆电极18，形成于p型接触层17之上；n型欧姆电极19，形成于砷化镓衬底10的背面；其中，该砷化镓激光器还包括：插入层13，形成于n型波导层12与量子阱有源区14之间，该插入层13是窄带隙插入层，能够使注入到量子阱有源区14的电子能量降低。

[0029] 插入层13采用的材料为四元材料，为铟镓砷磷材料或铝镓铟磷材料，厚度0.1-0.5μm。插入层13的带隙宽度要小于所述n型波导层12的带隙宽度，所述窄带隙插入层13的折射率与所述n型波导层12的折射率一致。

[0030] 量子阱有源区14的量子阱个数为1-5个，采用的材料为砷化镓材料、镓砷磷材料或铟镓砷材料，厚度为1-10nm。量子阱有源区14采用的材料为砷化镓材料、镓砷磷材料或铟镓砷材料时，对应的量子垒材料分别为铝镓砷材料、铟镓磷材料或镓砷磷材料。

[0031] p型波导层15的厚度为0.2-2μm。

[0032] 图2是图1所示的具有低电子泄漏的砷化镓激光器在生长方向的导带示意图。在图2中，电子从n型电极注入，从n型限制层扩散或漂移到波导层和插入层。由于插入层导带较低，注入到量子阱的电子能量也被降低。

[0033] 基于图1所示的具有低电子泄漏的砷化镓激光器的结构示意图，图3示出了制作图1所示的具有低电子泄漏的砷化镓激光器的方法流程图，该方法包括以下步骤：

[0034] 步骤1：在砷化镓衬底10之上生长n型限制层11；

[0035] 步骤2：在n型限制层11之上生长n型波导层12；

[0036] 步骤3：在n型波导层12之上生长插入层13；

[0037] 步骤4：在插入层13之上生长量子阱有源区14；

[0038] 步骤5：在量子阱有源区14之上生长p型波导层15；

[0039] 步骤6：在p型波导层15之上生长p型限制层16；

[0040] 步骤7：在p型限制层16之上生长p型接触层17；

[0041] 步骤8：对p型接触层17和p型限制层16进行湿法腐蚀或干法刻蚀形成脊型；

[0042] 步骤9：在p型接触层17之上制作p型欧姆电极18；

[0043] 步骤10：将砷化镓衬底10减薄、清洗；

[0044] 步骤11：在砷化镓衬底10背面制作n型欧姆电极19；

[0045] 步骤12：进行解理、镀膜，最后封装在管壳上，完成具有低电子泄漏的砷化镓激光器的制作。

[0046] 其中，步骤3中所述插入层13采用的材料为四元材料，为铟镓砷磷材料或铝镓铟磷材料，厚度0.1-0.5μm。插入层13的带隙宽度要小于所述n型波导层12的带隙宽度，所述窄带隙插入层13的折射率与所述n型波导层12的折射率一致。

[0047] 另外，在封装时所述p型接触层17接触热沉的倒装结构。

[0048] 基于图2所示的制作具有低电子泄漏的砷化镓激光器的方法流程图，以下提供一种制作具有低电子泄漏的砷化镓激光器的具体实施例，其结构如图1所示，具体制备过程如下：在砷化镓衬底10上利用金属有机物气相化学淀积依次生长n型限制层11、n型波导层12、插入层13、量子阱有源区14、p型波导层15、p型限制层16和p型接触层17；然后通过光刻、湿法腐蚀出激光器脊型，做出p电极，接着通过衬底10减薄、清洗，做出n型电极；最后，进行解理、镀膜，最后封装在管壳上，制成一种降低砷化镓激光器电子泄漏的激光器。

[0049] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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