一种提高限制层载流子浓度的AlGaInP红光半导体激光器及其制备方法与流程

本发明涉及一种提高限制层载流子浓度的algainp红光半导体激光器及其制备方法，属于半导体激光器。

背景技术：

1、algainp红光半导体激光器具有价格低、寿命长的特点，在医疗美容、激光显示及工业测量等领域有着广泛的应用前景，但algainp/gainp异质结的导带带阶较小，容易出现电子溢出，使得激光器阈值电流加大、温度升高，导致algainp激光器特征温度降低，电光转换效率降低。

2、文献journal of crystal growth,191(3),1998,313-318指出p限制层高掺可以提高p型限制层的准费米能级位置，提高阻挡泄露电子的有效势垒，有助于降低阈值电流。文献proceedings of spie-the international society for optical engineering,2013,8640指出与algainp限制层相比，alinp作为限制层具有最大的光限制因子，有助于降低阈值电流密度，提升光电转换效率。因此采用alinp作为限制层，同时提高p限制层载流子浓度，有助于降低阈值电流，抑制电子溢出，提高光电转换效率。

3、但文献journal of alloys and compounds，742,2018,790-796指出p限制层掺杂浓度较高时，掺杂剂扩散会导致限制层及波导层界面粗化，同时在有源区形成非辐射复合中心，导致可靠性降低，al组分增加，zn掺杂剂电活性变差、激活率降低，mg掺杂剂生成焓较高、激活能大，容易导致过饱和，难以得到1×1018个/cm-3以上的载流子浓度。

4、退火是提高alinp材料中mg掺杂激活率的主要方法，文献journal of alloys andcompounds，742,2018,790-796利用氮气气氛退火，破坏mg-h 键钝化，实现了mg掺杂alinp载流子浓度2.92×1018个/cm-3，但退火后样片表面粗糙。文献journal of crystalgrowth,118,1992,425-429研究了不同气氛下退火对载流子浓度的影响，结果表明algainp材料表面生长n-gaas 后，在ash3环境中退火，可以实现最高的空穴浓度，但n-gaas与p-algainp 形成pn结，导致电压增大，同时退火后样品表面材料裂解，导致表面形貌恶化，影响器件性能。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供一种提高限制层载流子浓度的algainp 红光半导体激光器及其制备方法，可以得到较高的载流子浓度，同时避免生长完成后退火导致形貌变差的问题。

2、本发明采用以下技术方案：

3、一种提高限制层载流子浓度的algainp红光半导体激光器，由下至上依次包括gaas衬底、gaas缓冲层、alx1in1-x1p下限制层、(alx2ga1-x2) y1in1-y1p下波导层、gax3in1-x3p第一量子阱、(alx4ga1-x4)y2in1-y2p垒层、 gax5in1-x5p第二量子阱、(alx6ga1-x6)y3in1-y3p上波导层、alx7in1-x7p上限制层一、gax8in1-x8p腐蚀终止层、alx9in1-x9p上限制层二、(alx10ga1-x10)y4in1-y4p 上过渡层、gaas薄层和gaas帽层；

4、其中，0.4≤x1≤0.6；0.3≤x2≤0.98，0.4≤y1≤0.6；0.3≤x3≤0.6；0.3≤x4≤0.7， 0.35≤y2≤0.65；0.3≤x5≤0.6；0.3≤x6≤0.98，0.4≤y3≤0.6；0.4≤x7≤0.6； 0.5≤x8≤0.65；0.4≤x9≤0.6；0≤x10≤1，0.4≤y4≤0.6；

5、所述gaas薄层由至下而上交替生长的低掺n-gaas层和高掺p-gaas 层组成，gaas薄层的最上层为低掺n-gaas层。

6、优选的，所述低掺n-gaas层采用si掺杂，掺杂浓度为1×1017-5×1017个/cm-3，所述高掺p-gaas层采用mg掺杂，掺杂浓度为1×1018-3×1018个 /cm-3；

7、所述低掺n-gaas层为gaas:si，高掺p-gaas层为gaas:mg，gaas:si 和gaas:mg薄层的生长厚度均小于3nm，且生长n型gaas：si后通入 ash3降温，最后生长gaas帽层，整个gaas薄层的厚度小于20nm。一般情况下gaas薄层厚度不能太厚，因为gaas高温生长本征掺杂浓度较高，表面会比较差，同时np掺会导致寄生电容增大；本发明设计gaas 薄层目的是实现整体p型掺杂，同时最后一层为gaas:si，降温退火提高 mg掺杂的激活率，根据设计厚度不同，可以设计1-10对。

8、本发明通过高掺p型、低掺n型薄层，实现gaas薄层整体p型掺杂，避免形成pn结导致电压增大；通过n-gaas降温，提高mg掺杂激活率，得到高载流子浓度。

9、一种上述的提高限制层载流子浓度的algainp红光半导体激光器的制备方法，包括以下步骤：

10、s1，将gaas衬底放在mocvd设备生长室内，h2环境升温到720±10℃烘烤，并通入ash3，对gaas衬底进行表面热处理；

11、s2，将温度缓降到680±10℃，降温速度不高于30℃/min，继续通入 tmga和ash3，在gaas衬底上生长gaas缓冲层，目的是防止缺陷从衬底蔓延进入限制层，提供新鲜的生长界面，提高材料生长质量；

12、s3，温度保持在680±10℃，在gaas缓冲层上生长停顿，通入ph3，通过中止停断v族族源(100％ash3)及iii族源(tmga)实现生长停顿，停断3s至30s，将反应腔室as原子耗尽；

13、s4，温度缓变至700±10℃，升温速度不高于60℃/min，通入tmal、 tmin和ph3，在gaas缓冲层上生长n型alx1in1-x1p下限制层；

14、s5，温度缓变到650±10℃，通入tmal、tmin、tmga和ph3，在 alx1in1-x1p下限制层上生长(alx2ga1-x2)y2in1-y2p下波导层，通过改变通入的tmal、tmga流量，tmin流量不变，实现al组分渐变，带隙渐变有助于提高载流子注入效率，降低带隙差，提升光电转换效率；

15、s6，温度保持在650±10℃，继续通入tmin、tmga和ph3，在(alx2ga1-x2) y2in1-y2p下波导层上生长gax3in1-x3p第一量子阱；

16、s7，温度保持在650±10℃，通入tmal、tmin、tmga和ph3，在 gax3in1-x3p第一量子阱上生长(alx4ga1-x4)y2in1-y2p垒层；

17、s8，温度保持在650±10℃，继续通入tmin、tmga和ph3，在(alx4ga1-x4) y2in1-y2p垒层上生长gax5in1-x5p第二量子阱；

18、s9，温度缓变至700±10℃，继续通入tmal、tmin、tmga和ph3，在 gax5in1-x5p第二量子阱上生长(alx6ga1-x6)y3in1-y3p上波导层，通过改变通入的tmal、tmga流量，tmin流量不变，实现al组分渐变，带隙渐变有助于提高载流子注入效率，提升光电转换效率；

19、s10，温度保持在700±10℃，继续通入tmal、tmin和ph3，在(alx6ga1-x6) y3in1-y3p上波导层上生长p型alx7in1-x7p上限制层一；

20、s11，温度保持在700±10℃，继续通入tmga、tmin和ph3，在alx7in1-x7p 上限制层一上生长p型gax8in1-x8p腐蚀终止层；

21、s12，温度保持在700±10℃，继续通入tmal、tmin和ph3，在gax8in1-x8p 腐蚀终止层上生长p型alx9in1-x9p上限制层二；

22、s13，温度渐变至660±10℃，通入tmal、tmin、tmga和ph3，在 alx9in1-x9p上限制层二上生长(alx10ga1-x10)y4in1-y4p上过渡层，过程中可以改变tmal、tmga流量，保持tmin流量不变，实现al、ga组分渐变，减少带隙差、降低电压降，也可以tmal、tmin、tmga流量不变，生长al、 ga组分固定的薄层；

23、s14，温度保持在660±10℃，通入tmga和ash3，在(alx10ga1-x10)y4in1-y4p 上过渡层生长gaas薄层，通过切换掺杂源si、mg开关，实现gaas:si、 gaas:mg的交替生长，gaas薄层的生长厚度小于20nm，实现gaas薄层整体呈p型掺杂，厚度较薄避免形成n型区，且最后为gaas：si薄层；

24、s15，温度渐变至540±10℃，降温速度30-50℃/min，关闭tmga，在 ash3环境中退火处理，该步骤可以阻碍v族源h原子向内扩散，导致mg-h 键钝化，降低mg的激活率，即本发明可以提高上限制层一和上限制层二 mg掺杂激活率；

25、s16，将温度保持在540±10℃，继续通入tmga和ash3，在所述gaas 薄层上生长gaas帽层。

26、本发明的制备方法中：

27、(1)外延生长过程中在algainp材料表面交替生长由低掺n-gaas、高掺p-gaas组成的gaas薄层，利用掺杂浓度的差异及高温热扩散，避免在p-algainp表面形成n型区；

28、(2)在n-gaas表面ash3气氛中降温，然后生长gaas帽层，原位生长过程中提高p-algainp中mg掺杂的激活率，得到高载流子浓度，同时避免退火对外延表面的影响。

29、优选的，步骤s2中，gaas缓冲层的掺杂源为si2h6，掺杂浓度为2e18-5e18个原子/cm3，厚度为0.1-0.3μm；优选的，gaas缓冲层的厚度为 0.2μm，掺杂浓度为2e18个原子/cm3；

30、进一步优选的，步骤s4中，所述alx1in1-x1p下限制层的掺杂源为si2h6，掺杂浓度为7e17-2e18个原子/cm3，厚度为0.5-3μm，0.4≤x1≤0.6；优选的， x1＝0.5，与gaas衬底晶格匹配，厚度为1μm，掺杂浓度1e18个原子/cm3。

31、优选的，步骤s5中，所述(alx2ga1-x2)y2in1-y2p下波导层的厚度为 0.05-0.3μm，非故意掺杂，0.3≤x2≤0.98，0.4≤y1≤0.6；优选的，x2由0.95 渐变至0.45，y1＝0.5，厚度为0.1μm；

32、进一步地，步骤s6中，gax3in1-x3p第一量子阱的厚度为4-12nm，非故意掺杂，0.3≤x3≤0.6，通过调控量子阱厚度及x3组分，实现不同波长的激射；优选的，x3＝0.47，厚度为4.3nm，量子阱压应变。

33、优选的，步骤s7中，(alx4ga1-x4)y2in1-y2p垒层的厚度为5-15nm，非故意掺杂，0.3≤x4≤0.7，0.35≤y2≤0.65，垒层张应变补偿；优选的，x4＝0.45， y2＝0.42，厚度为8nm；

34、进一步地，步骤s8中，所述gax5in1-x5p第二量子阱的厚度为4-12nm，非故意掺杂，0.3≤x5≤0.6，通过调控量子阱厚度及x5组分，实现不同波长的激射，与第一量子阱组分及厚度相同；所优选的，x5＝0.47，厚度为4.3nm，压应变。

35、优选的，步骤s9中，所述(alx6ga1-x6)y3in1-y3p上波导层的厚度为 0.05-0.3μm，0.3≤x6≤0.98，0.4≤y3≤0.6，掺杂源为cp2mg，远离量子阱的 1/2厚度掺杂或全部非掺，掺杂浓度为2e17-6e17个原子/cm3；优选的，x6 由0.45渐变至0.95，y3＝0.5，厚度为0.1μm，其中远离量子阱的0.05μm上波导层掺杂，掺杂浓度由2e17渐变至5e17个原子/cm3；

36、进一步地，步骤s10中，所述alx7in1-x7p上限制层一的掺杂源为cp2mg，掺杂浓度为4e17-2e18个原子/cm3，厚度为0.1-0.4μm，0.4≤x7≤0.6；优选的，x7＝0.5，与gaas衬底晶格常数相同，厚度为0.15μm，掺杂浓度为7e17个原子/cm3。

37、优选的，步骤s11中，gax8in1-x8p腐蚀终止层的掺杂源为cp2mg，掺杂浓度为1.5e18-3e18个原子/cm3，0.5≤x8≤0.65，厚度为8-20nm；优选的， x8＝0.58，厚度为10nm，掺杂浓度为2e18个原子/cm3；

38、进一步地，步骤s12中，alx9in1-x9p上限制层二的掺杂源为cp2mg，掺杂浓度为5e17-2e18个原子/cm3，厚度为0.5-1.2μm，0.4≤x9≤0.6；优选的， x9＝0.5与gaas衬底晶格常数相同，厚度为0.9μm，掺杂浓度为1.2e18个原子/cm3。

39、优选的，步骤s13中，(alx10ga1-x10)y4in1-y4p上过渡层的掺杂源为cp2mg，掺杂浓度为1.2e18-3e18个原子/cm3，厚度为20-40nm，0≤x10≤1，0.4≤y4≤0.6，可以组分渐变，也可以由不同取值x10组合；优选的，x10由0.9渐变至0.1， y4＝0.5，与gaas衬底晶格常数相同，厚度为25nm，掺杂浓度为2e18个原子/cm3；

40、进一步地，步骤s16中，所述gaas帽层的厚度为0.1-0.5μm，掺杂源为 cbr4或dezn，掺杂浓度为1e19-4e19个原子/cm3；优选的，厚度为0.2μm，掺杂浓度为2e19个原子/cm3。

41、优选的，步骤s14中，所述gaas薄层由gaas：si及gaas：mg交替生长组成，单层厚度小于3nm，gaas薄层总厚度小于20nm，且gaas：si的掺杂浓度1-5e17个原子/cm3，gaas：mg的掺杂浓度1-3e18个原子/cm3， gaas薄层整体为p型掺杂；

42、优选的，gaas：si的厚度为1.2nm，掺杂浓度3e17个原子/cm3，gaas： mg的厚度为2nm，掺杂浓度2e18个原子/cm3，交替生长5对后，生长 gaas单层，厚度2nm，利用delta掺杂，实现gaas：si，掺杂浓度5e17 个原子/cm3。

43、本发明方法中使用的mocvd设备等均为现有技术。

44、tmga、tmin、tmal、ph3、ash3等均为mocvd外延生长常用原材料，si2h6、cp2mg、cbr4等均为外延生长常用掺杂源。

45、本发明未详尽之处均可参见现有技术。

46、本发明的有益效果为：

47、(1)外延生长过程中利用原位退火，实现高载流子浓度限制层，避免生长完成后退火导致表面裂解，形貌变差。

48、(2)本发明生长gaas：si后，在ash3环境中降温退火，可以提高 algainp限制层mg掺杂的激活率，提高限制层载流子浓度；

49、(3)gaas薄层由交替生长的gaas:si、gaas:mg组成，通过控制掺杂浓度，实现整体呈p型，避免与(alx10ga1-x10)y4in1-y4p上过渡层形成 pn结，导致电压升高。