本發(fā)明涉及一種利用量子隧穿能力提高光增益的半導體激光器件及其制備方法，屬于光電子。

背景技術：

1、algainp紅光半導體激光器具有體積小、重量輕，功耗小，可直接調制，具有很高的效率及可靠性的特點，在塑料光纖傳輸中的近距離全光網絡應用和在醫(yī)療美容、激光顯示及工業(yè)測量等領域有著廣泛的應用前景。然而algainp激光器材料結構中的最大導帶能隙差只有270mev，電子限制能力較差，電子溢出較為嚴重，同時algainp熱阻率較大，散熱能力差，隨輸出功率及工作環(huán)境增加，有源區(qū)溫度升高，進一步惡化了載流子限制能力，導致閾值電流增加、斜率效率降低，產生更多的廢熱，限制了輸出功率的進一步提升。

2、文獻ieee?journal?of?selected?topics?in?quantum?electronics，vol?17(6)，2011，pg?1723–1726指出降低閾值電流密度，有助于抑制載流子溢出，其中采用alinp做為限制層具有最大光限制因子，從而減小閾值電流密度。algainp材料中隨al組分增加導帶帶隙逐漸增大，一般認為當al組分達到(al70ga30)50in50p后，材料由直接帶隙轉變?yōu)殚g接帶隙，導帶降低、載流子限制能力變差。

3、文獻japanese?journal?of?applied?physics，vol?45，2006，pg?7600–7604報道了采用5對張應變(al70ga30)0.5in0.5p及壓應變gainp交替生長，來抑制電子溢出，降低閾值電流密度，提高斜率效率。文獻laser?diode?technology?and?applications，vol?1850，1993，pg?263–269報道了采用晶格匹配(al70ga30)0.5in0.5p及gainp交替生長超晶格結構，以提高導帶帶隙，抑制電子溢出，從而提高斜率效率。利用超晶格多量子阱壘結構組成電子反射結構(mqb)，雖然可以提高導帶帶隙，抑制載流子限制能力，但采用algainp作為限制層與量子阱折射率差降低，光限制能力變差，導致閾值電流變大、光增益減小。

4、文獻中國激光，vol?42(7)，2020，pg?0701007-1-13綜述了量子級聯激光器的原理及最新進展，與常規(guī)半導體激光器不同，量子級聯激光器利用量子化能帶之間的電子躍遷，利用偏壓下電子通過一系列量子阱的光子輔助量子隧穿實現光放大，即在偏壓下電子從一個量子阱的基態(tài)躍遷至相鄰量子阱的激發(fā)態(tài)并伴隨光子發(fā)射。但qcl需要多大數千層單層材料的生長，對厚度、組分及生長穩(wěn)定要求較高，缺少該原理在常規(guī)量子阱激光器中的應用。

5、中國專利文獻cn115528542a公開了一種帶有應變超晶格結構的algainp紅光半導體激光器件及其制備方法，通過在組分漸變波導層結構與量子阱之間插入應變超晶格，利用應變超晶格抑制缺陷及非輻射復合產生的原理，提高材料生長質量，改善老化特性，但該結構位于n波導層與量子阱之間，對抑制量子阱向p限制層溢出無作用，同時各對材料組分固定，量子隧穿效果較差。

技術實現思路

1、針對現有技術的不足，本發(fā)明提供了一種利用量子隧穿能力提高光增益的半導體激光器件及其制備方法；

2、本發(fā)明中，利用alinp作為限制層，實現最高折射率差值設計，提高光限制能力，降低閾值電流；利用多量子阱壘結構(mqb)作為壘層，提高多量子阱之間壘層的導帶帶隙，增強電子抑制能力；多量子阱壘結構(mqb)采用薄層應變技術，實現能帶量子化，利用偏壓下能帶傾斜量子隧穿，降低閾值電流，提高光增益。多量子阱壘結構(mqb)采用組分遞變技術，提高偏壓下的能帶傾斜，加速量子隧穿，提高光增益。

3、本發(fā)明的技術方案如下：

4、第一個方面，本發(fā)明提供了一種利用量子隧穿能力提高光增益的半導體激光器件。

5、一種利用量子隧穿能力提高光增益的半導體激光器件，由下至上依次包括襯底、緩沖層、下過渡層、下限制層、下波導層、gax2in1-x2p第一量子阱、(ala1ga1-a1)b1in1-b1p/(ala2ga1-a2)b2in1-b2p應變多量子阱壘超晶格、gax3in1-x3p第二量子阱、上波導層、第一上限制層、腐蝕終止層、第二上限制層、第一上過渡層、第二上過渡層和帽層；

6、其中，0.4≤x2≤0.65；0.4≤x3≤0.65；0.6≤a1≤1，0.38≤b1≤0.48；0≤a2≤0.4，0.5≤b2≤0.65。

7、根據本發(fā)明優(yōu)選的，所述gax2in1-x2p第一量子阱，非故意摻雜，厚度為4-15nm；進一步優(yōu)選的，x2＝0.43，所述gax2in1-x2p第一量子阱的度為5nm。

8、根據本發(fā)明優(yōu)選的，所述(ala1ga1-a1)b1in1-b1p/(ala2ga1-a2)b2in1-b2p應變多量子阱壘超晶格，非故意摻雜，厚度為1-5nm；同時第一對與第n對之間，a1、a2逐級降低，保持a1與a2差值。

9、進一步優(yōu)選的，所述(ala1ga1-a1)b1in1-b1p/(ala2ga1-a2)b2in1-b2p應變多量子阱壘超晶格中，第一對a1＝0.95、b1＝0.42，厚度為1.12nm，a2＝0.25、b2＝0.55，厚度為1.46nm；第二對a1＝0.92、b1＝0.42，厚度為1.17nm，a2＝0.22、b2＝0.55，厚度為1.51nm；第三對a1＝0.9、b1＝0.42，厚度為1.23nm，a2＝0.2、b2＝0.55，厚度為1.58nm；第四對a1＝0.88、b1＝0.42，厚度為1.3nm，a2＝0.18、b2＝0.55，厚度為1.65nm；第五對a1＝0.85、b1＝0.42，厚度為1.35nm，a2＝0.15、b2＝0.55，厚度為1.73nm；第六對a1＝0.82、b1＝0.42，厚度為1.43nm，a2＝0.18、b2＝0.55，厚度為1.81nm；交替生長共6對。

10、根據本發(fā)明優(yōu)選的，所述gax3in1-x3p第二量子阱，非故意摻雜，0.4≤x3≤0.65，厚度為4-15nm；

11、進一步優(yōu)選的，x3＝0.43，量子阱厚度為5nm，實現激射波長645nm。

12、根據本發(fā)明優(yōu)選的，所述下限制層為n型al0.5in0.5p下限制層，所述第一上限制層為p型al0.5in0.5p第一上限制層，所述第二上限制層為p型al0.5in0.5p第二上限制層。

13、根據本發(fā)明優(yōu)選的，所述n型al0.5in0.5p下限制層的摻雜源為si2h6，摻雜濃度為3e17-1.5e18個原子/cm3，厚度為0.5-3μm；

14、進一步優(yōu)選的，所述n型al0.5in0.5p下限制層的厚度為0.9μm，摻雜濃度為7e17個原子/cm3。

15、根據本發(fā)明優(yōu)選的，所述p型al0.5in0.5p第一上限制層的摻雜源為cp2mg或dezn，摻雜濃度為3e17-3e18個原子/cm3，厚度為0.1-0.5μm；

16、進一步優(yōu)選的，所述p型al0.5in0.5p第一上限制層的厚度為0.2μm，摻雜濃度為5e17個原子/cm3。

17、根據本發(fā)明優(yōu)選的，所述p型al0.5in0.5p第二上限制層的摻雜源為cp2mg或dezn，摻雜濃度為3e17-3e18個原子/cm3，厚度為0.5-2μm；

18、進一步優(yōu)選的，所述p型al0.5in0.5p第二上限制層的厚度為0.8μm，摻雜濃度為8e17個原子/cm3。

19、根據本發(fā)明優(yōu)選的，所述襯底為gaas襯底，所述緩沖層為gaas緩沖層，所述下過渡層為ga0.5in0.5p下過渡層，所述下波導層為(alx1ga1-x1)y1in1-y1p下波導層，所述上波導層為(alx4ga1-x4)y2in1-y2p上波導層，所述腐蝕終止層為p型gax5in1-x5p腐蝕終止層，所述第一上過渡層為(al0.5ga0.5)0.5in0.5p第一上過渡層，所述第二上過渡層為ga0.5in0.5p第二上過渡層，所述帽層為gaas帽層；

20、其中，0.4≤x1≤1，0.4≤y1≤0.6；0.4≤x4≤1，0.4≤y2≤0.6；0.5≤x5≤0.6。

21、根據本發(fā)明優(yōu)選的，所述gaas緩沖層的摻雜源為si2h6，摻雜濃度為2e18-5e18個原子/cm3，厚度為0.1-0.3μm；

22、進一步優(yōu)選的，所述gaas緩沖層的厚度為0.2μm，摻雜濃度為2e18個原子/cm3。

23、根據本發(fā)明優(yōu)選的，所述ga0.5in0.5p下過渡層的摻雜源為si2h6，摻雜濃度為5e17-2e18個原子/cm3，厚度為0.1-0.3μm；

24、進一步優(yōu)選的，所述ga0.5in0.5p下過渡層的厚度為0.1μm，摻雜濃度為1e18個原子/cm3。

25、根據本發(fā)明優(yōu)選的，所述(alx1ga1-x1)y1in1-y1p下波導層，非故意摻雜，0.4≤x1≤1，0.4≤y1≤0.6，x1由小于1漸變至大于等于0.4，厚度為60-200nm；

26、進一步優(yōu)選的，所述(alx1ga1-x1)y1in1-y1p下波導層中x1由0.95漸變至0.5，y1＝0.5，厚度為100nm。

27、根據本發(fā)明優(yōu)選的，所述(alx4ga1-x4)y2in1-y2p上波導層，非故意摻雜，0.4≤x4≤1，0.4≤y2≤0.6，x4由大于等于0.4漸變至小于等于1，厚度為60-200nm；

28、進一步優(yōu)選的，所述(alx4ga1-x4)y2in1-y2p上波導層中x4由0.5漸變至0.95，y2＝0.5，厚度為100nm。

29、根據本發(fā)明優(yōu)選的，所述p型gax5in1-x5p腐蝕終止層的摻雜源為cp2mg或dezn，摻雜濃度為1e18-3e18個原子/cm3，0.5≤x5≤0.6，厚度為5-30nm；

30、進一步優(yōu)選的，所述p型gax5in1-x5p腐蝕終止層的厚度為10nm，x5＝0.53，摻雜濃度，2e18個原子/cm3。

31、根據本發(fā)明優(yōu)選的，所述(al0.5ga0.5)0.5in0.5p第一上過渡層的摻雜源為cp2mg或dezn，摻雜濃度為1e18-3e18個原子/cm3，厚度為10-50nm；

32、進一步優(yōu)選的，所述(al0.5ga0.5)0.5in0.5p第一上過渡層的厚度為20nm，摻雜濃度為1.2e18個原子/cm3。

33、根據本發(fā)明優(yōu)選的，所述ga0.5in0.5p第二上過渡層的摻雜源為cp2mg或dezn，摻雜濃度為1e18-3e18個原子/cm3，厚度為10-50nm；

34、進一步優(yōu)選的，所述ga0.5in0.5p第二上過渡層的厚度為20nm，摻雜濃度為1.5e18個原子/cm3。

35、根據本發(fā)明優(yōu)選的，所述gaas帽層的摻雜源為cbr4或dezn，摻雜濃度為3e19-1e20個原子/cm3，厚度為100-500nm；

36、進一步優(yōu)選的，所述gaas帽層的厚度為200nm，摻雜濃度為5e19個原子/cm3。

37、本發(fā)明第二方面提供上述利用量子隧穿能力提高光增益的半導體激光器件的制備方法。

38、上述利用量子隧穿能力提高光增益的半導體激光器件的制備方法，包括：

39、在所述襯底上依次生長所述緩沖層、下過渡層、下限制層、下波導層；

40、在所述下波導層上生長所述gax2in1-x2p第一量子阱；包括：溫度保持在650±10℃，通入tmin、tmga和ph3，在所述下波導層上生長所述gax2in1-x2p第一量子阱；

41、在所述gax2in1-x2p第一量子阱上生長所述(ala1ga1-a1)b1in1-b1p/(ala2ga1-a2)b2in1-b2p應變多量子阱壘超晶格；包括：溫度保持在650±10℃，通入tmal、tmin、tmga和ph3，在所述ga1-x2inx2p第一量子阱上生長所述(ala1ga1-a1)b1in1-b1p/(ala2ga1-a2)b2in1-b2p應變多量子阱壘超晶格；

42、在所述(ala1ga1-a1)b1in1-b1p/(ala2ga1-a2)b2in1-b2p應變多量子阱壘超晶格上生長所述gax3in1-x3p第二量子阱；包括：溫度保持在650±10℃，通入tmin、tmga和ph3，在所述(ala1ga1-a1)b1in1-b1p/(ala2ga1-a2)b2in1-b2p應變多量子阱壘超晶格上生長所述gax3in1-x3p第二量子阱；

43、在所述gax3in1-x3p第二量子阱上依次生長所述上波導層、第一上限制層、腐蝕終止層、第二上限制層、第一上過渡層、第二上過渡層和帽層。

44、根據本發(fā)明優(yōu)選的，在gaas襯底上依次生長gaas緩沖層、ga0.5in0.5p下過渡層、n型al0.5in0.5p下限制層、(alx1ga1-x1)y1in1-y1p下波導層；包括：

45、s1，將gaas襯底放在mocvd設備生長室內，h2環(huán)境升溫到720±10℃烘烤，并通入ash3，對所述gaas襯底進行表面熱處理；

46、s2，將溫度緩降到680±10℃，降溫速度不高于30℃/min，繼續(xù)通入tmga和ash3，在所述gaas襯底上生長gaas緩沖層；

47、s3，溫度保持在680±10℃，在所述gaas緩沖層上生長停頓，通入ph3，通過中止停斷v族族源及iii族源實現生長停頓，停斷3-30s，將mocvd設備生長室內as原子耗盡；

48、s4，溫度保持在680±10℃，通入tmga、tmin和ph3，在所述gaas緩沖層上生長ga0.5in0.5p下過渡層；

49、s5，溫度緩變至700±10℃，升溫速度不高于60℃/min，通入tmal、tmin和ph3，在所述ga0.5in0.5p下過渡層上生長n型al0.5in0.5p下限制層。

50、s6，溫度緩變到650±10℃，降溫速度不高于60℃/min，通入tmal、tmin、tmga和ph3，在n型al0.5in0.5p下限制層上生長(alx1ga1-x1)y1in1-y1p下波導層。

51、根據本發(fā)明優(yōu)選的，在所述gax3in1-x3p第二量子阱上依次生長(alx4ga1-x4)y2in1-y2p上波導層、p型al0.5in0.5p第一上限制層、p型gax5in1-x5p腐蝕終止層、p型al0.5in0.5p第二上限制層、

52、(al0.5ga0.5)0.5in0.5p第一上過渡層、ga0.5in0.5p第二上過渡層和gaas帽層；包括：

53、s7，溫度緩變至700±10℃，升溫速度不高于60℃/min，繼續(xù)通入tmal、tmin、tmga和ph3，在gax3in1-x3p第二量子阱上生長(alx4ga1-x4)y2in1-y2p上波導層。

54、s8，溫度保持在700±10℃，繼續(xù)通入tmal、tmin和ph3，在所述(alx4ga1-x4)y2in1-y2p上波導層上生長p型al0.5in0.5p第一上限制層；

55、s9，溫度保持在700±10℃，繼續(xù)通入tmga、tmin和ph3，在所述p型al0.5in0.5p第一上限制層上生長p型gax5in1-x5p腐蝕終止層；

56、s10，溫度保持在700±10℃，繼續(xù)通入tmal、tmin和ph3，在所述p型gax5in1-x5p腐蝕終止層上生長p型al0.5in0.5p第二上限制層；

57、s11，溫度漸變至680±10℃，降溫速度不高于60℃/min，通入tmal、tmin、tmga和ash3，在所述p型al0.5in0.5p第二上限制層生長(al0.5ga0.5)0.5in0.5p第一上過渡層；

58、s12，溫度保持在680±10℃，降溫速度不高于60℃/min，通入tmin、tmga和ash3，在所述(al0.5ga0.5)0.5in0.5p第一上過渡層上生長ga0.5in0.5p第二上過渡層；

59、s13，將溫度降低到540±10℃，降溫速度不超過40℃/min，繼續(xù)通入tmga和ash3，在所述ga0.5in0.5p第二上過渡層上生長gaas帽層。

60、本發(fā)明的有益效果為：

61、1、利用多量子阱壘結構(mqb)作為壘層，提高多量子阱之間壘層的導帶帶隙，增強電子抑制能力，提高了高溫可靠性；

62、2、多量子阱壘結構(mqb)采用薄層應變技術，實現能帶量子化，利用偏壓下能帶傾斜量子隧穿，降低閾值電流，提高光增益。