一种具有全新空穴载流子提供方式的GaAs大功率激光器外延片及其制备方法与流程

本发明涉及一种具有全新空穴载流子提供方式的gaas大功率激光器外延片及其制备方法，属于光电子。

背景技术：

1、随着近些年的快速发展，半导体激光器在工业加工、医疗美容、科学研究、雷达探测等领域取得突出的进展。半导体激光器种类越来越多、功率越来越高、光束质量越来越好，这些效果的提升都源自于半导体激光器芯片结构的进步。从对称结构逐步发展到现在的大光腔非对称结构，人们在取得更高指标上不断地突破结构限制，尽量降低内损耗提高内外量子效率。

2、结构的变更其主要目的是解决空穴迁移率低、吸收高的问题，虽然现在的大光腔非对称结构可以规避大部分空穴带来的问题，但是也因为结构调整带来了光束质量差、阈值电流高、增益系数低等问题，目前，亟需寻找一种高迁移率、低吸收的全新空穴提供方法，以便为半导体激光器结构的发展提供更多的可能性。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种具有全新空穴载流子提供方式的gaas大功率激光器外延片及其制备方法，h+间隙替代方式取代传统c掺杂、mg掺杂、zn掺杂提供空穴的方式，h+具有高迁移率、低吸收系数、高填充密度以及高激活率完美解决了传统载流子的弊端。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种具有全新空穴载流子提供方式的gaas大功率激光器外延片，包括gaas衬底，在gaas衬底上由下至上依次包括gaas缓冲层、alx1ga1-x1as n限制层、alx2ga1-x2as下波导层、iny1ga1-y1as量子阱层、alx3ga1-x3as上波导层、alx4ga1-x4as p限制层和gaas欧姆接触层；

4、其中，0.2≤x1≤0.4，0.1≤x2≤0.3，0.1≤x3≤0.3，0.6≤x4≤0.9；0.5≤y1≤0.6；

5、alx3ga1-x3as上波导层和alx4ga1-x4as p限制层均为h+掺杂。

6、一种具有全新空穴载流子提供方式的gaas大功率激光器外延片的制备方法，包括如下步骤：

7、(1)将gaas衬底放在mocvd设备生长室内，在h2环境下升温到710-750℃烘烤30-40分钟，再通入ash3，对gaas衬底进行高温热处理去除衬底表面水氧，并为步骤(2)做准备；

8、(2)当反应室温度下降到700-720℃，通入tmga和ash3，在gaas衬底上生长厚度为100-300nm的gaas缓冲层；

9、(3)当反应室温度下降到640-680℃，通入tmal、tmga和ash3，在步骤(2)的gaas缓冲层上生长alx1ga1-x1as n限制层，厚度为1-3μm；

10、(4)保持温度在640-680℃，步骤(3)完成后，通入tmal、tmga和ash3，生长alx2ga1-x2as下波导层，厚度为1-1.5μm；

11、(5)保持温度在540-580℃，步骤(4)完成后，继续生长厚度为5-10nm的iny1ga1-y1as量子阱层；

12、(6)保持温度在640-680℃，步骤(5)完成后，通入tmal、tmga和ash3，生长alx3ga1-x3as上波导层，厚度为200-400nm；

13、(7)温度上升至1200-1400℃，通入ash3和n2，对已生长完成的alx3ga1-x3as上波导层进行表面砷化处理，n2会在砷化完成后alx3ga1-x3as上波导层形成微孔通道，为后续h+空穴渗入做准备；

14、高温下alx3ga1-x3as上波导层的as会出现分解析出，导致表层的al和ga原子独立存在发生金属化现象，新通入ash3在高温下无法与al和ga原子进行结合，但是高温下分解的as原子可以让金属化致密度降低，增大al和ga原子之间的空隙激活al和ga原子的活性。新通入ash3不断分解维持al和ga原子的活性完成表面砷化处理，n2在高温下分解成n原子，alx3ga1-x3as上波导层表面砷化处理下al和ga原子的活性提升，原子之间的空隙变大，n原子将空隙完全填满形成n原子通道。随着生长温度的降低al、ga原子之间的间隙会进一步缩小，无法容纳n原子，n原子会被向外排出。

15、(8)保持温度在700-800℃，步骤(7)完成后，通入h2和n2，维持3～5分钟(该时间为控制h+的掺杂浓度，掺杂浓度越高时间越长)，使得alx3ga1-x3as上波导层上形成的微孔通道被h+完全填充(h+通过h2高温分解形成)，掺杂浓度为1e17-5e17个原子/cm3；

16、步骤(7)中al、ga原子之间的间隙进一步缩小后无法容纳n原子，n原子被向外排出，由于n原子尺寸较大向外排出的过程中空隙不会消失，但会缩小，出现一个原子级的通道，该通道尺寸略大于h+，为了提升h+渗入速度以及渗入效率，可以通入n2，n2具有维持通道尺寸稳定性的作用，有利于h+稳定渗入。

17、(9)保持温度在640-680℃，步骤(8)完成后，通入tmal、tmga和ash3，生长alx4ga1-x4as p限制层，厚度为400-800nm；

18、(10)保持温度在1200-1400℃，步骤(9)完成后，通入ash3和n2，对已生长完成的alx4ga1-x4as p限制层进行表面砷化处理，n2会在砷化完成后alx4ga1-x4as p限制层形成微孔通道，为后续h+空穴渗入做准备；

19、(11)保持温度在700-800℃，步骤(10)完成后，通入h2和n2，维持12～14分钟，该时间的长短决定了h+的掺杂浓度，时间越长，该位置的h+掺杂浓度更高；alx4ga1-x4as p限制层上形成的微孔通道被h+完全填充，掺杂浓度为1e18-3e18个原子/cm3；

20、(12)当反应室温度下降至540-560℃，通入tmga和ash3，在alx4ga1-x4as p限制层上生长厚度在50-200nm的gaas欧姆接触层。

21、优选的，步骤(1)中，高温热处理温度为720℃烘烤时间为35分钟；

22、步骤(2)中，反应室温度为710℃，生长厚度为300nm，掺杂浓度为1e18-3e18个原子/cm3，掺杂源采用si2h6；

23、进一步优选的，步骤(2)中掺杂浓度为2e18个原子/cm3。

24、优选的，步骤(3)中反应室温度为650℃，生长厚度为2.5μm，x1＝0.3，掺杂浓度为5e17-2e18个原子/cm3，掺杂源采用si2h6；

25、所述步骤(4)的反应室温度为650℃，生长厚度为1.0μm，x2＝0.2，掺杂浓度为5e17-2e18个原子/cm3；掺杂源采用si2h6；

26、进一步优选的，步骤(4)中，掺杂浓度为5e17个原子/cm3。

27、优选的，步骤(5)的反应室温度为550℃，生长厚度为7nm，y1的取值为0.55；

28、步骤(6)的反应室温度为650℃，生长厚度为300nm，x3＝0.2。

29、优选的，步骤(7)和步骤(10)中ash3和n2的体积比为9:1～9:5；

30、步骤(8)和步骤(11)中，h2和n2的体积比为1:1～1:4；

31、优选的，步骤(7)和步骤(10)中ash3和n2的体积比为9:2，步骤(8)和步骤(11)中h2和n2的体积比为1:2。

32、优选的，步骤(8)中掺杂浓度为4e17个原子/cm3；

33、步骤(11)中掺杂浓度为2e18个原子个原子/cm3。

34、优选的，步骤(9)的反应室温度为650℃，生长厚度为700nm，x4＝0.7。

35、优选的，步骤(12)的反应室温度为550℃，生长厚度为100nm，掺杂浓度为9e18-5e19个原子/cm3，掺杂源采用cbr4；

36、进一步优选的，步骤(12)中掺杂浓度为4e19个原子/cm3。

37、本发明的有益效果为：

38、本发明通过mocvd生长过程中超高温下ash3配合h2吹扫形成h+间隙替代，起到空穴载流子的作用。h+间隙替代方式取代传统c掺杂、mg掺杂、zn掺杂提供空穴的方式，h+具有高迁移率、低吸收系数、高填充密度以及高激活率完美解决了传统载流子的弊端。