[发明专利]一种基于GexSi1-x可变晶格常数基体的红光半导体激光器

说明书

一种基于Ge_xSi_1‑x可变晶格常数基体的红光半导体激光器，激光器的结构从下至上依次包括：N面电极，锗衬底，应变缓冲层，锗硅基体层，缓冲层，下限制层，下波导层，量子阱和量子垒，上波导层，上限制层，势垒层，介质薄膜，欧姆接触层，P面电极；本发明的基于Ge_xSi_1‑x可变晶格常数基体的红光半导体激光器，在保证有源区激射波长变短的同时减小了量子阱的张应变，可解决超短波长红光激光器中面临的较大张应变有源区缺陷多的问题，同时也提高了该波段激光器的输出功率和光电转换效率。

技术领域

本发明属于半导体激光器技术领域，具体涉及一种基于Ge_xSi_1-x可变晶格常数基体的红光半导体激光器。

背景技术

红光半导体激光器在激光存储、激光显示、虚拟现实、激光医疗美容等领域有着广泛应用，但之前所研究的红光激光器主要集中在655nm-680nm 波段，随着激光显示技术和红光医疗保健应用对更短波长红光激光器的需求不断增加，研制638nm-642nm短波长红光、甚至620nm-635nm的超短波长红光半导体激光器又重新成为半导体光电领域的热点之一。

激光显示具有优越的画面质量和画幅优势，同时还具有色彩丰富、色饱和度高、寿命长、功耗低、节能环保、轻量化等优点。采用半导体激光器的红、绿、蓝(RGB)三基色光源的激光显示方案特性优势比较明显，成为显示技术领域的重要发展方向。作为激光显示技术的核心之一，激光光源如能得到快速发展，激光显示类产品的竞争力必然更加强劲。

在医疗保健领域，由于光对人体组织能产生光化效应、热效应等特性，各类波长的半导体激光逐渐在医疗、保健和美容等领域得到认可。红光是所有光波中唯一兼有光化学和热作用的波段，对人体组织的穿透深度可高达 10～15mm，能直接作用于血管、淋巴管、神经末梢和皮下组织而发挥着相应的治疗作用。细胞中线粒体对红光有很强的吸收，红光照射后，线粒体的过氧化氢酶活性增加，可以增加细胞的新陈代谢，加强细胞的新生，促进损伤愈合，提高机体的免疫功能，有着其他波段不能比拟的更明显、更直接的生物效应。但由于缺少更短波长、更好性价比的激光光源，目前只能采用峰值波长为620nm-635nm的红光LED阵列进行短波长红光的生物调制、光动力学治疗等光生物医学研究。为了进一步提升红光激光在医疗保健领域的临床效果，实现科技服务人类的终极目标，研发超短波长红光半导体激光器也成为重要动力。

要获得短波长的红光，半导体激光器的核心有源区必须采用张应变 GaInP量子阱结构，随着波长不断变短，有源区GaInP层将承受更大的张应变，器件制作中引入的科学和技术难度则是成倍增加，成为具有相当挑战的工作。

根据化合物半导体材料的特性参数，目前研制红光半导体激光器的主流方法是采用应变补偿方式来提升张应变GaInP量子阱的材料特性，以得到 635nm-642nm半导体激光器。但是由于张应变GaInP和AlGaInP异质结间窄的导带偏移量会导致有源层的电子溢出到限制层，使得激光器高功率和高温工作困难；张应变的GaInP材料要比压应变材料承受更多的晶体缺陷，使得器件内部缺陷的产生和迁移更加复杂；较低的光电转换效率产生的富余热将使得器件的光电特性迅速退化，难以在高温下实现连续高功率输出；高光子能量使得激光腔面承受了更高的能量密度，器件的腔面光学灾变损伤更易发生。虽然从实验上实现了625nm和630nm半导体激光器的制作，但器件特性太差，光衰太多，性价比、输出功率和转换效率均难以满足当前激光显示技术和红光医疗保健应用对更短波长红光激光器的需求。

发明内容

为克服上述方法的不足，本发明的目的是提供一种基于Ge_xSi_1-x可变晶格常数基体的红光半导体激光器，通过调整红光激光器结构的整体晶格常数基准点，在保证有源区激射波长变短的同时减小GaInP量子阱的张应变，甚至于实现张应变向压应变量子阱的转变，实现超短波长红光光源；具有输出功率和光电转换效率提升，可靠性好的特点。