本发明涉及一种高斯渐变波导结构的algainp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半导体激光器可以实现630-690nm激射波长，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，其中测距、传感、激光显微镜、dna测序等领域，为实现稳定的光反馈，需要激光器单模工作，避免高阶模激射导致的光斑形状变化，同时为提高分辨率、探测距离及亮度，需要更高的输出功率及光斑质量。
2、但algainp材料中ga原子与in原子质量差异大，原子在四元材料中随机分布导致较强的声子散射，algainp材料热阻大，增大注入电流，波导层温度上升，折射率差增大，容易导致高阶模形成。
3、中国专利文件cn107147005a公开了一种非对称波导980nm单模激光器，在对称结构的基础上采用algaas的非对称波导，并在结构中插入腐蚀阻挡层，能够有效地防止载流子泄漏，提高输出功率，保证了高的电光转换效率等器件性能。但algaas与algainp材料体系差异大，且波导层厚度一致，高功率下高阶模抑制效果有限。为此，提出本发明。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本发明提供一种高斯渐变波导结构的algainp半导体激光器，采用高斯渐变波导层，降低阈值电流，提高输出功率及亮度；采用非对称结构设计，压缩光场向n侧偏移，增大高阶模激射阈值，提高单模输出功率；采用窄波导结构设计，光场向限制层中扩展，压缩快轴发散角，提高光斑质量。
2、本发明还提供上述高斯渐变波导结构的algainp半导体激光器的制备方法。
3、本发明的技术方案如下：
4、一种高斯渐变波导结构的algainp半导体激光器，由下至上依次包括衬底、缓冲层、(alx1ga1-x1)y1in1-y1p下限制层、(alx2ga1-x2)y2in1-y2p下波导、量子阱ⅰ、垒层ⅰ、量子阱ⅱ、垒层ⅱ、量子阱ⅲ、(alx8ga1-x8)y5in1-y5p上波导层、(alx9ga1-x9)y6in1-y6p上限制层ⅰ、腐蚀终止层、上限制层ⅱ、(al0.5ga0.5)in0.5p上过渡层、ga0.5in0.5p上过渡层和帽层；
5、其中，0.55≤x1≤0.9，0.4≤y1≤0.6；0.35≤x2≤0.9，0.4≤y2≤0.6；0.35≤x8≤1，0.4≤y5≤0.6；0.65≤x9≤1，0.4≤y6≤0.6；
6、(alx2ga1-x2)y2in1-y2p下波导中的al组分采用高斯渐变，x2由高值渐变至低值，(alx8ga1-x8)y5in1-y5p上波导层中的al组分采用高斯渐变，x8由低值渐变至高值，降低阈值电流、提高输出功率；
7、(alx2ga1-x2)y2in1-y2p下波导与(alx8ga1-x8)y5in1-y5p上波导层采用非对称厚度，(alx2ga1-x2)y2in1-y2p下波导厚度小于(alx8ga1-x8)y5in1-y5p上波导层厚度，(alx1ga1-x1)y1in1-y1p下限制层与(alx9ga1-x9)y6in1-y6p上限制层ⅰ的al组分非对称设计，x9＞x1，压缩光场向n侧偏移，增大高阶模激射阈值，提高单模稳定性。
8、根据本发明优选的，(alx2ga1-x2)y2in1-y2p下波导厚度为0.01-0.03μm，(alx8ga1-x8)y5in1-y5p上波导层厚度为0.02-0.04μm，(alx2ga1-x2)y2in1-y2p下波导与(alx8ga1-x8)y5in1-y5p上波导层采用较薄厚度，光场向限制层中扩展，压缩快轴发散角，提高光斑质量。
9、根据本发明优选的，所述(alx2ga1-x2)y2in1-y2p下波导的x2由0.65渐变至0.4，高斯渐变函数x＝0.65e^-(a^2*10^4/4.63)，a为厚度，e为自然常数2.71828；所述(alx8ga1-x8)y5in1-y5p上波导层的x8由0.4渐变至0.75，高斯渐变函数x＝0.75e^-((a-0.03)^2/0.00143)。与下波导层相比，上波导层al组分变化更大，折射率差更大，导致光场偏移；同时波导层厚度较薄，光场无法完全限制在有源区，向限制层扩展，压缩快轴发散角，提高光斑质量。
10、根据本发明优选的，所述高斯渐变波导结构的algainp半导体激光器中，包括以下条件之一或多种：
11、衬底为gaas衬底；
12、缓冲层为gaas缓冲层；
13、量子阱ⅰ为gax3in1-x3p量子阱ⅰ，0.35≤x3≤0.65；
14、垒层ⅰ为(alx4ga1-x4)y3in1-y3p垒层ⅰ，0.4≤x4≤0.6，0.4≤y3≤0.6；
15、量子阱ⅱ为gax5in1-x5p量子阱ⅱ，0.35≤x5≤0.65；
16、垒层ⅱ为(alx6ga1-x6)y4in1-y4p垒层ⅱ，0.4≤x6≤0.6，0.4≤y4≤0.6；
17、量子阱ⅲ为gax7in1-x7p量子阱ⅲ，0.35≤x7≤0.65；
18、腐蚀终止层为gax10in1-x10p腐蚀终止层，0.55≤x10≤0.65；
19、上限制层ⅱ为(alx11ga1-x11)y7in1-y7p上限制层ⅱ，0.65≤x11≤1，0.4≤y7≤0.6；
20、帽层为gaas帽层。
21、根据本发明优选的，所述(alx1ga1-x1)y1in1-y1p下限制层的掺杂源为si2h6，掺杂浓度为3e17-5e17个原子/cm3，厚度为1.5-3μm，当光场向n侧压缩，n限制层厚度大、低掺杂，可以减少吸收损耗，提高光电转换效率。
22、根据本发明优选的，所述gax3in1-x3p量子阱ⅰ的厚度为5-15nm，0.4≤x3≤0.6，厚度与x3取值配合(通用做法是gaxinp，x组分固定，通过调整量子阱的厚度，实现波长在一定范围内变化)，实现630-690nm波长激射；
23、所述gax5in1-x5p量子阱ⅱ的厚度为5-15nm，0.4≤x5≤0.6，厚度与x5取值配合，实现630-690nm波长激射；
24、所述gax7in1-x7p量子阱ⅲ的厚度为5-15nm，0.4≤x7≤0.6，厚度与x7取值配合，实现630-690nm波长激射。采用多量子阱结构、增大阱宽，提高光限制因子，降低阈值电流。
25、根据本发明优选的，所述gax3in1-x3p量子阱ⅰ、gax5in1-x5p量子阱ⅱ、gax7in1-x7p量子阱ⅲ、(alx2ga1-x2)y2in1-y2p下波导、(alx4ga1-x4)y3in1-y3p垒层ⅰ、(alx6ga1-x6)y4in1-y4p垒层ⅱ和(alx8ga1-x8)y5in1-y5p上波导层均为非故意掺杂。
26、根据本发明优选的，所述高斯渐变波导结构的algainp半导体激光器中，包括以下条件之一或多种：
27、所述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；
28、所述(alx2ga1-x2)y2in1-y2p下波导的厚度为0.01-0.03μm；
29、所述(alx4ga1-x4)y3in1-y3p垒层ⅰ的厚度为5-15nm；
30、所述(alx6ga1-x6)y4in1-y4p垒层ⅱ的厚度为5-15nm；
31、所述(alx8ga1-x8)y5in1-y5p上波导层的厚度为0.02-0.04μm；
32、所述(alx9ga1-x9)y6in1-y6p上限制层ⅰ的掺杂源为cp2mg或dezn，掺杂浓度为3e17-7e17个原子/cm3，厚度为0.1-0.3μm；
33、所述gax10in1-x10p腐蚀终止层的掺杂源为cp2mg或dezn，掺杂浓度为1.2e18-3e18个原子/cm3，厚度为8-20nm；
34、所述(alx11ga1-x11)y7in1-y7p上限制层ⅱ的掺杂源为cp2mg或dezn，掺杂浓度为7e17-1.5e18个原子/cm3，厚度为0.5-1μm；
35、所述(al0.5ga0.5)0.5in0.5p上过渡层的掺杂源为cp2mg或dezn，掺杂浓度为1.5e18-4e18个原子/cm3，厚度为20-40nm；
36、所述ga0.5in0.5p上过渡层的掺杂源为cp2mg或dezn，掺杂浓度为1.5e18-3e18个原子/cm3，厚度为20-40nm；
37、所述帽层的厚度为0.1-0.5μm，掺杂源为cbr4或dezn，掺杂浓度为4e19-1e20个原子/cm3。
38、上述高斯渐变波导结构的algainp半导体激光器的制备方法，步骤如下：
39、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；
40、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；
41、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v族族源(100％ash3)及iii族源(tmga)实现生长停顿，停顿3-30s，将反应腔室as原子耗尽；
42、s4,温度保持在680±10℃，升温速度不高于60℃/min,通入tmal、tmin、tmga和ph3，在所述gaas缓冲层上生长n型(alx1ga1-x1)y1in1-y1p下限制层；
43、s5,温度缓变到630±10℃，持续通入tmal、tmin、tmga和ph3，在(alx1ga1-x1)y1in1-y1p下限制层上生长(alx2ga1-x2)y2in1-y2p下波导；
44、s6，温度保持在630±10℃，继续通入tmin、tmga和ph3，在(alx2ga1-x2)y2in1-y2p下波导上生长gax3in1-x3p量子阱ⅰ；
45、s7,温度保持在630±10℃，通入tmal、tmin、tmga和ph3，在gax3in1-x3p量子阱ⅰ上生长(alx4ga1-x4)y3in1-y3p垒层ⅰ；
46、s8，温度保持在630±10℃，继续通入tmin、tmga和ph3，在所述(alx4ga1-x4)y3in1-y3p垒层ⅰ上生长gax5in1-x5p量子阱ⅱ；
47、s9,温度保持在630±10℃，通入tmal、tmin、tmga和ph3，在gax5in1-x5p量子阱ⅱ上生长(alx6ga1-x6)y4in1-y4p垒层ⅱ；
48、s10，温度保持在630±10℃，继续通入tmin、tmga和ph3，在(alx6ga1-x6)y4in1-y4p垒层ⅱ上生长gax7in1-x7p量子阱ⅲ；
49、s11，温度缓变至700±10℃，继续通入tmal、tmin、tmga和ph3，在gax7in1-x7p量子阱ⅲ上生长(alx8ga1-x8)y5in1-y5p上波导层；
50、s12，温度保持在700±10℃，继续通入tmal、tmin、tmga和ph3，在(alx8ga1-x8)y5in1-y5p上波导层上生长p型(alx9ga1-x9)y6in1-y6p上限制层ⅰ；
51、s13，温度保持在700±10℃，继续通入tmga、tmin和ph3，在(alx9ga1-x9)y6in1-y6p上限制层ⅰ上生长gax10in1-x10p腐蚀终止层；
52、s14，温度保持在700±10℃，继续通入tmal、tmin、tmga和ph3，在gax10in1-x10p腐蚀终止层上生长p型(alx11ga1-x11)y7in1-y7p上限制层ⅱ；
53、s15，温度渐变至660±10℃，继续通入tmal、tmga、tmin和ph3，在(alx11ga1-x11)y7in1-y7p上限制层ⅱ上生长p型(al0.5ga0.5)0.5in0.5p上过渡层；
54、s16，温度保持在660±10℃，继续通入tmga、tmin和ph3，在(al0.5ga0.5)0.5in0.5p上过渡层上生长p型ga0.5in0.5p上过渡层，进一步降低带隙差，降低电压、提高载流子运输效率；
55、s17,将温度降低到540±10℃，降温速度不超过40℃/min，继续通入tmga和ash3，在ga0.5in0.5p上过渡层上生长gaas帽层。
56、根据本发明所优选的，步骤s2中，gaas缓冲层的厚度为0.2μm，掺杂浓度为2e18个原子/cm3。
57、根据本发明所优选的，步骤s4中，(alx1ga1-x1)y1in1-y1p下限制层的厚度为2μm，x1＝0.65，y1＝0.5，掺杂浓度为4e17个原子/cm3。
58、根据本发明所优选的，步骤s5中，(alx2ga1-x2)y2in1-y2p下波导的y2＝0.5，厚度为0.015μm。
59、根据本发明所优选的，步骤s6中，所述gax3in1-x3p量子阱ⅰ实现660nm激射波长，x3＝0.5，厚度为7nm。
60、根据本发明所优选的，步骤s7中，所述(alx4ga1-x4)y3in1-y3p垒层ⅰ的x4＝0.4，y3＝0.55，张应变补偿，提高腔面cod功率，厚度为4nm。
61、根据本发明所优选的，步骤s8中，所述gax5in1-x5p量子阱ⅱ实现660nm激射波长，x5＝0.5，厚度为7nm。
62、根据本发明所优选的，步骤s9中，所述(alx6ga1-x6)y4in1-y4p垒层ⅱ的x6＝0.4，y4＝0.55，张应变补偿，提高腔面cod功率，厚度为4nm。
63、根据本发明所优选的，步骤s10中，所述gax7in1-x7p量子阱ⅲ实现660nm激射波长，x7＝0.5，厚度为7nm。
64、根据本发明所优选的，步骤s11中，所述(alx8ga1-x8)y5in1-y5p上波导层的y5＝0.5，厚度为0.03μm。
65、根据本发明所优选的，步骤s12中，所述(alx9ga1-x9)y6in1-y6p上限制层ⅰ的x9＝0.75，y4＝0.5，厚度为0.2μm，掺杂浓度4e17个原子/cm3。
66、根据本发明所优选的，步骤s13中，所述gax10in1-x10p腐蚀终止层的厚度为10nm，掺杂浓度为1.5e18个原子/cm3，x6＝0.6。
67、根据本发明所优选的，步骤s14中，所述(alx11ga1-x11)y7in1-y7p上限制层ⅱ的x11＝0.7，y7＝0.5，厚度为0.7μm，掺杂浓度为1e18个原子/cm3。
68、根据本发明所优选的，步骤s15中，(al0.5ga0.5)0.5in0.5p上过渡层的厚度为20nm，掺杂浓度为2e18个原子/cm3。
69、根据本发明所优选的，步骤s16中，ga0.5in0.5p上过渡层的厚度为25nm，掺杂浓度为2.5e18个原子/cm3。
70、根据本发明所优选的，步骤s17中，所述帽层的厚度为0.2μm，掺杂浓度为7e19个原子/cm3。
71、本发明的有益效果在于：
72、本发明采用高斯渐变波导层，降低阈值电流，提高输出功率及亮度；采用非对称结构设计，压缩光场向n侧偏移，增大高阶模激射阈值，提高单模输出功率；采用窄波导结构设计，光场向限制层中扩展，压缩快轴发散角，提高光斑质量。
1.一种高斯渐变波导结构的algainp半导体激光器，其特征在于，由下至上依次包括衬底、缓冲层、(alx1ga1-x1)y1in1-y1p下限制层、(alx2ga1-x2)y2in1-y2p下波导、量子阱ⅰ、垒层ⅰ、量子阱ⅱ、垒层ⅱ、量子阱ⅲ、(alx8ga1-x8)y5in1-y5p上波导层、(alx9ga1-x9)y6in1-y6p上限制层ⅰ、腐蚀终止层、上限制层ⅱ、(al0.5ga0.5)in0.5p上过渡层、ga0.5in0.5p上过渡层和帽层；
2.如权利要求1所述的高斯渐变波导结构的algainp半导体激光器，其特征在于，
3.如权利要求2所述的高斯渐变波导结构的algainp半导体激光器，其特征在于，所述(alx2ga1-x2)y2in1-y2p下波导的x2由0.65渐变至0.4，高斯渐变函数x＝0.65e^-(a^2*10^4/4.63)，a为厚度，e为自然常数2.71828；所述(alx8ga1-x8)y5in1-y5p上波导层的x8由0.4渐变至0.75，高斯渐变函数x＝0.75e^-((a-0.03)^2/0.00143)。
4.如权利要求3所述的高斯渐变波导结构的algainp半导体激光器，其特征在于，所述高斯渐变波导结构的algainp半导体激光器中，包括以下条件之一或多种：
5.如权利要求4所述的高斯渐变波导结构的algainp半导体激光器，其特征在于，所述(alx1ga1-x1)y1in1-y1p下限制层的掺杂源为si2h6，掺杂浓度为3e17-5e17个原子/cm3，厚度为1.5-3μm。
6.如权利要求5所述的高斯渐变波导结构的algainp半导体激光器，其特征在于，所述gax3in1-x3p量子阱ⅰ的厚度为5-15nm，0.4≤x3≤0.6，厚度与x3取值配合，实现630-690nm波长激射；
7.如权利要求6所述的高斯渐变波导结构的algainp半导体激光器，其特征在于，所述gax3in1-x3p量子阱ⅰ、gax5in1-x5p量子阱ⅱ、gax7in1-x7p量子阱ⅲ、(alx2ga1-x2)y2in1-y2p下波导、(alx4ga1-x4)y3in1-y3p垒层ⅰ、(alx6ga1-x6)y4in1-y4p垒层ⅱ和(alx8ga1-x8)y5in1-y5p上波导层均为非故意掺杂。
8.如权利要求7所述的高斯渐变波导结构的algainp半导体激光器，其特征在于，所述高斯渐变波导结构的algainp半导体激光器中，包括以下条件之一或多种：
9.如权利要求8所述高斯渐变波导结构的algainp半导体激光器的制备方法，其特征在于，步骤如下：
10.如权利要求9所述高斯渐变波导结构的algainp半导体激光器的制备方法，其特征在于，步骤s2中，gaas缓冲层的厚度为0.2μm，掺杂浓度为2e18个原子/cm3；
