本发明涉及一种复合波导的640nm半导体激光器件及其制备方法，属于光电子。
背景技术：
1、640nm半导体激光器作为红光光源广泛应用于激光显示、激光投影等领域，带来色彩更真实、沉浸感更强的护眼感官体验，随着消费者对大尺寸、多场景应用方面需求的增加，激光投影进入发展关键期，在消费人群、场景应用等层面具有巨大的发展空间。
2、激光器输出功率越大，光视效能越高，人眼感官更加明亮。而algainp体系640nm半导体激光器随着波长变短，载流子溢出严重，导致阈值电流增加、转换效率降低，同时algainp有源区热阻大，有源区温度升高导致输出功率和转换效率降低。因此，提高640nm激光器的光电转换效率，有助于640nm激光器在激光显示等领域的进一步应用。
3、中国发明专利文献cn103124046b公开了一种半导体激光器，采用非对称宽波导结构设计，设置np波导层组分及厚度不同，调整光场位置，减少对光的吸收，增加半导体激光器的效率。但是，波导层厚度较小时，由于波导层与限制层折射率差较小，光场扩散到限制层内导致吸收损耗增多，而波导层厚度较大时，热阻导致有源区温度较高，同样会造成转换效率降低。
4、中国发明专利文献cn108233179b公开了一种无铝波导层的红光半导体激光器结构，利用无序gainp作为波导层、有序gainp作为量子阱，实现有源区全无铝，对生长环境尤其是氧杂质浓度的要求不再那么苛刻，提高抗腔面损伤能力及寿命。但无序gainp与有序gainp之间带隙差太小，导致阱内载流子限制能力不佳，载流子溢出导致转换效率降低。
5、中国发明专利文献cn108565675a公开了一种用于激光显示的红绿蓝光子晶体半导体激光模块，通过采用光子晶体设计实现低发散角，使水平发散角和垂直发散角保持一致，克服象散问题，实现高效低成本。但光子晶体结构增加了不同组分材料间多层生长界面，导致电压升高，光电转换效率降低。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种复合波导的640nm半导体激光器件及其制备方法。
2、本发明通过在波导层与限制层中间复合高al组分algainp、低al组分algainp，利用高al组分algainp提高载流子限制能力，抑制载流子溢出；利用低al组分algainp，实现光陷阱设计，提高有源区光场集中度，降低光场向限制层的扩展，减少吸收损耗，提高光电转换效率；
3、本发明利用n、p波导层非对称设计，压缩光场向n侧偏移，减少吸收损耗；本发明减薄p侧设计，提高散热能力，减少废热累积对器件性能的影响。
4、本发明的技术方案如下：
5、第一个方面，本发明提供了一种复合波导的640nm半导体激光器件。
6、一种复合波导的640nm半导体激光器件，由下至上依次包括gaas衬底、gaas缓冲层、al0.5in0.5p下限制层、(alx1ga1-x1)y1in1-y1p下波导层、(alx2ga1-x2)y2in1-y2p下波导层、(alx3ga1-x3)y3in1-y3p下波导层、ga1-x4inx4p量子阱、(alx5ga1-x5)y4in1-y4p上波导层、(alx6ga1-x6)y5in1-y5p上波导层、(alx7ga1-x7)y6in1-y6p上波导层、al0.5in0.5p上限制层、(al0.5ga0.5)0.5in0.5p过渡层、ga0.5in0.5p过渡层、gaas帽层；
7、其中，0.65≤x1≤0.75，0.4≤y1≤0.6；0.2≤x2≤0.4，0.4≤y2≤0.6；0.45≤x3≤0.6，0.4≤y3≤0.6；0.55≤x4≤0.65；0.45≤x5≤0.6，0.4≤y4≤0.6；0.2≤x6≤0.4，0.4≤y5≤0.6；0.65≤x7≤0.75，0.4≤y6≤0.6；
8、其中，x2＜x3＜x1，x6＜x5＜x7。
9、进一步优选的，0.65≤x1≤0.75，0.4≤y1≤0.6；0.2≤x2≤0.4，0.4≤y2≤0.6；0.45≤x3≤0.6，0.4≤y3≤0.6；0.55≤x4≤0.65；0.45≤x5≤0.6，0.4≤y4≤0.6；0.2≤x6≤0.4，0.4≤y5≤0.6；0.65≤x7≤0.75，0.4≤y6≤0.6。
10、最优选的，x1＝0.7，y1＝0.5，x2＝0.3，y2＝0.5，x6＝0.3，y5＝0.5，x7＝0.7，y6＝0.5。
11、根据本发明优选的，x3＜x5。
12、根据本发明优选的，(alx5ga1-x5)y4in1-y4p上波导层、(alx6ga1-x6)y5in1-y5p上波导层、(alx7ga1-x7)y6in1-y6p上波导层、al0.5in0.5p上限制层的总厚度相对n侧减薄。
13、根据本发明优选的，所述(alx1ga1-x1)y1in1-y1p下波导层的掺杂源为si2h6，厚度为10-50nm，掺杂浓度为7e16-2e17个原子/cm3；
14、进一步优选的，所述(alx1ga1-x1)y1in1-y1p下波导层的厚度为20nm，掺杂浓度为1e17个原子/cm3。
15、根据本发明优选的，所述(alx2ga1-x2)y2in1-y2p下波导层的掺杂源为si2h6，厚度为5-30nm，掺杂浓度为7e16-2e17个原子/cm3；
16、进一步优选的，所述(alx2ga1-x2)y2in1-y2p下波导层的厚度为20nm，掺杂浓度为1e17个原子/cm3。
17、根据本发明优选的，所述(alx6ga1-x6)y5in1-y5p上波导层的厚度为5-30nm，掺杂浓度为7e16-2e17个原子/cm3；
18、进一步优选的，所述(alx6ga1-x6)y5in1-y5p上波导层的厚度为10nm，掺杂浓度为1e17个原子/cm3。
19、根据本发明优选的，所述(alx7ga1-x7)y6in1-y6p上波导层的厚度为10-50nm，掺杂浓度为7e16-2e17个原子/cm3；
20、进一步优选的，所述(alx7ga1-x7)y6in1-y6p上波导层的厚度为20nm，掺杂浓度为1e17个原子/cm3。
21、根据本发明优选的，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；所述al0.5in0.5p下限制层的掺杂源为si2h6，掺杂浓度为2e17-1e18个原子/cm3，厚度为0.5-1μm；所述(alx3ga1-x3)y3in1-y3p下波导层的厚度为50-150nm，非故意掺杂；所述ga1-x4inx4p量子阱的厚度为9-15nm，非故意掺杂；所述(alx5ga1-x5)y4in1-y4p上波导层的厚度为50-150nm，非故意掺杂；所述al0.5in0.5p上限制层的掺杂源为cp2mg，掺杂浓度为5e17-1.5e18个原子/cm3，厚度为0.5-1μm；所述(al0.5ga0.5)0.5in0.5p过渡层的掺杂源为cp2mg，掺杂浓度为1e18-3e18个原子/cm3，厚度为10-50nm；
22、所述ga0.5in0.5p过渡层的掺杂源为cp2mg，掺杂浓度为1e18-3e18个原子/cm3，厚度为10-50nm；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4e19-1e20个原子/cm3。
23、进一步优选的，所述gaas缓冲层的厚度为0.2μm，掺杂浓度为2e18个原子/cm3；所述al0.5in0.5p下限制层的厚度为0.9μm，掺杂浓度为7e17个原子/cm3；x3＝0.5，y3＝0.5，所述(alx3ga1-x3)y3in1-y3p下波导层的厚度为100nm；x4＝0.6，所述ga1-x4inx4p量子阱的厚度为11nm；x5＝0.55，y4＝0.5，所述(alx5ga1-x5)y4in1-y4p上波导层的厚度为80nm；所述al0.5in0.5p上限制层的厚度为0.7μm，掺杂浓度为1e18个原子/cm3；所述(al0.5ga0.5)0.5in0.5p过渡层的厚度为20nm，掺杂浓度为2e18个原子/cm3；所述ga0.5in0.5p过渡层的厚度为20nm，掺杂浓度为2e18个原子/cm3；所述gaas帽层厚度为0.3μm，掺杂浓度为7e19个原子/cm3。
24、本发明第二方面提供了一种复合波导的640nm半导体激光器件的制备方法。
25、上述复合波导的640nm半导体激光器件的制备方法，包括以下步骤：
26、s1，在gaas衬底上由下至上依次生长gaas缓冲层、al0.5in0.5p下限制层；
27、s2，在mocvd设备生长室内，温度保持在700±10℃，通入tmal、tmin、tmga和ph3，在所述al0.5in0.5p下限制层上生长(alx1ga1-x1)y1in1-y1p下波导层；
28、s3，温度保持在700±10℃，通入tmal、tmin、tmga和ph3，在所述(alx1ga1-x1)y1in1-y1p下波导层上生长(alx2ga1-x2)y2in1-y2p下波导层；
29、s4，在(alx2ga1-x2)y2in1-y2p下波导层上由下至上依次生长ga1-x4inx4p量子阱、(alx5ga1-x5)y4in1-y4p上波导层；
30、s5，在mocvd设备生长室内，温度保持在700±10℃，通入tmal、tmin、tmga和ph3，在所述(alx5ga1-x5)y4in1-y4p上波导层上生长(alx6ga1-x6)y5in1-y5p上波导层；
31、s6，温度保持在700±10℃，通入tmal、tmin、tmga和ph3，在所述(alx6ga1-x6)y5in1-y5p上波导层上生长(alx7ga1-x7)y6in1-y6p上波导层；
32、s7，在(alx7ga1-x7)y6in1-y6p上波导层上由下至上依次生长al0.5in0.5p上限制层、(al0.5ga0.5)0.5in0.5p过渡层、ga0.5in0.5p过渡层、gaas帽层，既得。
33、根据本发明优选的，步骤s1的具体实现步骤包括：
34、s11，将gaas衬底放在mocvd设备生长室内，h2环境下升温到720±10℃烘烤，并通入ash3，对gaas衬底进行表面热处理；
35、s12，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；
36、s13，温度保持在680±10℃，在gaas缓冲层上生长停顿，通入ph3；
37、s14，温度缓变至700±10℃，升温速度不高于60℃/min，通入tmal、tmin和ph3，在所述gaas缓冲层上生长n型al0.5in0.5p下限制层。
38、根据本发明优选的，步骤s4的具体实现步骤包括：
39、s41，mocvd设备生长室内温度缓变至640±10℃，通入tmal、tmin、tmga和ph3，在所述(alx2ga1-x2)y2in1-y2p下波导层上生长(alx3ga1-x3)y3in1-y3p下波导层；
40、s42，温度保持在640±10℃，通入tmin、tmga和ph3，在所述(alx3ga1-x3)y3in1-y3p下波导层上生长ga1-x4inx4p量子阱；
41、s43，温度缓变至700±10℃，通入tmal、tmin、tmga和ph3，在所述ga1-x4inx4p量子阱上生长(alx5ga1-x5)y4in1-y4p上波导层。
42、根据本发明优选的，步骤s7的具体实现步骤包括：
43、s71，mocvd设备生长室内温度保持在700±10℃，通入tmal、tmin和ph3，在所述(alx7ga1-x7)y6in1-y6p上波导层上生长al0.5in0.5p上限制层；
44、s72，温度缓变至670±10℃，通入tmal、tmin、tmga和ph3，在所述al0.5in0.5p上限制层上生长(al0.5ga0.5)0.5in0.5p过渡层；
45、s73，温度保持在670±10℃，通入tmin、tmga和ph3，在所述(al0.5ga0.5)0.5in0.5p过渡层上生长ga0.5in0.5p过渡层；
46、s74，温度缓变至540±10℃，降温速度不超过40℃/min，继续通入ph3保护生长界面，完成降温过程；
47、s75，将温度保持在540±10℃，继续通入tmga和ash3，在所述ga0.5in0.5p过渡层上生长gaas帽层。
48、本发明的技术特点及有益效果：
49、1、本发明利用复合波导层，在波导层与限制层中间复合高al组分algainp、低al组分algainp，利用高al组分algainp提高载流子限制能力，抑制载流子溢出提高光电转换效率；
50、2、本发明利用复合波导层，波导层与限制层中间复合高al组分algainp、低al组分algainp，利用低al组分algainp，实现光陷阱设计，提高有源区光场集中度，降低光场向限制层的扩展，减少吸收损耗，提高光场集中度，提高光电转换效率；
51、3、本发明利用n、p波导层非对称设计，压缩光场向n侧偏移，减少吸收损耗；
52、4、本发明减薄p侧设计，提高散热能力，减少废热累积对器件性能的影响。
1.一种复合波导的640nm半导体激光器件，其特征在于，由下至上依次包括gaas衬底、gaas缓冲层、al0.5in0.5p下限制层、(alx1ga1-x1)y1in1-y1p下波导层、(alx2ga1-x2)y2in1-y2p下波导层、(alx3ga1-x3)y3in1-y3p下波导层、ga1-x4inx4p量子阱、(alx5ga1-x5)y4in1-y4p上波导层、(alx6ga1-x6)y5in1-y5p上波导层、(alx7ga1-x7)y6in1-y6p上波导层、al0.5in0.5p上限制层、(al0.5ga0.5)0.5in0.5p过渡层、ga0.5in0.5p过渡层、gaas帽层；
2.根据权利要求1所述的一种复合波导的640nm半导体激光器件，其特征在于，x3＜x5。
3.根据权利要求1所述的一种复合波导的640nm半导体激光器件，其特征在于，(alx5ga1-x5)y4in1-y4p上波导层、(alx6ga1-x6)y5in1-y5p上波导层、(alx7ga1-x7)y6in1-y6p上波导层、al0.5in0.5p上限制层的总厚度相对n侧减薄。
4.根据权利要求1所述的一种复合波导的640nm半导体激光器件，其特征在于，所述(alx1ga1-x1)y1in1-y1p下波导层的掺杂源为si2h6，厚度为10-50nm，掺杂浓度为7e16-2e17个原子/cm3；
5.根据权利要求1所述的一种复合波导的640nm半导体激光器件，其特征在于，所述(alx2ga1-x2)y2in1-y2p下波导层的掺杂源为si2h6，厚度为5-30nm，掺杂浓度为7e16-2e17个原子/cm3；
6.根据权利要求1所述的一种复合波导的640nm半导体激光器件，其特征在于，所述(alx6ga1-x6)y5in1-y5p上波导层的厚度为5-30nm，掺杂浓度为7e16-2e17个原子/cm3；
7.根据权利要求1所述的一种复合波导的640nm半导体激光器件，其特征在于，所述(alx7ga1-x7)y6in1-y6p上波导层的厚度为10-50nm，掺杂浓度为7e16-2e17个原子/cm3；
8.根据权利要求1所述的一种复合波导的640nm半导体激光器件，其特征在于，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；所述al0.5in0.5p下限制层的掺杂源为si2h6，掺杂浓度为2e17-1e18个原子/cm3，厚度为0.5-1μm；所述(alx3ga1-x3)y3in1-y3p下波导层的厚度为50-150nm，非故意掺杂；所述ga1-x4inx4p量子阱的厚度为9-15nm，非故意掺杂；所述(alx5ga1-x5)y4in1-y4p上波导层的厚度为50-150nm，非故意掺杂；所述al0.5in0.5p上限制层的掺杂源为cp2mg，掺杂浓度为5e17-1.5e18个原子/cm3，厚度为0.5-1μm；所述(al0.5ga0.5)0.5in0.5p过渡层的掺杂源为cp2mg，掺杂浓度为1e18-3e18个原子/cm3，厚度为10-50nm；所述ga0.5in0.5p过渡层的掺杂源为cp2mg，掺杂浓度为1e18-3e18个原子/cm3，厚度为10-50nm；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4e19-1e20个原子/cm3；
9.权利要求1-6任一所述的复合波导的640nm半导体激光器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
10.根据权利要求7所述的复合波导的640nm半导体激光器件的制备方法，其特征在于，步骤s1的具体实现步骤包括：
