一种测试GaAs基半导体激光器外延片发光波长的方法及其应用技术领域
本发明涉及一种测试GaAs基半导体激光器外延片发光波长的方法及其应用，属于半导
体激光器测试技术领域。
背景技术
半导体激光器具有体积小、寿命长、光电转换效率高、易于与集成电路兼容等优点，在
光通讯、光存储、工业制造及医疗保健等行业有着广泛应用。其中，研究最早、性能最好并
且目前应用最多的是以GaAs为基底的半导体激光器。
半导体激光器的工作波长是由制作器件所用的半导体材料决定的。半导体材料中存在着
导带和价带，导带上面含有自由运动的电子，而价带下面含有自由运动的空穴，导带和价带
之间隔着一条禁带，当电子吸收了光的能量从价带跳跃到导带中去时，就把光的能量变成了
电，而带有电能的电子从导带跳回价带，又可以把电的能量变成光，因此，半导体材料的禁
带宽度就决定了器件的工作波长。材料科学的发展使我们能采用能带工程对半导体材料的能
带进行各种精巧的裁剪，使半导体光电器件的工作波长突破材料禁带宽度的限制扩展到更宽
的范围。以GaAs为基底可以进行外延生长的材料包括AlGaAs、AlGaInP、InGaAsP等多元
化合物，因此，GaAs基半导体激光器的工作波长最短为600nm附近的红光波段，最长可到
1000nm附近的红外波段。
波长不同，激光器的用途也不一样。红光波段的半导体激光器主要用于激光显示、工业
指示和定位、激光医疗等方面。在红光波段，人眼的视觉灵敏度随着光线波长的变短而提高，
例如人眼对635nm光线的敏感度是660nm光线的3倍。因此，激光器的亮度不仅同其功率有
关还同其波长有关。要保证红光激光器亮度的一致性，必须保证其波长一致性好。近红外波
段的808nm及980nm半导体激光器主要用于工业制造及泵浦。由于泵浦材料吸收谱的限制，
要获得高的泵浦效率，泵浦激光器的波长要在吸收峰值附近的几个纳米以内。在这些应用中
对激光器的波长要求比较严格，必须在制作激光器的源头，即激光器外延片，进行发光波长
测试与监控。
一种改善半导体材料光致发光测试效果的测试系统
中国专利文献CN101949844B公开了一种改善半导体材料光致发光测试效果的测试系
统。此系统的激光器激发的激光经过反射镜转换方向后由透镜聚焦直接照射在被测样品上，
被测样品反射的激光通过抛物面镜收集转向准直后以宽光束形式送达光谱测量系统。可以根
据半导体材料的特性选择合适的发射波长，从而获得较高的光致发光强度，提升光致发光测
试能力及改善测试的灵敏度。但是，此发明只是针对激发光及测试仪器进行优化，如果材料
内部发出的光不能逃逸出材料，仍然测试不到材料的发光波长。GaAs基半导体激光器外延片
的上表面接触层一般为重掺杂GaAs，带隙较小，对有源区发出的光有吸收作用。如图1所示，
当光线从GaAs层射出表面时，由于GaAs折射率较大，大部分光线会在表面发生全反射，从
而被GaAs层或者其它外延层所吸收。以660nm波长的红光为例，GaAs折射率高达3.82，光
线从GaAs层射入空气时发生全反射的临界角仅为15°。入射角小于15°的光仍然会有1/3以
上被反射回外延片内部，再加上表面GaAs层对光线的吸收，普通测试设备探测器捕捉到的
出射光很少，很难准确测试到外延片的发光波长。
GaAs基半导体激光器外延片包括由下至上依次设置的衬底、下包层、有源区、上包层、
接触层，衬底为适合外延生长的GaAs单晶片，有源区发出的光线从接触层表面射出时，大
部分倾斜方向入射光会在接触层表面发生全反射，倾斜方向出射光10会回到GaAs基半导体
激光器外延片内部并最终被吸收；垂直方向出射光仍然会有1/3以上被反射回GaAs基半导体
激光器外延片内部形成垂直方向反射光，并被吸收。再加上接触层表面对光线的吸收，普通
测试设备探测器捕捉到的垂直方向出射光很少，如图1所示。
现有的测试GaAs基半导体激光器外延片发光波长的方法为：将接触层腐蚀掉，剩下的
上包层材料折射率较小，全反射临界角较大，同时其带隙大于有源区材料的带隙，不会吸收
有源区发出的光。虽然能测试到外延片的发光波长，但是破坏了外延片的表面接触层，不能
做成器件，如图2所示。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种测试GaAs基半导体激光器外延片发光
波长的方法；
本发明还提供了一种用于测试发光波长的GaAs基半导体激光器外延片。
术语解释
掺杂浓度，本文所述掺杂浓度为原子浓度，指单位体积中该原子所占的个数。
本发明的技术方案为：
一种测试GaAs基半导体激光器外延片发光波长的方法，所述GaAs基半导体激光器外延
片包括由下至上依次设置的衬底、下包层、有源区、上包层、接触层，所述衬底为适合外延
生长的GaAs单晶片，所述下包层及所述上包层均为与所述衬底晶格匹配的多元化合物，所
述有源区为发光区，所述接触层为与金属电极形成欧姆接触的接触层，具体步骤包括：
(1)在所述GaAs基半导体激光器外延片表面生长一层不吸收有源区发出的光的介质膜，
所述介质膜的折射率m的取值范围为1＜m＜n，n为所述GaAs基半导体激光器外延片发出
的光线在GaAs中的折射率；所述介质膜的厚度d的取值范围为0＜d≤λ/2m，λ为所述GaAs
基半导体激光器外延片发出的光线的波长；所述介质膜表面粗糙；
(2)对步骤(1)得到的GaAs基半导体激光器外延片进行常规光致发光测试，得到GaAs
基半导体激光器外延片发光波长；
(3)去除所述介质膜。
所述下包层及所述上包层用来限制有源区的电子和光子。
所述常规光致发光测试，例如，利用PL光致发光测试系统进行光致发光测试。
此处设计的优势在于，介质膜表面粗糙，GaAs基半导体激光器外延片发出的光线入射到
空气中时，发生全反射的几率大大减小，逃逸出GaAs基半导体激光器外延片的光线数量增
加；介质膜的折射率m的取值范围为1＜m＜n，介质膜折射率位于空气折射率与GaAs折射
率之间，此范围内的介质膜对出射光线均有增透作用；介质膜的厚度d的取值范围为0＜d≤
λ/2m，此厚度范围内的介质膜对出射光线均有增透作用。
根据本发明优选的，步骤(1)完成后，对所述GaAs基半导体激光器外延片在100°-300°
温度下进行退火处理。
此处设计的优势在于，退火处理后的介质膜晶粒变大，表面粗糙度也会变大，进一步减
小了倾斜方向入射光发生全反射的几率。
根据本发明优选的，所述介质膜的折射率m的取值为n的平方根，所述介质膜的厚度d
为λ/4m。
此处设计的优势在于，介质膜的折射率m的取值为n的平方根，介质膜的厚度d为λ/4m，
对于垂直方向出射光可达到接近甚至为100％的增透效果。
根据本发明优选的，所述介质膜表面粗糙度Ra大于2nm。
根据本发明优选的，所述介质膜为溅射生长的SiO2、Si3N4、Al2O3、ZrO2。
此处设计的优势在于，溅射生长的介质膜一般为多晶结构，比外延层表面粗糙，出射光
线容易逃逸出表面；介质膜为溅射生长的SiO2、Si3N4、Al2O3、ZrO2，带隙较大，不吸收GaAs
基半导体激光器外延片发出的光线；折射率位于空气及GaAs之间，对出射光线有增透作用。
根据本发明优选的，所述下包层及所述上包层的材料为AlGaAs、AlGaInP或InGaAsP中
的任一种。
根据本发明优选的，所述有源区的材料为与所述衬底晶格匹配的AlGaAs、AlGaInP、
InGaAsP的任一种或者与所述衬底晶格不匹配的应变AlGaAs、AlGaInP、InGaAsP的任一种，
所述有源区发光波长为600-1000nm。
根据本发明优选的，所述接触层为重掺杂GaAs。
一种用于测试发光波长的GaAs基半导体激光器外延片，包括由下至上依次设置的衬底、
下包层、有源区、上包层、接触层，所述衬底为适合外延生长的GaAs单晶片，所述下包层
及所述上包层均为与所述衬底晶格匹配的多元化合物，所述有源区为发光区，所述接触层为
与金属电极形成欧姆接触的接触层，所述接触层表面设有一层不吸收有源区发出的光的介质
膜，所述介质膜的折射率m的取值范围为1＜m＜n，n为所述GaAs基半导体激光器外延片
发出的光线在GaAs中的折射率；所述介质膜的厚度d的取值范围为0＜d≤λ/2m，λ为所述
GaAs基半导体激光器外延片发出的光线的波长；所述介质膜表面粗糙。
根据本发明优选的，所述介质膜的折射率m的取值为n的平方根，所述介质膜的厚度为
λ/4m，所述介质膜表面粗糙度Ra大于2nm。
本发明的有益效果为：
1、本发明介质膜表面粗糙，GaAs基半导体激光器外延片发出的光线入射到空气中时发
生全反射的几率大大减小，逃逸出外延片的光线数量增加。
2、本发明介质膜折射率m位于空气折射率与GaAs折射率之间，介质膜的厚度d的取值
范围为0＜d≤λ/2m，起到增透膜的作用，如果折射率合适，法向分量上的射出光可以达到理
论上的全部透过，没有反射损失。
3、本发明介质膜去除后，对外延片表面没有影响，不会破坏外延片结构，外延片可以正
常制作半导体激光器。
附图说明
图1为本发明所述GaAs基半导体激光器外延片的结构及光线出射示意图。
图2为现有的测试GaAs基半导体激光器外延片发光波长的光线出射示意图。
图3为本发明所述一种测试GaAs基半导体激光器外延片发光波长的光线出射示意图。
图中，1、衬底，2、下包层，3、有源区，4、上包层，5、接触层，6、垂直方向入射光，
7、垂直方向反射光，8、垂直方向出射光，9、倾斜方向入射光，10、倾斜方向出射光，11、
介质膜。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
实施例1
一种测试GaAs基半导体激光器外延片发光波长的方法，所述GaAs基半导体激光器外延
片包括由下至上依次设置的衬底1、下包层2、有源区3、上包层4、接触层5，所述衬底1
为适合外延生长的GaAs单晶片，所述下包层2及所述上包层4均为Al0.5Ga0.5As，所述有源
区3为发光区，所述接触层5为重掺杂GaAs，GaAs基半导体激光器外延片的发光波长位于
800nm附近，本发明所述GaAs基半导体激光器外延片的结构及光线出射示意图如图1所示，
具体步骤包括：
(1)在所述GaAs基半导体激光器外延片表面生长一层不吸收有源区3发出的光的介质
膜11，所述介质膜11的折射率m的取值为1.45；GaAs基半导体激光器外延片发出的光线在
GaAs中的折射率为3.68，所述介质膜11的厚度d的取值为138nm，所述介质膜11表面粗糙
度Ra为5nm；所述介质膜11为溅射生长的SiO2；
(2)对步骤(1)得到的GaAs基半导体激光器外延片进行常规光致发光测试，得到GaAs
基半导体激光器外延片发光波长；
(3)去除所述介质膜11。
所述下包层2及所述上包层4用来限制有源区3的电子和光子；所述接触层5为重掺杂
GaAs，与金属电极形成欧姆接触。
此实施例中，介质膜11表面粗糙度远大于外延层的表面粗糙度，倾斜方向入射光9发生
全反射的几率会大大减小，倾斜方向出射光10会增加。同时，生长溅射的SiO2后，垂直方
向入射光6的透过率从66％增加至94％，垂直方向出射光8也会增加。因而可以测试到半导
体激光器外延片的发光波长。
实施例2
一种测试GaAs基半导体激光器外延片发光波长的方法，所述GaAs基半导体激光器外延
片包括由下至上依次设置的衬底1、下包层2、有源区3、上包层4、接触层5，所述衬底1
为适合外延生长的GaAs单晶片，所述下包层2及所述上包层4均为Al0.5In0.5P，所述有源区
3为发光区，所述接触层5为重掺杂GaAs，GaAs基半导体激光器外延片的发光波长位于660nm
附近，本发明所述GaAs基半导体激光器外延片的结构及光线出射示意图如图1所示，具体
步骤包括：
(1)在所述GaAs基半导体激光器外延片表面生长一层不吸收有源区3发出的光的介质
膜11，所述介质膜11的折射率m的取值为2.01；GaAs基半导体激光器外延片发出的光线在
GaAs中的折射率为3.82，所述介质膜11的厚度d的取值为82nm，所述介质膜11表面粗糙
度Ra为5nm；所述介质膜11为溅射生长的Si3N4；对所述GaAs基半导体激光器外延片在200°
温度下进行退火处理；
(2)对步骤(1)得到的GaAs基半导体激光器外延片进行常规光致发光测试，得到GaAs
基半导体激光器外延片发光波长；
(3)去除所述介质膜11。
所述下包层2及所述上包层4用来限制有源区3的电子和光子；所述接触层5为重掺杂
GaAs，可与金属电极形成欧姆接触。
此实施例中，退火处理的Si3N4介质膜11晶粒变大，表面粗糙度也会变大，进一步减小
了倾斜方向入射光9发生全反射的几率。同时，生长Si3N4后，垂直方向入射光6的透过率从
66％增加至98％，垂直方向出射光8几乎等于垂直方向入射光6。因而测试到半导体激光器
外延片的发光谱会更强，结果更加准确。
实施例3
一种用于测试发光波长的GaAs基半导体激光器外延片，所述GaAs基半导体激光器外延
片包括由下至上依次设置的衬底1、下包层2、有源区3、上包层4、接触层5，所述衬底1
为适合外延生长的GaAs单晶片，所述下包层2及所述上包层4均为Al0.5Ga0.5As，所述有源
区3为发光区，所述接触层5为重掺杂GaAs，GaAs基半导体激光器外延片的发光波长位于
800nm附近，所述接触层5表面设有一层不吸收有源区3发出的光的介质膜11，所述介质膜
11的折射率m的取值为1.45；GaAs基半导体激光器外延片发出的光线在GaAs中的折射率
为3.68，所述介质膜11的厚度d的取值为138nm，所述介质膜11表面粗糙度Ra为5nm；所
述介质膜11为溅射生长的SiO2。
实施例4
一种用于测试发光波长的GaAs基半导体激光器外延片，所述GaAs基半导体激光器外延
片包括由下至上依次设置的衬底1、下包层2、有源区3、上包层4、接触层5，所述衬底1
为适合外延生长的GaAs单晶片，所述下包层2及所述上包层4均为Al0.5In0.5P，所述有源区
3为发光区，所述接触层5为重掺杂GaAs，GaAs基半导体激光器外延片的发光波长位于660nm
附近，所述接触层5表面设有一层不吸收有源区3发出的光的介质膜11，所述介质膜11的
折射率m的取值为2.01；GaAs基半导体激光器外延片发出的光线在GaAs中的折射率为3.82，
所述介质膜11的厚度d的取值为82nm，所述介质膜11表面粗糙度Ra为5nm；所述介质膜
11为溅射生长的Si3N4。