一種採用dwell的中紅外銻化物雷射器結構的製作方法

2023-09-18 07:41:55 3

專利名稱：一種採用dwell的中紅外銻化物雷射器結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體雷射器材料技術領域，屬於半導體雷射器新型材料的外延結構
領域。
背景技術：
中紅外波段在光電子器件應用領域表現了巨大應用潛力，特別是2-10iim波 段大氣光學檢測和環境監測，自由空間光通訊，紅外測試，清潔能源，生物技術和熱成 像。例如，許多汙染物和有毒氣體、液體的指紋特徵譜線都落在這個波段甲烷(3.3iim)， C02(4. 6 ii m) ， C0(4. 2 ii m) ， N0X(6. 5 y m)在各種複雜環境、高濃度和大範圍(ppb倒100% ) 下的多組件在線精確測量。中紅外波段也在要求高感應度和高靈敏度的醫藥品，生物醫學 成像上也表現了獨特的應用價值，而且中紅外波段的雷射器在新一代光纖通信領域也有著 重要的應用前景。 GaSb基材料是2-10 y m中紅外波段光電器件的首選材料。世界上許多重要的大學 和科研機構都在這方面投入了研究，如美國麻省理工學院林肯實驗室、Sarnoff公司、海軍
實驗室、休斯頓大學、德國Fraunhofer研究所、慕尼黑工業大學、法國Montpellier II大學等。 銻化物材料和器件的研究存在相當的難度窄禁帶中紅外半導體器件的載流子吸 收、俄歇複合、表面複合等效應較大，影響了器件性能。量子點中紅外雷射器是一種頗有前 景的器件，相比於同類競爭的量子阱器件，這種低維結構的器件同時擁有高效率和無需冷 卻的優點，但是單個量子點層的效率低，僅僅通過簡單地生長更多的量子點層來改正這個 缺點並不容易，因為這將在外延層中產生應變位錯。 本發明設計了一種採用DWELL的中紅外銻化物雷射器結構，即在量子阱(WELL)中 嵌入量子點(DOT)，通過增加器件中DWELL的有效周期數目提升器件效率。DWELL結構的中 紅外雷射器兼備了傳統量子阱和量子點雷射器的特點，可以在更高溫度下工作。

發明內容
本發明是一種採用DWELL的中紅外銻化物雷射器結構，減少有源區In組分和優 化量子點、阱寬度和覆蓋層，將外延層的應變減至最小，優化的勢壘寬度提高DWELL結構效 率。由於量子點的發射效率、光增益都強於量子阱；DWELL對電子的俘獲能力、反射率和光 限制能力強於單層量子點和多量子阱結構，所以這種DWELL結構具有較高的發射效率。
本發明是一種採用DWELL的中紅外銻化物雷射器結構。本發明是這樣實現 的，見圖l所示，DWELL的中紅外半導體雷射器結構包括GaSb襯底(1)， GaSb緩衝層 (2)， Al。.9Ga。.^s。.。3Sb。.97下限制層(3)， Al。.3Ga。.7As。.。2Sb。.98下波導層(4)， DWELL層(5)， Al。.3Ga。.7As。.。2Sb。.98上波導層(9)，Al。.9Ga。.^s。.。3Sb。.97上限制層(10)，GaSb歐姆層(11)。其 中DWELL層(5)由勢壘層Al。.3Ga。.7As。.。2Sb。.98(6)，量子阱層In。.2Ga。.8As。.。2Sb。.98(7)，以及嵌 在其中的InGaSb量子點層(8)構成。所採用的設備為分子束外延設備(MBE)。
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本發明的技術效果在於通過增加器件中的有效周期數目提升了效率，提高雷射器 的電光轉換效率，從而提高雷射器的整體性能。
具體實施例方式
如圖1所示， 一種採用DWELL的中紅外銻化物雷射器結構包括n型GaSb襯底 (1) ， n型GaSb緩衝層(2) ， n型Al0.9Ga0.#0.0>0.97下限制層(3) ， n型Al。.3Ga。.7As。.。2Sb。.98 下波導層(4)， DWELL層(5)， DWELL層(5)包括勢壘層Al。.3Ga。.7As。.。2Sb。.98(6)，量子阱層 In。.2Ga。.8As。.。2Sb。.98(7) ， InGaSb量子點層(8) ， p型Al。.3Ga。.7As。.。2Sb。.98上波導層(9) ， p型 Al。.9Ga。」As。.。3Sb。.97上限制層(10)，p+型GaSb歐姆層(11)。襯底(1)為材料外延生長的基 底，採用Te摻雜的GaSb襯底；生長0. 5 y m的Te摻雜GaSb緩衝層(2);下限制層為厚度為 1. 2 ii m，Al含量0. 9的Al。.gGa。」As。.。3Sb。.97層(3);下波導層為厚度為0. 35 y m，Al含量0. 3 WAl0.3Gao.7AS,Sb0』(4);有源區為利用3-5個周期DWELL層(5);上波導層為厚度為 0. 35 ii m，Al含量0. 3的Al。.3Ga。.7As。.。2Sb。.98層(9);上限制層為厚度為1. 2 y m，Al含量0. 9 的八10 0.0>0.97層(10);歐姆接觸層為200nm的p型GaSb層(11)。其中DWELL(5) 為3-5個周期的40nm勢壘層Al。.3Ga。.7As。.。2Sb。.98(6) ， 15nm量子阱層In。.2Ga。.8As。.。2Sb。.98(7)， 以及嵌在其中的2. 5原子層的InGaSb量子點層(8)。 下面結合實例說明本發明，採用的設備為分子束外延設備(MBE)。 襯底(1)為(100)取向、Te摻雜濃度1 2 X 1018cm—3的GaSb晶體材料；GaSb緩衝層(2)，生長溫度56(TC，n(Te)摻雜2 X 1018cm—3，厚度0. 5 y m ; Al。.9Ga。. iAs。.。3Sb。.97下限制層(3)，生長溫度540°C ，生長溫度540°C ， Te摻雜，濃度
為5X1018cm—3，生長1. 2iim。 Al。. 3Ga。. 7As。.。2Sb。.98下波導層(4)，生長溫度540°C ，生長溫度540°C ，生長O. 35 y m。
3-5周期DWELL層(5) :40nm勢壘層Al。. 3Ga。.7As。.。2Sb。.98 (6)，生長溫度540°C; 15nm 量子阱層In。.2Ga。.8As。.。2Sb。.98 (7)，以及嵌在其中的2. 5原子層的InGaSb量子點層(8)，生長 溫度420°C。 Al。.3Ga。.7As。.。2Sb。.98上波導層(9)，厚度為0. 35 y m，生長溫度540°C ; Al含量0. 9的Al。. 9Ga。. !As。. 。3Sb。. 97上限制層(10)，厚度為1. 2 y m，生長溫度540°C ，
Be摻雜，濃度為5 X 1018cm—3，厚度為1. 2 y m ; 歐姆接觸層為200nm的p型GaSb層(11)，生長溫度540°C， Be摻雜，濃度為 2X1019cm—3。


圖1為一種採用DWELL的中紅外銻化物雷射器結構示意圖。
權利要求
一種採用DWELL的中紅外銻化物雷射器結構包括n型GaSb襯底(1)，n型GaSb緩衝層(2)，n型Al0.9Ga0.1As0.03Sb0.97下限制層(3)，n型Al0.3Ga0.7As0.02Sb0.98下波導層(4)，3-5個周期的DWELL層(5)，DWELL層(5)包括勢壘層Al0.3Ga0.7As0.02Sb0.98(6)，量子阱層In0.2Ga0.8As0.02Sb0.98(7)，InGaSb量子點層(8)，p型Al0.3Ga0.7As0.02Sb0.98上波導層(9)，p型Al0.9Ga0.1As0.03Sb0.97上限制層(10)，p+型GaSb歐姆層(11)。襯底(1)為材料外延生長的基底，採用Te摻雜的GaSb襯底；生長0.5μm的Te摻雜GaSb緩衝層(2)；下限制層為厚度為1.2μm，Al含量0.9的Al0.9Ga0.1As0.03Sb0.97層(3)；下波導層為厚度為0.35μm，Al含量0.3的Al0.3Ga0.7As0.02Sb0.98層(4)；有源區為利用3-5個周期DWELL層(5)；上波導層為厚度為0.35μm，Al含量0.3的Al0.3Ga0.7As0.02Sb0.98層(9)；上限制層為厚度為1.2μm，Al含量0.9的Al0.9Ga0.1As0.03Sb0.97層(10)；歐姆接觸層為200nm的p型GaSb層(11)。其中DWELL(5)為40nm勢壘層Al0.3Ga0.7As0.02Sb0.98(6)，15nm量子阱層In0.2Ga0.8As0.02Sb0.98(7)，以及嵌在其中的2.5原子層InGaSb量子點層(8)。
2. 根據權利要求1所述的一種採用DWELL的中紅外銻化物雷射器結構，其特徵在於，緩 衝層(2)生長溫度58(TC，n(Te)摻雜2 X 1018cm—3，厚度為0. 5 y m ;
3. 根據權利要求1所述的一種採用DWELL的中紅外銻化物雷射器結構，其特徵在於，下 限制層Al。.gGa。.^s。.。3Sb。.97(3)，生長溫度540°C， Te摻雜，濃度為5X 1018cm—3，生長1. 2 y m ; 上限制層Al。. 9Ga。. 97 (11)，生長溫度540°C， Be摻雜，濃度為5X 1018cm—3，生長1. 2 li m ;
4. 根據權利要求1所述的一種採用DWELL的中紅外銻化物雷射器結構，其特徵在於， DWELL層(5)包括勢壘層40nm Al。.3Ga。.7As。.。2Sb。.98(6)，生長溫度540°C ;15nm量子阱層 In。.2Ga。.8As。.。2Sb。.98(7) ，2. 5原子層的InGaSb量子點層(8)，生長溫度420°C ;DWELL周期數 為3-5 ;
5. 根據權利要求1所述的一種採用DWELL的中紅外銻化物雷射器結構，其特徵在於，歐 姆接觸層為2Q0nm的p型GaSb層(11)，生長溫度540°C， Be摻雜，濃度為2X 1019cnT3。
全文摘要
本發明是一種採用DWELL的中紅外銻化物雷射器結構，即阱中量子點(DWELL)中紅外雷射器結構，即在量子阱(WELL)中嵌入量子點(DOT)，通過增加器件中DWELL的有效周期數目提升器件效率。減少有源區In組分和優化量子點、阱寬度和覆蓋層，將外延層的應變減至最小。由於量子點的發射效率、光增益都強於量子阱；DWELL對電子的俘獲能力、反射率和光限制能力強於單層量子點和多量子阱結構，所以這種DWELL結構具有較高的發射效率。DWELL結構的中紅外雷射器兼備了傳統量子阱和量子點雷射器的特點，在DWELL中載流子複合效率更高，可以在更高溫度下工作。
文檔編號H01S5/343GK101702490SQ20091021778
公開日2010年5月5日 申請日期2009年10月29日 優先權日2009年10月29日
發明者喬忠良, 劉國軍, 尤明慧, 李佔國, 李林, 李梅, 李聯合, 王勇, 王曉華, 鄧昀, 鄒永剛, 高欣 申請人:長春理工大學