InP基長波長2-3μm準量子點雷射器結構的製作方法

2023-06-17 12:38:06

專利名稱：InP基長波長2-3μm準量子點雷射器結構的製作方法
技術領域：
本發明渋及半導體雷射器技術，主要是在重摻雜^iP(OOl)襯底上生長用於長 波長 μ m)量子短線雷射器的 Inc^G^^As/InAs/lnxGadyAs (0. 58 < χ < 0. 83) / In0.53Ga0.47As/InGaAsP(匹配或張應變)結構，特別是指一種以多周期Ina53GEta47AsAnAs/ InxGa(1_x)As (0. 58 < χ < 0. 83)/InQ.53G￡i(1.47AsAnGaAsP(匹配或張應變)量子點-臺階量子 阱結構為有源區的長波長μ m) InAs準量子點雷射器結構。
背景技術：
近年來，室溫工作在中紅外波段μ m)的雷射器引起了廣泛關注，是因為該波 段雷射器在大氣環境監測、自由空間雷射通訊、醫學、工業生產、分子光譜學等方面有很好 的應用前景，這主要歸因於兩方面的因素一方面，2-2. 3μπι是重要的大氣透射窗口 ；另一 方面，許多化學分子在2-3 μ m之間有很強的吸收線，化學分子的吸收線就像人類的指紋， 不同分子的吸收線是不同的，可以根據吸收線的不同來識別不同的化學分子以及檢測它們 的含量。理論上，量子點(QD)雷射器比量子阱(QW)、量子線(QWr)雷射器具有更高的特徵 溫度、更高的發光效率和微分增益、更低的閾值電流和頻率啁啾、更窄的光譜線寬和超快的 高頻響應等特性，這些特性已在GaAs基QD器件中得到了很好的體現。但是，目前，由於S-K 模式生長的自組裝量子點尺寸均勻性較差及材料生長過程中存在應力積累，使得生長層數 受限，導致QD雷射器性能不理想；此外，目前，國際上，InP襯底上InAs量子短線(QDashes) 雷射器能夠實現的最長波長為2 μ m。因此怎樣優化雷射器性能並增加雷射器激射波長是目 前2-3 μ m InAs準量子點雷射器研究的一個重要方向。

發明內容
本發明的目的在於提供一種MP基長波長2-3 μ m準量子點雷射器結構，該結構 與現有結構相比有以下優點準量子點-臺階量子阱結構能夠減小InAs準量子點的有效 能隙，是該結構雷射器波長向長波方向擴展的關鍵所在；通過應變補償的方法可以將總應 變減到很小(理論上可減小到零)，確保增多生長層數時材料的生長質量不退化，為製作性 能良好的雷射器提供了合適的材料，是雷射器實現更好器件性能的有效方法之一 ；InGaAsP 代替InAKiaAs作為波導層可以避免含鋁雷射器容易退化的問題；InP作為上下包覆層，晶 格常數完全與MP(001)襯底匹配，材料生長起來比較容易且生長質量有保證。本發明提供一種MP基長波長2-3 μ m準量子點雷射器結構，包括一襯底；—下包覆層，該下包覆層製作在襯底上，該下包覆層起到緩衝層的作用；一下波導層，該下波導層的晶格常數與襯底的晶格常數匹配，該下波導層製作在 下包覆層上，作為載流子限制層，提高電子-空穴複合效率，提高雷射器的工作溫度；一 1-20周期的匹配或張應變結構層，其製作在下波導層上，作為雷射器的有源區，是雷射器的核心部位；一上波導層，該上波導層的晶格常數與襯底匹配，該上波導層製作在1-20周期的 匹配或張應變結構層上，作為載流子限制層，將載流子限制在有源區，進而提高電子-空穴 複合效率，提高雷射器工作溫度；一上包覆層，該上包覆層製作在上波導層上，對有源區發出的光進行限制，使有源 區發出的光沿波導軸向傳播，對上包覆層進行P型摻雜，使其更好地給有源區提供空穴；一歐姆接觸層，該歐姆接觸層製作在上包覆層上，其晶格常數與襯底匹配；一上電極，該上電極製作在歐姆接觸層上，為有源區提供空穴；一下電極，該下電極製作在減薄後的襯底上，為有源區提供電子。其中1-20周期的匹配或張應變結構層為1-20周期的Ina53Giici.47AS/InASAnxGa(1_x) As(0. 58 < χ < 0. 83)/In0.53Ga0.47As/InGaAsP 匹配或張應變結構層，包括一下阱層，其為未摻雜的Ina53Giia47A阱層，晶格常數與襯底的晶格常數匹配；一準量子點層，其為未摻雜的InAs準量子點層，其位於下阱層上；一壓應變阱層，其為未摻雜的壓應變(0. 58 < χ < 0. 83)阱層，其位於 準量子點層上；一上阱層，其為未摻雜的Ina53G^47As阱層，其位於壓應變阱層上，其晶格常數與 襯底的晶格常數匹配；一匹配或張應變勢壘層，其為匹配或張應hGaAsP勢壘層，其位於上阱層上，起到 應變補償和對載流子限制的作用，同時起到隔開1-20周期的匹配或張應變結構層各個周 期層的作用，避免周期層之間發生耦合。其中所述襯底為重摻雜LP(OOl)襯底，其摻雜元素為Si，摻雜濃度為 (0. 5-7) X 1018/cm3。其中下包覆層為InP下包覆層，對InP下包覆層進行η型摻雜，摻雜元素為Si，摻 雜濃度為(0. 1-5) X1018/cm3，其生長厚度為0-3000nm，下包覆層為有源區提供電子，並與襯 底一起對有源區發出的光進行限制，使有源區發出的光沿波導軸向傳播。其中下波導層為InGaAsP下波導層，生長厚度為30-2000nm。其中1-20周期的匹配或張應變結構層中的準量子點層的生長厚度為0. 7-2. 5nm ； 壓應變阱層的生長厚度為2-8nm ；下阱層和上阱層的生長厚度均為l-30nm ；匹配或張應變 勢壘層的生長厚度為5-lOOnm。其中上波導層為InGaAsP上波導層，生長厚度為30-2000nm。其中上包覆層為ρ型摻雜的InP上包覆層，摻雜元素為Be，摻雜濃度為 (0. 1-5) X IO1Vcm3,生長厚度為500-4000nm，上包覆層為有源區提供空穴，並對有源區發出 的光進行限制，使有源區發出的光沿波導軸向傳播。其中歐姆接觸層為ρ型重摻的匹配InGaAsP、InGaAS或InP歐姆接觸層，其摻雜元 素為Be，摻雜濃度為(0. 005-5) X 102Vcm3,生長厚度為30_800歷。


為了進一步說明本發明的特徵和效果，下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做 進一步的說明，其中
圖1為本發明MP基長波長2-3 μ m準量子點雷射器結構的示意圖。圖2為本發明有源區的能帶結構示意圖。
具體實施例方式請參閱圖1所示，本發明提供一種InP基長波長2-3 μ m準量子點雷射器結構，包 括一襯底10，所述襯底10為重摻雜^iP(OOl)襯底，其摻雜元素為Si，摻雜濃度為 (0. 5-7) X IO1Vcm3 ；一下包覆層20，其製作在襯底10上，其為InP下包覆層，其晶格常數與襯底10的 晶格常數匹配，所謂晶格常數匹配是指外延材料的晶格常數與^iP(OOl)襯底晶格常數大 小一致，外延生長時，兩者之間不存在應力。下包覆層20的生長厚度為0-3000nm，對其進行 η型摻雜，摻雜元素為Si，摻雜濃度為(0. 1-5) X IO1Vcm3,對其進行摻雜是為了更好地給有 源區提供電子，該下包覆層20還起到緩衝層的作用，同時下包覆層20與襯底10 —起對有 源區發出的光進行限制，使有源區發出的光沿波導軸向傳播；一下波導層30，其製作在下包覆層20上，其為InGaAsP下波導層，其晶格常數與襯 底10的晶格常數匹配，其生長厚度為30-2000nm，下波導層30作為載流子限制層，可以提高 電子-空穴複合效率，提高雷射器的工作溫度；一 1-20周期的匹配或張應變結構層40，其製作在下波導層30上，作為雷射器的有 源區，是雷射器的核心部位，其能帶結構示意圖如圖2所示。該1-20周期的匹配或張應變 結構層 40 為 1-20 周期的 Inc^G^^As/lnAs/InAadyAsCO. 58 < χ < 0. 83)/In0.53Ga0.47As/ InGaAsP匹配或張應變結構層，包括一下阱層41，其為未摻雜的La53Giia47A阱層，其晶格常數與襯底10的晶格常數匹 配，其生長厚度為l-30nm;—準量子點層42，其為未摻雜的InAs準量子點層，其位於下阱層41上，其生長厚 度為0. 7-2. 5nm，準量子點的英文名稱為Quantum Dash，通常指平均長度與平均寬度的比值 大於等於3的量子點，在^iP(OOl)襯底上生長的InAs量子點是沿[1_10]方向延伸的，是 典型的準量子點；一壓應變阱層43，其為未摻雜的壓應變hxGaa_x)As (0. 58 < χ < 0. 83)阱層，其 位於準量子點層42上，其生長厚度為2-8nm，所謂壓應變是指外延材料的晶格常數大於 InP(OOl)襯底的晶格常數，外延生長時，外延層會受到來自襯底的壓應力，在達到臨界厚度 之前，外延層在生長平面內與襯底晶格常數保持一致，此時外延層發生的形變就是壓應變。 壓應變阱層43能夠降低InAs準量子點所在勢阱的的阱深，增加InAs準量子點的尺寸，減 小InAs準量子點的有效能隙，從而使雷射器的激射波長紅移。壓應變阱層43的引入是該 結構雷射器實現2-3 μ m波段激射的關鍵所在。一上阱層44，其為未摻雜的Ltl53Giia47As上阱層，其位於壓應變阱層43上，其晶格 常數與襯底10的晶格常數匹配，生長厚度為l-30nm ；一匹配或張應變勢壘層45，其位於上阱層44上，其為匹配或張應InGaAsP勢壘層， 所謂張應變是指外延材料的晶格常數小於^iP(OOl)襯底的晶格常數，外延生長時，外延層 會受到來自襯底的張應力，在達到臨界厚度之前，外延層在生長平面內與襯底晶格常數保持一致，此時外延層發生的形變就是張應變。InGaAsP的張應變大小是可調的，確定調整範 圍的標準是使材料整體處於很小的壓應變或零應變狀態，不能處於張應變狀態。匹配或張 應變勢壘層45的生長厚度為5-lOOnm，勢壘層選擇張應變是為了與壓應變阱層43、準量子 點層42形成應變補償，將總應變減到很小，理論上可減小到零，確保增多生長層數時材料 的生長質量不退化，為製作性能良好的雷射器提供了合適的材料，是雷射器實現更好器件 性能的有效方法之一。匹配或張應變勢壘層45還起到隔開1-20周期的匹配或張應變結構 層40各個周期層的作用，避免周期層之間發生耦合；重複製作1-20周期的的匹配或張應變結構層40中的下阱層41、準量子點層42、 壓應變阱層43、上阱層44和匹配或張應變勢壘層45。一上波導層50，其為InGaAsP上波導層，其製作在1_20周期的匹配或張應變結構 層40上，其晶格常數與襯底10匹配，其生長厚度為30-2000nm，上波導層50作為載流子限 制層，將載流子限制在有源區，進而提高電子-空穴複合效率，提高雷射器工作溫度；一上包覆層60，其為InP上包覆層，其製作在上波導層50上，其生長厚度為 500-4000nm，對InP上包覆層進行ρ型摻雜，摻雜元素為Be，摻雜濃度為(0. 1-5) X IO1Vcm3, 越靠近有源區摻雜濃度越低，對上包覆層60進行ρ型摻雜是為了使其更好地給有源區提供 空穴，同時上包覆層60還起到對有源區發出的光進行限制的作用，使有源區發出的光沿波 導軸向傳播；一歐姆接觸層70，其製作在上包覆層60上，其為ρ型重摻的匹配InGaAsP、InGaAS 或InP歐姆接觸層，摻雜元素為Be，摻雜濃度為(0. 005-5) X IO2tVcm3，其晶格常數與襯底10 匹配，其生長厚度為30-800nm ；一上電極80，其製作在歐姆接觸層70上，為有源區提供空穴；—下電極90，其製作在減薄後的襯底10上，為有源區提供電子。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡 在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保 護範圍之內。
權利要求
1.一種InP基長波長2-3 μ m準量子點雷射器結構，包括 一襯底；一下包覆層，該下包覆層製作在襯底上，該下包覆層起到緩衝層的作用； 一下波導層，該下波導層的晶格常數與襯底的晶格常數匹配，該下波導層製作在下包 覆層上，作為載流子限制層，提高電子-空穴複合效率，提高雷射器的工作溫度；一 1-20周期的匹配或張應變結構層，其製作在下波導層上，作為雷射器的有源區，是 雷射器的核心部位；一上波導層，該上波導層的晶格常數與襯底匹配，該上波導層製作在1-20周期的匹配 或張應變結構層上，作為載流子限制層，將載流子限制在有源區，進而提高電子-空穴複合 效率，提高雷射器工作溫度；一上包覆層，該上包覆層製作在上波導層上，對有源區發出的光進行限制，使有源區發 出的光沿波導軸向傳播，對上包覆層進行P型摻雜，使其更好地給有源區提供空穴； 一歐姆接觸層，該歐姆接觸層製作在上包覆層上，其晶格常數與襯底匹配； 一上電極，該上電極製作在歐姆接觸層上，為有源區提供空穴； 一下電極，該下電極製作在減薄後的襯底上，為有源區提供電子。
2.根據權利要求1所述的InP基長波長2-3μ m準量子點雷射器結構，其中1_20周期 的匹配或張應變結構層為 1-20 周期的 Ina53G￡ia47AS/InASAnxGaa_x)AS(0. 58 < χ < 0. 83)/ In0.53Ga0.47As/InGaAsP匹配或張應變結構層，包括一下阱層，其為未摻雜的^a53Giia47A阱層，晶格常數與襯底的晶格常數匹配； 一準量子點層，其為未摻雜的InAs準量子點層，其位於下阱層上； 一壓應變阱層，其為未摻雜的壓應變InxGa(1_x)AS(0. 58 < χ < 0. 83)阱層，其位於準量 J^" ；) ~t-,一上阱層，其為未摻雜的Ina53G^47As阱層，其位於壓應變阱層上，其晶格常數與襯底 的晶格常數匹配；一匹配或張應變勢壘層，其為匹配或張應InGaAsP勢壘層，其位於上阱層上，起到應變 補償和對載流子限制的作用，同時起到隔開1-20周期的匹配或張應變結構層各個周期層 的作用，避免周期層之間發生耦合。
3.根據權利要求1所述的InP基長波長2-3μ m準量子點雷射器結構，其中所述襯底為 重摻雜hP(001)襯底，其摻雜元素為Si，摻雜濃度為(0. 5-7) X1018/cm3。
4.根據權利要求1所述的InP基長波長2-3μ m準量子點雷射器結構，其中下包覆層為 InP下包覆層，對hP下包覆層進行η型摻雜，摻雜元素為Si，摻雜濃度為(0. 1-5) X IO18/ cm3，其生長厚度為0-3000nm，下包覆層為有源區提供電子，並與襯底一起對有源區發出的 光進行限制，使有源區發出的光沿波導軸向傳播。
5.根據權利要求1所述的InP基長波長2-3μ m準量子點雷射器結構，其中下波導層為 InGaAsP下波導層，生長厚度為30_2000nm。
6.根據權利要求2所述的InP基長波長2-3μ m準量子點雷射器結構，其中1_20周 期的匹配或張應變結構層中的準量子點層的生長厚度為0. 7-2. 5nm ；壓應變阱層的生長厚 度為2-8nm ；下阱層和上阱層的生長厚度均為l-30nm ；匹配或張應變勢壘層的生長厚度為 5-100nm。
7.根據權利要求1所述的InP基長波長2-3μ m準量子點雷射器結構，其中上波導層為 InGaAsP上波導層，生長厚度為30_2000nm。
8.根據權利要求1所述的InP基長波長2-3μ m準量子點雷射器結構，其中上包覆層 為P型摻雜的InP上包覆層，摻雜元素為Be，摻雜濃度為(0. 1-5) X IO1Vcm3,生長厚度為 500-4000nm，上包覆層為有源區提供空穴，並對有源區發出的光進行限制，使有源區發出的 光沿波導軸向傳播。
9.根據權利要求1所述的InP基長波長2-3μ m準量子點雷射器結構，其中歐姆接觸 層為P型重摻的匹配InGaAsP、InGaAs或InP歐姆接觸層，其摻雜元素為Be，摻雜濃度為 (0. 005-5) X IO2Vcm3,生長厚度為 30_800nm。
全文摘要
一種InP基長波長2-3μm準量子點雷射器結構，包括一襯底；一下包覆層製作在襯底上；一下波導層製作在下包覆層上，作為載流子限制層，提高電子-空穴複合效率，提高雷射器的工作溫度；一1-20周期的匹配或張應變結構層製作在下波導層上，作為雷射器的有源區，是雷射器的核心部位；一上波導層製作在1-20周期的匹配或張應變結構層上，作為載流子限制層，將載流子限制在有源區，進而提高電子-空穴複合效率，提高雷射器工作溫度；一上包覆層製作在上波導層上；一歐姆接觸層製作在上包覆層上，其晶格常數與襯底匹配；一上電極製作在歐姆接觸層上，為有源區提供空穴；一下電極製作在減薄後的襯底上，為有源區提供電子。
文檔編號H01S5/343GK102064472SQ20101059157
公開日2011年5月18日 申請日期2010年12月8日 優先權日2010年12月8日
發明者孔金霞, 徐波, 王佔國 申請人:中國科學院半導體研究所