CN101702490A - 一种采用dwell的中红外锑化物激光器结构 - Google Patents

一种采用dwell的中红外锑化物激光器结构 Download PDF

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Abstract

本发明是一种采用DWELL的中红外锑化物激光器结构，即阱中量子点(DWELL)中红外激光器结构，即在量子阱(WELL)中嵌入量子点(DOT)，通过增加器件中DWELL的有效周期数目提升器件效率。减少有源区In组分和优化量子点、阱宽度和覆盖层，将外延层的应变减至最小。由于量子点的发射效率、光增益都强于量子阱；DWELL对电子的俘获能力、反射率和光限制能力强于单层量子点和多量子阱结构，所以这种DWELL结构具有较高的发射效率。DWELL结构的中红外激光器兼备了传统量子阱和量子点激光器的特点，在DWELL中载流子复合效率更高，可以在更高温度下工作。

Description

一种采用DWELL的中红外锑化物激光器结构
技术领域
本发明涉及半导体激光器材料技术领域，属于半导体激光器新型材料的外延结构领域。
背景技术
中红外波段在光电子器件应用领域表现了巨大应用潜力，特别是2-10μm波段：大气光学检测和环境监测，自由空间光通讯，红外测试，清洁能源，生物技术和热成像。例如，许多污染物和有毒气体、液体的指纹特征谱线都落在这个波段：甲烷(3.3μm)，CO2(4.6μm)，CO(4.2μm)，NOx(6.5μm)在各种复杂环境、高浓度和大范围(ppb倒100％)下的多组件在线精确测量。中红外波段也在要求高感应度和高灵敏度的医药品，生物医学成像上也表现了独特的应用价值，而且中红外波段的激光器在新一代光纤通信领域也有着重要的应用前景。
GaSb基材料是2-10μm中红外波段光电器件的首选材料。世界上许多重要的大学和科研机构都在这方面投入了研究，如美国麻省理工学院林肯实验室、Sarnoff公司、海军实验室、休斯顿大学、德国Fraunhofer研究所、慕尼黑工业大学、法国Montpellier II大学等。
锑化物材料和器件的研究存在相当的难度：窄禁带中红外半导体器件的载流子吸收、俄歇复合、表面复合等效应较大，影响了器件性能。量子点中红外激光器是一种颇有前景的器件，相比于同类竞争的量子阱器件，这种低维结构的器件同时拥有高效率和无需冷却的优点，但是单个量子点层的效率低，仅仅通过简单地生长更多的量子点层来改正这个缺点并不容易，因为这将在外延层中产生应变位错。
本发明设计了一种采用DWELL的中红外锑化物激光器结构，即在量子阱(WELL)中嵌入量子点(DOT)，通过增加器件中DWELL的有效周期数目提升器件效率。DWELL结构的中红外激光器兼备了传统量子阱和量子点激光器的特点，可以在更高温度下工作。
发明内容
本发明是一种采用DWELL的中红外锑化物激光器结构，减少有源区In组分和优化量子点、阱宽度和覆盖层，将外延层的应变减至最小，优化的势垒宽度提高DWELL结构效率。由于量子点的发射效率、光增益都强于量子阱；DWELL对电子的俘获能力、反射率和光限制能力强于单层量子点和多量子阱结构，所以这种DWELL结构具有较高的发射效率。
本发明是一种采用DWELL的中红外锑化物激光器结构。本发明是这样实现的，见图1所示，DWELL的中红外半导体激光器结构包括GaSb衬底(1)，GaSb缓冲层(2)，Al0.9Ga0.1As0.03Sb0.97下限制层(3)，Al0.3Ga0.7As0.02Sb0.98下波导层(4)，DWELL层(5)，Al0.3Ga0.7As0.02Sb0.98上波导层(9)，Al0.9Ga0.1As0.03Sb0.97上限制层(10)，GaSb欧姆层(11)。其中DWELL层(5)由势垒层Al0.3Ga0.7As0.02Sb0.98(6)，量子阱层In0.2Ga0.8As0.02Sb0.98(7)，以及嵌在其中的InGaSb量子点层(8)构成。所采用的设备为分子束外延设备(MBE)。
本发明的技术效果在于通过增加器件中的有效周期数目提升了效率，提高激光器的电光转换效率，从而提高激光器的整体性能。
具体实施方式
如图1所示，一种采用DWELL的中红外锑化物激光器结构包括：n型GaSb衬底(1)，n型GaSb缓冲层(2)，n型Al0.9Ga0.1As0.03Sb0.97下限制层(3)，n型Al0.3Ga0.7As0.02Sb0.98下波导层(4)，DWELL层(5)，DWELL层(5)包括势垒层Al0.3Ga0.7As0.02Sb0.98(6)，量子阱层In0.2Ga0.8As0.02Sb0.98(7)，InGaSb量子点层(8)，p型Al0.3Ga0.7As0.02Sb0.98上波导层(9)，p型Al0.9Ga0.1As0.03Sb0.97上限制层(10)，p+型GaSb欧姆层(11)。衬底(1)为材料外延生长的基底，采用Te掺杂的GaSb衬底；生长0.5μm的Te掺杂GaSb缓冲层(2)；下限制层为厚度为1.2μm，Al含量0.9的Al0.9Ga0.1As0.03Sb0.97层(3)；下波导层为厚度为0.35μm，Al含量0.3的Al0.3Ga0.7As0.02Sb0.98层(4)；有源区为利用3-5个周期DWELL层(5)；上波导层为厚度为0.35μm，Al含量0.3的Al0.3Ga0.7As0.02Sb0.98层(9)；上限制层为厚度为1.2μm，Al含量0.9的Al0.9Ga0.1As0.03Sb0.97层(10)；欧姆接触层为200nm的p型GaSb层(11)。其中DWELL(5)为3-5个周期的40nm势垒层Al0.3Ga0.7As0.02Sb0.98(6)，15nm量子阱层In0.2Ga0.8As0.02Sb0.98(7)，以及嵌在其中的2.5原子层的InGaSb量子点层(8)。
下面结合实例说明本发明，采用的设备为分子束外延设备(MBE)。
衬底(1)为(100)取向、Te掺杂浓度1～2×1018cm-3的GaSb晶体材料；
GaSb缓冲层(2)，生长温度560℃，n(Te)掺杂2×1018cm-3，厚度0.5μm；
Al0.9Ga0.1As0.03Sb0.97下限制层(3)，生长温度540℃，生长温度540℃，Te掺杂，浓度为5×1018cm-3，生长1.2μm。
Al0.3Ga0.7As0.02Sb0.98下波导层(4)，生长温度540℃，生长温度540℃，生长0.35μm。
3-5周期DWELL层(5)：40nm势垒层Al0.3Ga0.7As0.02Sb0.98(6)，生长温度540℃；15nm量子阱层In0.2Ga0.8As0.02Sb0.98(7)，以及嵌在其中的2.5原子层的InGaSb量子点层(8)，生长温度420℃。
Al0.3Ga0.7As0.02Sb0.98上波导层(9)，厚度为0.35μm，生长温度540℃；
Al含量0.9的Al0.9Ga0.1As0.03Sb0.97上限制层(10)，厚度为1.2μm，生长温度540℃，Be掺杂，浓度为5×1018cm-3，厚度为1.2μm；
欧姆接触层为200nm的p型GaSb层(11)，生长温度540℃，Be掺杂，浓度为2×1019cm-3。
附图说明：图1为一种采用DWELL的中红外锑化物激光器结构示意图。

Claims (5)

1.一种采用DWELL的中红外锑化物激光器结构包括：n型GaSb衬底(1)，n型GaSb缓冲层(2)，n型Al0.9Ga0.1As0.03Sb0.97下限制层(3)，n型Al0.3Ga0.7As0.02Sb0.98下波导层(4)，3-5个周期的DWELL层(5)，DWELL层(5)包括势垒层Al0.3Ga0.7As0.02Sb0.98(6)，量子阱层In0.2Ga0.8As0.02Sb0.98(7)，InGaSb量子点层(8)，p型Al0.3Ga0.7As0.02Sb0.98上波导层(9)，p型Al0.9Ga0.1As0.03Sb0.97上限制层(10)，p+型GaSb欧姆层(11)。衬底(1)为材料外延生长的基底，采用Te掺杂的GaSb衬底；生长0.5μm的Te掺杂GaSb缓冲层(2)；下限制层为厚度为1.2μm，Al含量0.9的Al0.9Ga0.1As0.03Sb0.97层(3)；下波导层为厚度为0.35μm，Al含量0.3的Al0.3Ga0.7As0.02Sb0.98层(4)；有源区为利用3-5个周期DWELL层(5)；上波导层为厚度为0.35μm，Al含量0.3的Al0.3Ga0.7As0.02Sb0.98层(9)；上限制层为厚度为1.2μm，Al含量0.9的Al0.9Ga0.1As0.03Sb0.97层(10)；欧姆接触层为200nm的p型GaSb层(11)。其中DWELL(5)为40nm势垒层Al0.3Ga0.7As0.02Sb0.98(6)，15nm量子阱层In0.2Ga0.8As0.02Sb0.98(7)，以及嵌在其中的2.5原子层InGaSb量子点层(8)。
2.根据权利要求1所述的一种采用DWELL的中红外锑化物激光器结构，其特征在于，缓冲层(2)生长温度580℃，n(Te)掺杂2×1018cm-3，厚度为0.5μm；
3.根据权利要求1所述的一种采用DWELL的中红外锑化物激光器结构，其特征在于，下限制层Al0.9Ga0.1As0.03Sb0.97(3)，生长温度540℃，Te掺杂，浓度为5×1018cm-3，生长1.2μm；上限制层Al0.9Ga0.1As0.03Sb0.97(11)，生长温度540℃，Be掺杂，浓度为5×1018cm-3，生长1.2μm；
4.根据权利要求1所述的一种采用DWELL的中红外锑化物激光器结构，其特征在于，DWELL层(5)包括势垒层40nm Al0.3Ga0.7As0.02Sb0.98(6)，生长温度540℃；15nm量子阱层In0.2Ga0.8As0.02Sb0.98(7)，2.5原子层的InGaSb量子点层(8)，生长温度420℃；DWELL周期数为3-5；
5.根据权利要求1所述的一种采用DWELL的中红外锑化物激光器结构，其特征在于，欧姆接触层为200nm的p型GaSb层(11)，生长温度540℃，Be掺杂，浓度为2×1019cm-3。
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