CN102064472B - InP基长波长2-3μm准量子点激光器结构 - Google Patents
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Abstract
一种InP基长波长2-3μm准量子点激光器结构，包括：一衬底；一下包覆层制作在衬底上；一下波导层制作在下包覆层上，作为载流子限制层，提高电子-空穴复合效率，提高激光器的工作温度；一1-20周期的匹配或张应变结构层制作在下波导层上，作为激光器的有源区，是激光器的核心部位；一上波导层制作在1-20周期的匹配或张应变结构层上，作为载流子限制层，将载流子限制在有源区，进而提高电子-空穴复合效率，提高激光器工作温度；一上包覆层制作在上波导层上；一欧姆接触层制作在上包覆层上，其晶格常数与衬底匹配；一上电极制作在欧姆接触层上，为有源区提供空穴；一下电极制作在减薄后的衬底上，为有源区提供电子。
Description
技术领域
本发明渋及半导体激光器技术，主要是在重掺杂InP(001)衬底上生长用于长波长(2-3μm)量子短线激光器的In0.53Ga0.47As/InAs/InxGa(1-x)As(0.58＜x＜0.83)/In0.53Ga0.47As/InGaAsP(匹配或张应变)结构，特别是指一种以多周期In0.53Ga0.47As/InAs/InxGa(1-x)As(0.58＜x＜0.83)/In0.53Ga0.47As/InGaAsP(匹配或张应变)量子点-台阶量子阱结构为有源区的长波长(2-3μm)InAs准量子点激光器结构。
背景技术
近年来，室温工作在中红外波段(2-3μm)的激光器引起了广泛关注，是因为该波段激光器在大气环境监测、自由空间激光通讯、医学、工业生产、分子光谱学等方面有很好的应用前景，这主要归因于两方面的因素：一方面，2-2.3μm是重要的大气透射窗口；另一方面，许多化学分子在2-3μm之间有很强的吸收线，化学分子的吸收线就像人类的指纹，不同分子的吸收线是不同的，可以根据吸收线的不同来识别不同的化学分子以及检测它们的含量。
理论上，量子点(QD)激光器比量子阱(QW)、量子线(QWr)激光器具有更高的特征温度、更高的发光效率和微分增益、更低的阈值电流和频率啁啾、更窄的光谱线宽和超快的高频响应等特性，这些特性已在GaAs基QD器件中得到了很好的体现。但是，目前，由于S-K模式生长的自组装量子点尺寸均匀性较差及材料生长过程中存在应力积累，使得生长层数受限，导致QD激光器性能不理想；此外，目前，国际上，InP衬底上InAs量子短线(QDashes)激光器能够实现的最长波长为2μm。因此怎样优化激光器性能并增加激光器激射波长是目前2-3μm InAs准量子点激光器研究的一个重要方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种InP基长波长2-3μm准量子点激光器结构，该结构与现有结构相比有以下优点：准量子点-台阶量子阱结构能够减小InAs准量子点的有效能隙，是该结构激光器波长向长波方向扩展的关键所在；通过应变补偿的方法可以将总应变减到很小(理论上可减小到零)，确保增多生长层数时材料的生长质量不退化，为制作性能良好的激光器提供了合适的材料，是激光器实现更好器件性能的有效方法之一；InGaAsP代替InAlGaAs作为波导层可以避免含铝激光器容易退化的问题；InP作为上下包覆层，晶格常数完全与InP(001)衬底匹配，材料生长起来比较容易且生长质量有保证。
本发明提供一种InP基长波长2-3μm准量子点激光器结构，包括：
一衬底；
一下包覆层，该下包覆层制作在衬底上，该下包覆层起到缓冲层的作用；
一下波导层，该下波导层的晶格常数与衬底的晶格常数匹配，该下波导层制作在下包覆层上，作为载流子限制层，提高电子-空穴复合效率，提高激光器的工作温度；
一1-20周期的匹配或张应变结构层，其制作在下波导层上，作为激光器的有源区，是激光器的核心部位；
一上波导层，该上波导层的晶格常数与衬底匹配，该上波导层制作在1-20周期的匹配或张应变结构层上，作为载流子限制层，将载流子限制在有源区，进而提高电子-空穴复合效率，提高激光器工作温度；
一上包覆层，该上包覆层制作在上波导层上，对有源区发出的光进行限制，使有源区发出的光沿波导轴向传播，对上包覆层进行p型掺杂，使其更好地给有源区提供空穴；
一欧姆接触层，该欧姆接触层制作在上包覆层上，其晶格常数与衬底匹配；
一上电极，该上电极制作在欧姆接触层上，为有源区提供空穴；
一下电极，该下电极制作在减薄后的衬底上，为有源区提供电子。
其中1-20周期的匹配或张应变结构层为1-20周期的In0.53Ga0.47As/InAs/InxGa(1-x)As(0.58＜x＜0.83)/In0.53Ga0.47As/InGaAsP匹配或张应变结构层，包括：
一下阱层，其为未掺杂的In0.53Ga0.47A阱层，晶格常数与衬底的晶格常数匹配；
一准量子点层，其为未掺杂的InAs准量子点层，其位于下阱层上；
一压应变阱层，其为未掺杂的压应变InxGa(1-x)As(0.58＜x＜0.83)阱层，其位于准量子点层上；
一上阱层，其为未掺杂的In0.53Ga0.47As阱层，其位于压应变阱层上，其晶格常数与衬底的晶格常数匹配；
一匹配或张应变势垒层，其为匹配或张应InGaAsP势垒层，其位于上阱层上，起到应变补偿和对载流子限制的作用，同时起到隔开1-20周期的匹配或张应变结构层各个周期层的作用，避免周期层之间发生耦合。
其中所述衬底为重掺杂InP(001)衬底，其掺杂元素为Si，掺杂浓度为(0.5-7)×1018/cm3。
其中下包覆层为InP下包覆层，对InP下包覆层进行n型掺杂，掺杂元素为Si，掺杂浓度为(0.1-5)×1018/cm3，其生长厚度为0-3000nm，下包覆层为有源区提供电子，并与衬底一起对有源区发出的光进行限制，使有源区发出的光沿波导轴向传播。
其中下波导层为InGaAsP下波导层，生长厚度为30-2000nm。
其中1-20周期的匹配或张应变结构层中的准量子点层的生长厚度为0.7-2.5nm；压应变阱层的生长厚度为2-8nm；下阱层和上阱层的生长厚度均为1-30nm；匹配或张应变势垒层的生长厚度为5-100nm。
其中上波导层为InGaAsP上波导层，生长厚度为30-2000nm。
其中上包覆层为p型掺杂的InP上包覆层，掺杂元素为Be，掺杂浓度为(0.1-5)×1018/cm3，生长厚度为500-4000nm，上包覆层为有源区提供空穴，并对有源区发出的光进行限制，使有源区发出的光沿波导轴向传播。
其中欧姆接触层为p型重掺的匹配InGaAsP、InGaAs或InP欧姆接触层，其掺杂元素为Be，掺杂浓度为(0.005-5)×1020/cm3，生长厚度为30-800nm。
附图说明
为了进一步说明本发明的特征和效果，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明，其中：
图1为本发明InP基长波长2-3μm准量子点激光器结构的示意图。
图2为本发明有源区的能带结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种InP基长波长2-3μm准量子点激光器结构，包括：
一衬底10，所述衬底10为重掺杂InP(001)衬底，其掺杂元素为Si，掺杂浓度为(0.5-7)×1018/cm3；
一下包覆层20，其制作在衬底10上，其为InP下包覆层，其晶格常数与衬底10的晶格常数匹配，所谓晶格常数匹配是指外延材料的晶格常数与InP(001)衬底晶格常数大小一致，外延生长时，两者之间不存在应力。下包覆层20的生长厚度为0-3000nm，对其进行n型掺杂，掺杂元素为Si，掺杂浓度为(0.1-5)×1018/cm3，对其进行掺杂是为了更好地给有源区提供电子，该下包覆层20还起到缓冲层的作用，同时下包覆层20与衬底10一起对有源区发出的光进行限制，使有源区发出的光沿波导轴向传播；
一下波导层30，其制作在下包覆层20上，其为InGaAsP下波导层，其晶格常数与衬底10的晶格常数匹配，其生长厚度为30-2000nm，下波导层30作为载流子限制层，可以提高电子-空穴复合效率，提高激光器的工作温度；
一1-20周期的匹配或张应变结构层40，其制作在下波导层30上，作为激光器的有源区，是激光器的核心部位，其能带结构示意图如图2所示。该1-20周期的匹配或张应变结构层40为1-20周期的In0.53Ga0.47As/InAs/InxGa(1-x)As(0.58＜x＜0.83)/In0.53Ga0.47As/InGaAsP匹配或张应变结构层，包括：
一下阱层41，其为未掺杂的In0.53Ga0.47A阱层，其晶格常数与衬底10的晶格常数匹配，其生长厚度为1-30nm；
一准量子点层42，其为未掺杂的InAs准量子点层，其位于下阱层41上，其生长厚度为0.7-2.5nm，准量子点的英文名称为Quantum Dash，通常指平均长度与平均宽度的比值大于等于3的量子点，在InP(001)衬底上生长的InAs量子点是沿[1-10]方向延伸的，是典型的准量子点；
一压应变阱层43，其为未掺杂的压应变InxGa(1-x)As(0.58＜x＜0.83)阱层，其位于准量子点层42上，其生长厚度为2-8nm，所谓压应变是指外延材料的晶格常数大于InP(001)衬底的晶格常数，外延生长时，外延层会受到来自衬底的压应力，在达到临界厚度之前，外延层在生长平面内与衬底晶格常数保持一致，此时外延层发生的形变就是压应变。压应变阱层43能够降低InAs准量子点所在势阱的的阱深，增加InAs准量子点的尺寸，减小InAs准量子点的有效能隙，从而使激光器的激射波长红移。压应变阱层43的引入是该结构激光器实现2-3μm波段激射的关键所在。
一上阱层44，其为未掺杂的In0.53Ga0.47As上阱层，其位于压应变阱层43上，其晶格常数与衬底10的晶格常数匹配，生长厚度为1-30nm；
一匹配或张应变势垒层45，其位于上阱层44上，其为匹配或张应InGaAsP势垒层，所谓张应变是指外延材料的晶格常数小于InP(001)衬底的晶格常数，外延生长时，外延层会受到来自衬底的张应力，在达到临界厚度之前，外延层在生长平面内与衬底晶格常数保持一致，此时外延层发生的形变就是张应变。InGaAsP的张应变大小是可调的，确定调整范围的标准是使材料整体处于很小的压应变或零应变状态，不能处于张应变状态。匹配或张应变势垒层45的生长厚度为5-100nm，势垒层选择张应变是为了与压应变阱层43、准量子点层42形成应变补偿，将总应变减到很小，理论上可减小到零，确保增多生长层数时材料的生长质量不退化，为制作性能良好的激光器提供了合适的材料，是激光器实现更好器件性能的有效方法之一。匹配或张应变势垒层45还起到隔开1-20周期的匹配或张应变结构层40各个周期层的作用，避免周期层之间发生耦合；
重复制作1-20周期的的匹配或张应变结构层40中的下阱层41、准量子点层42、压应变阱层43、上阱层44和匹配或张应变势垒层45。
一上波导层50，其为InGaAsP上波导层，其制作在1-20周期的匹配或张应变结构层40上，其晶格常数与衬底10匹配，其生长厚度为30-2000nm，上波导层50作为载流子限制层，将载流子限制在有源区，进而提高电子-空穴复合效率，提高激光器工作温度；
一上包覆层60，其为InP上包覆层，其制作在上波导层50上，其生长厚度为500-4000nm，对InP上包覆层进行p型掺杂，掺杂元素为Be，掺杂浓度为(0.1-5)×1018/cm3，越靠近有源区掺杂浓度越低，对上包覆层60进行p型掺杂是为了使其更好地给有源区提供空穴，同时上包覆层60还起到对有源区发出的光进行限制的作用，使有源区发出的光沿波导轴向传播；
一欧姆接触层70，其制作在上包覆层60上，其为p型重掺的匹配InGaAsP、InGaAs或InP欧姆接触层，掺杂元素为Be，掺杂浓度为(0.005-5)×1020/cm3，其晶格常数与衬底10匹配，其生长厚度为30-800nm；
一上电极80，其制作在欧姆接触层70上，为有源区提供空穴；
一下电极90，其制作在减薄后的衬底10上，为有源区提供电子。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种InP基长波长2-3μm准量子点激光器结构，包括：
一衬底；
一下包覆层，该下包覆层制作在衬底上，该下包覆层起到缓冲层的作用；
一下波导层，该下波导层的晶格常数与衬底的晶格常数匹配，该下波导层制作在下包覆层上，作为载流子限制层，提高电子-空穴复合效率，提高激光器的工作温度；
一1-20周期的匹配或张应变结构层，其制作在下波导层上，作为激光器的有源区，是激光器的核心部位，该1-20周期的匹配或张应变结构层为1-20周期的In0.53Ga0.47As/InAs/InxGa(1-x)As(0.58＜x＜0.83)/In0.53Ga0.47As/InGaAsP匹配或张应变结构层，包括：
一下阱层，其为未掺杂的In0.53Ga0.47A阱层，晶格常数与衬底的晶格常数匹配；
一准量子点层，其为未掺杂的InAs准量子点层，其位于下阱层上；
一压应变阱层，其为未掺杂的压应变InxGa(1-x)As(0.58＜x＜0.83)阱层，其位于准量子点层上；
一上阱层，其为未掺杂的In0.53Ga0.47As阱层，其位于压应变阱层上，其晶格常数与衬底的晶格常数匹配；
一匹配或张应变势垒层，其为匹配或张应InGaAsP势垒层，其位于上阱层上，起到应变补偿和对载流子限制的作用，同时起到隔开1-20周期的匹配或张应变结构层各个周期层的作用，避免周期层之间发生耦合；
一上波导层，该上波导层的晶格常数与衬底匹配，该上波导层制作在1-20周期的匹配或张应变结构层上，作为载流子限制层，将载流子限制在有源区，进而提高电子-空穴复合效率，提高激光器工作温度；
一上包覆层，该上包覆层制作在上波导层上，对有源区发出的光进行限制，使有源区发出的光沿波导轴向传播，对上包覆层进行p型掺杂，使其更好地给有源区提供空穴；
一欧姆接触层，该欧姆接触层制作在上包覆层上，其晶格常数与衬底匹配；
一上电极，该上电极制作在欧姆接触层上，为有源区提供空穴；
一下电极，该下电极制作在减薄后的衬底上，为有源区提供电子。
2.根据权利要求1所述的InP基长波长2-3μm准量子点激光器结构，其中所述衬底为重掺杂InP(001)衬底，其掺杂元素为Si，掺杂浓度为(0.5-7)×1018/cm3。
3.根据权利要求1所述的InP基长波长2-3μm准量子点激光器结构，其中下包覆层为InP下包覆层，对InP下包覆层进行n型掺杂，掺杂元素为Si，掺杂浓度为(0.1-5)×1018/cm3，其生长厚度为0-3000nm，下包覆层为有源区提供电子，并与衬底一起对有源区发出的光进行限制，使有源区发出的光沿波导轴向传播。
4.根据权利要求1所述的InP基长波长2-3μm准量子点激光器结构，其中下波导层为InGaAsP下波导层，生长厚度为30-2000nm。
5.根据权利要求1所述的InP基长波长2-3μm准量子点激光器结构，其中1-20周期的匹配或张应变结构层中的准量子点层的生长厚度为0.7-2.5nm；压应变阱层的生长厚度为2-8nm；下阱层和上阱层的生长厚度均为1-30nm；匹配或张应变势垒层的生长厚度为5-100nm。
6.根据权利要求1所述的InP基长波长2-3μm准量子点激光器结构，其中上波导层为InGaAsP上波导层，生长厚度为30-2000nm。
7.根据权利要求1所述的InP基长波长2-3μm准量子点激光器结构，其中上包覆层为p型掺杂的InP上包覆层，掺杂元素为Be，掺杂浓度为(0.1-5)×1018/cm3，生长厚度为500-4000nm，上包覆层为有源区提供空穴，并对有源区发出的光进行限制，使有源区发出的光沿波导轴向传播。
8.根据权利要求1所述的InP基长波长2-3μm准量子点激光器结构，其中欧姆接触层为p型重掺的匹配InGaAsP、InGaAs或InP欧姆接触层，其掺杂元素为Be，掺杂浓度为(0.005-5)×1020/cm3，生长厚度为30-800nm。
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| CN1786107A (zh) * | 2004-12-09 | 2006-06-14 | 中国科学院半导体研究所 | 1.3微米高密度量子点结构及其制备方法 |
| CN1825722A (zh) * | 2005-02-25 | 2006-08-30 | 中国科学院半导体研究所 | 无铝1.3μm铟砷/镓砷量子点激光器 |
| CN101113328A (zh) * | 2006-07-27 | 2008-01-30 | 中国科学院半导体研究所 | 长波长砷化铟/砷化镓量子点材料 |
| CN101145590A (zh) * | 2006-09-13 | 2008-03-19 | 中国科学院半导体研究所 | 一种量子点材料结构及其生长方法 |
-
2010
- 2010-12-08 CN CN2010105915757A patent/CN102064472B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 黄秀颀，等.InP基多周期InAs/InAlGaAs量子点阵列的结构和光学性质.《半导体学报》.2005,第26卷(第2期), * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102064472A (zh) | 2011-05-18 |
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