CN103280695B - 长波长GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长波长GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器，包括顺次连接的下限制层、下波导层、有源区、上波导层、电子阻挡层、上限制层、欧姆接触层，其中，所述有源区采用GaNAsBi/GaAs多量子阱结构。本发明可降低激光器阈值电流，提高激光器增益，实现无制冷工作，适合面发射激光器等多类激光器，其生产成本低于InP基激光器，且该多量子阱激光器有源区不含Al，可降低生长工艺的难度，提高激光器的良率和寿命。

Description

长波长GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器及其制备方法

【技术领域】

本发明涉及半导体光电子领域，尤其涉及一种长波长GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器及其制备方法。

【背景技术】

20世纪70年代以来，光纤通信技术得到了飞速的发展，作为最佳传输光源的半导体激光器在其中占据着非常重要的位置。由于在1550nm的长波长波段对应光纤传输系统的最低损耗窗口，适合长距离光纤通信，因此对1550nm半导体激光器的研究十分活跃。

目前，实现商业化的1550nm半导体激光器以InGaAsP/InP和InAlGaAs/InP材料体系为主。然而，InGaAsP/InP激光器依然难以在85℃以上的温度无制冷工作。为了适应恶劣环境温度的要求（-25℃-85℃），在此类激光器的发射模块中需要复杂、昂贵的制冷器、温控器、外围控制电路等设备。对于InAlGaAs/InP激光器，由于所含Al原子具有较高的氧化速率，这不仅会增加生长工艺的难度，还会带来更高的非辐射复合速率，导致含Al激光器的良率和寿命均不及无Al激光器。为了解决这一问题，正在开发的另一种覆盖了1550nm波段的替代材料体系是InGaNAs/GaAs。迄今，对于InGaNAs/GaAs材料体系，将N组分提高到10%仍很困难，且掺入N原子易引入缺陷，因此基于该材料体系的激光器还处于起步阶段。

作为一种新型的四元合金材料，研究发现GaNAsBi材料不仅覆盖了光纤通信的长波长波段，而且可以独立调节材料的禁带宽度和晶格常数。与此同时，GaNAsBi材料的导带带阶比(ΔEc/ΔEg≈0.7)比InGaAsP的高，有利于降低激光器的阈值电流并提高特征温度。特别地，GaNAsBi的禁带宽度对温度极不敏感，因而基于该材料的激光器拥有极佳的温度特性，在WDM光纤通信系统中颇具应用前景。因此，GaNAsBi将是一种可实现1550nm无制冷激光器的优良材料。

【发明内容】

针对现有1550nm半导体激光器的不足，本发明的目的之一在于提出一种基于GaNAsBi/GaAs材料体系的1550nm多量子阱激光器。该多量子阱激光器以无Al的GaNAsBi/GaAs量子阱作为有源区，可实现对注入载流子的有效限制，具有较高的特征温度，极低的温度系数，可实现非制冷工作，同时提高激光器良率和寿命。

本发明的另一目的在于提出所述的GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器的制备方法。

为达到上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

所述的长波长GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器自包括顺次连接的下限制层、下波导层、有源区、上波导层、电子阻挡层、上限制层、欧姆接触层，其中，其中，所述有源区采用GaNAsBi/GaAs多量子阱结构。

作为一种优选实施方式：所述GaNAsBi/GaAs多量子阱包含3个周期，以GaAs作为势垒层，GaNAsBi作为势阱层，与GaAs形成1%的压应变，其中N的组分为2.28%，Bi的组分为3.25%。

优选的，所述长波长GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器外延生长在GaAs衬底上。

优选的，所述下限制层为N型AlGaAs下限制层，由N型AlGaAs层构成，Al的组分为15%。

对应的，所述上限制层为P型AlGaAs上限制层，由P型AlGaAs层构成，Al的组分为15%。

对应的，所述电子阻挡层为P型AlGaAs电子阻挡层，位于所述AlGaAs上波导层和所述上限制层之间，Al的组分为20%

优选的，所述下限制层为N型GaInP下限制层，由N型GaInP层构成，Ga的组分为52%。

对应的，所述上限制层为P型GaInP上限制层，由P型GaInP层构成，Ga的组分为52%。

对应的，所述电子阻挡层为P型GaInP电子阻挡层，位于所述AlGaAs上波导层和所述P型GaInP上限制层之间，Al的组分为40%。

优选的，所述下波导层为AlGaAs下波导层，由分别限制结构构成，Al的组分为8%。

对应的，所述上波导层为AlGaAs上波导层，由分别限制结构构成，Al的组分为8%。

优选的，所述欧姆接触层，为P型GaAs欧姆接触层。

所述的长波长GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

步骤一：所述长波长GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器依次按以下顺序进行生长：

(1)：在N型GaAs衬底上生长N型AlGaAs或GaInP下限制层；

(2)：生长AlGaAs下波导层；

(3)：生长GaNAsBi/GaAs多量子阱有源区；

(4)：生长AlGaAs上波导层；

(5)：生长P型AlGaAs电子阻挡层；

(6)：生长与所述N型AlGaAs下限制层相对应的P型AlGaAs上限制层，或与所述N型GaInP下限制层相对应的P型GaInP上限制层；

(7)：生长P型GaAs欧姆接触层；

步骤二：所述长波长GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器按以下工艺步骤制备：

完成步骤一中所述的生长结构后，首先通过电子束蒸发介质膜，再经过常规的光刻、腐蚀工艺形成P型电极窗口，然后热蒸发Au/Zn/Au，形成P型欧姆接触电极，然后N面化学减薄后蒸发Au/Ge/Ni，形成N型欧姆接触层，然后经过解理形成激光器芯片，再将芯片烧结到热沉上，经过引线，获得目标激光器。

优选的，所述N型AlGaAs或GaInP下限制层，包含N型掺杂AlGaAs或GaInP层；

优选的，所述AlGaAs下波导层，包含非掺杂AlGaAs层；

优选的，所述GaNAsBi/GaAs多量子阱有源区，包括依次间隔排列的4个GaAs势垒层和3个GaNAsBi势阱层，形成3周期多量子阱结构；

优选的，所述AlGaAs上波导层，包含非掺杂层AlGaAs；

优选的，所述P型AlGaAs电子阻挡层，包含P型掺杂AlGaAs层；

优选的，所述与所述N型AlGaAs下限制层相对应的P型AlGaAs上限制层，包含P型掺杂AlGaAs层，或所述与所述N型GaInP下限制层相对应的P型GaInP上限制层，包含P型掺杂GaInP层；

优选的，所述P型GaAs欧姆接触层，包含P型重掺杂GaAs欧姆接触层；

优选的，所述长波长GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器外延由MOCVD法或MBE法生长而成。

具体的，若所述长波长GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器外延由MOCVD法生长而成，则N型杂质原子为Si、Se、S或Te，P型掺杂原子为Zn、Mg或C；若所述长波长GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器外延由MBE法生长而成，则N型掺杂原子为Si、Se、S、Sn或Te，P型掺杂原子为Be、Mg或C。

与现有的激光器相比，本发明具有如下优点：

1、本发明的GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器以新型GaNAsBi/GaAs材料体系作为有源区，该类激光器具有较高的特征温度，可实现无制冷工作；具有极低的温度系数，输出波长在大范围温度内保持稳定；可对注入载流子进行有效的限制，降低阈值电流，提高增益；

2、本发明的GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器在上波导层和上限制层之间引入了电子阻挡层，能够进一步有效阻止载流子溢出有源区，从而进一步降低阈值电流，提高增益；

3、本发明的GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器的有源区结构能够和GaAs/AlAs布拉格反射器兼容，可推广至面发射激光器等其他类型激光器；

4、本发明的GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器结构有源区不含Al，可避免含Al激光器在生长和使用过程中由Al氧化带来的性能退化问题，从而降低生长工艺难度，提高激光器良率和寿命；

5、本发明的GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器外延在GaAs衬底上生长，具有比InP基激光器更低的生产成本。

【附图说明】

图1是本发明实施例提供的长波长GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器的结构图。

包括：N型GaAs衬底01，N型AlGaAs（或GaInP）下限制层02、AlGaAs下波导层03、GaNAsBi/GaAs多量子阱有源区06、AlGaAs上波导层07、P型AlGaAs电子阻挡层08、P型AlGaAs或GaInP上限制层09、P型GaAs欧姆接触层10；

其中：

N型AlGaAs或GaInP下限制层包含N型掺杂AlGaAs或GaInP层02；

AlGaAs下波导层包含非掺杂AlGaAs层03；

GaNAsBi/GaAs多量子阱有源区包含依次间隔排列的4个GaAs势垒层04和3个GaNAsBi势阱层05，形成3周期多量子阱结构06；

AlGaAs上波导层包含非掺杂AlGaAs层07；

P型AlGaAs电子阻挡层包含P型掺杂AlGaAs层08；

P型AlGaAs或GaInP上限制层包含P型掺杂AlGaAs或GaInP层09；

P型GaAs欧姆接触层包含P型重掺杂GaAs欧姆接触层10。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的之一在于提出一种长波长GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器，为达到上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

所述的长波长GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器自包括顺次连接的下限制层、下波导层、有源区、上波导层、电子阻挡层、上限制层、欧姆接触层，其中，其中，所述有源区采用GaNAsBi/GaAs多量子阱结构。

作为一种优选实施方式：所述GaNAsBi/GaAs多量子阱包含3个周期，以GaAs作为势垒层，GaNAsBi作为势阱层，与GaAs形成1%的压应变，其中N的组分为2.28%，Bi的组分为3.25%。

优选的，所述长波长GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器外延生长在GaAs衬底上。

优选的，所述下限制层为N型AlGaAs下限制层，由N型AlGaAs层构成，Al的组分为15%。

对应的，所述上限制层为P型AlGaAs上限制层，由P型AlGaAs层构成，Al的组分为15%。

对应的，所述电子阻挡层为P型AlGaAs电子阻挡层，位于所述AlGaAs上波导层和所述上限制层之间，Al的组分为20%

优选的，所述下限制层为N型GaInP下限制层，由N型GaInP层构成，Ga的组分为52%。

对应的，所述上限制层为P型GaInP上限制层，由P型GaInP层构成，Ga的组分为52%。

对应的，所述电子阻挡层为P型GaInP电子阻挡层，位于所述AlGaAs上波导层和所述P型GaInP上限制层之间，Al的组分为40%。

优选的，所述下波导层为AlGaAs下波导层，由分别限制结构构成，Al的组分为8%。

对应的，所述上波导层为AlGaAs上波导层，由分别限制结构构成，Al的组分为8%。

优选的，所述欧姆接触层，为P型GaAs欧姆接触层。

所述的长波长GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

步骤一：所述长波长GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器依次按以下顺序进行生长：

(1)：在N型GaAs衬底上生长N型AlGaAs或GaInP下限制层；

(2)：生长AlGaAs下波导层；

(3)：生长GaNAsBi/GaAs多量子阱有源区；

(4)：生长AlGaAs上波导层；

(5)：生长P型AlGaAs电子阻挡层；

(6)：生长与所述N型AlGaAs下限制层相对应的P型AlGaAs上限制层，或与所述N型GaInP下限制层相对应的P型GaInP上限制层；

(7)：生长P型GaAs欧姆接触层；

步骤二：所述长波长GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器按以下工艺步骤制备：

完成步骤一中所述的生长结构后，首先通过电子束蒸发介质膜，再经过常规的光刻、腐蚀工艺形成P型电极窗口，然后热蒸发Au/Zn/Au，形成P型欧姆接触电极，然后N面化学减薄后蒸发Au/Ge/Ni，形成N型欧姆接触层，然后经过解理形成激光器芯片，再将芯片烧结到热沉上，经过引线，获得目标激光器。

优选的，所述N型AlGaAs或GaInP下限制层，包含N型掺杂AlGaAs或GaInP层；

优选的，所述AlGaAs下波导层，包含非掺杂AlGaAs层；

优选的，所述GaNAsBi/GaAs多量子阱有源区，包括依次间隔排列的4个GaAs势垒层和3个GaNAsBi势阱层，形成3周期多量子阱结构；

优选的，所述AlGaAs上波导层，包含非掺杂层AlGaAs；

优选的，所述P型AlGaAs电子阻挡层，包含P型掺杂AlGaAs层；

优选的，所述与所述N型AlGaAs下限制层相对应的P型AlGaAs上限制层，包含P型掺杂AlGaAs层，或所述与所述N型GaInP下限制层相对应的P型GaInP上限制层，包含P型掺杂GaInP层；

优选的，所述P型GaAs欧姆接触层，包含P型重掺杂GaAs欧姆接触层；

优选的，所述长波长GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器外延由MOCVD法或MBE法生长而成。

具体的，若所述长波长GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器外延由MOCVD法生长而成，则N型杂质原子为Si、Se、S或Te，P型掺杂原子为Zn、Mg或C；若所述长波长GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器外延由MBE法生长而成，则N型掺杂原子为Si、Se、S、Sn或Te，P型掺杂原子为Be、Mg或C。

实施例一：如图1，当采用AlGaAs作为上、下限制层时，所述的长波长GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器的制备方法包括下列步骤：

(一)用MOCVD方法生长所述的长波长GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器，其结构如图1所示：

(1)在N型GaAs衬底01生长N型掺杂约2×10¹⁸cm^-3的0.2微米AlGaAs层，Al组分为15%，形成下限制层02；

(2)生长0.1微米非掺杂的AlGaAs层，Al组分为8%，形成下波导层03；

(3)交替生长10纳米GaAs势垒层04(4个)和5.5纳米1%压应变的GaNAsBi势阱层05(3个)，其中N组分约为2.28%，Bi组分约为3.25%，形成3周期多量子阱结构，形成所述激光器的有源区06；

(4)生长0.1微米非掺杂的AlGaAs层，Al组分8%，形成上波导层07；

(5)生长P型掺杂浓度约为3×10¹⁸cm^-3的0.01微米AlGaAs层，Al组分为20%，形成电子阻挡层08；

(6)生长P型掺杂浓度约为3×10¹⁸cm^-3的0.2微米的AlGaAs层，Al组分为15%，形成上限制层09；

(7)然后生长P型掺杂浓度约为2×10¹⁹cm^-3的0.2微米的P型GaAs欧姆接触层10。

(二)制备工艺

完成上述结构后，通过电子束蒸发0.1微米的SiO₂介质膜，再经过常规的光刻、腐蚀工艺形成P型电极窗口（宽度为200微米），然后热蒸发Au/Zn/Au，形成P型欧姆接触电极。N面化学减薄至约100微米后蒸发Au/Ge/Ni，形成N型欧姆接触层。合金温度为420℃，合金气氛为H₂。经过解理形成激光器芯片，再将芯片烧结到热沉上，经过引线，获得目标激光器。

实施例2：如图1，当采用GaInP作为上、下限制层时，所述的长波长GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器的制备方法包括下列步骤：

(一)用MOCVD方法生长长波长GaNAsBi/GaInP多量子阱激光器，其结构如图1所示：

(1)在N型GaAs衬底01生长N型掺杂约2×10¹⁸cm^-3的0.2微米GaInP层，Al组分为52%，形成下限制层02；

(2)生长0.1微米非掺杂的AlGaAs层，Al组分为8%，形成下波导层03；

(3)交替生长10纳米GaAs势垒层04(4个)和5.5纳米1%压应变的GaNAsBi势阱层05(3个)，其中N组分约为2.28%，Bi组分约为3.25%，形成3周期多量子阱结构，形成所述激光器的有源区06；

(4)生长0.1微米非掺杂的AlGaAs层，Al组分8%，形成上波导层07；

(5)生长P型掺杂浓度约为3×10¹⁸cm^-3的0.01微米AlGaAs层，Al组分为40%，形成电子阻挡层08；

(6)生长P型掺杂浓度约为3×10¹⁸cm^-3的0.2微米的GaInP层，Ga的组分为52%，形成上限制层09；

(7)然后生长P型掺杂浓度约为2×10¹⁹cm^-3的0.2微米的P型GaAs欧姆接触层10。

(二)制备工艺

完成上述结构后，通过电子束蒸发0.1微米的SiO₂介质膜，再经过常规的光刻、腐蚀工艺形成P型电极窗口（宽度为200微米），然后热蒸发Au/Zn/Au，形成P型欧姆接触电极。N面化学减薄至约100微米后蒸发Au/Ge/Ni，形成N型欧姆接触层。合金温度为420℃，合金气氛为H₂。经过解理形成激光器芯片，再将芯片烧结到热沉上，经过引线，获得目标激光器。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明公开的量纲和值不旨在被用于严格地限于所述的精确值。相反，除非另外指明，每个这样的量纲和值旨在表述所述值以及围绕该值功能上等同的范围。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种长波长GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器，其特征在于：包括顺次连接的下限制层、下波导层、有源区、上波导层、电子阻挡层、上限制层、欧姆接触层，其中，所述有源区采用GaNAsBi/GaAs多量子阱结构；

所述长波长GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器外延生长在GaAs衬底上；

所述下限制层为N型AlGaAs下限制层，由N型AlGaAs层构成，Al的组分为15％；或所述下限制层为N型GaInP下限制层，由N型GaInP层构成，Ga的组分为52％；

所述下波导层为AlGaAs下波导层，由AlGaAs分别限制结构构成，Al的组分为8％；

所述GaNAsBi/GaAs多量子阱包含3个周期，以GaAs作为势垒层，GaNAsBi作为势阱层，与GaAs形成1％的压应变，其中N的组分为2.28％，Bi的组分为3.25％；

所述上波导层为AlGaAs上波导层，由AlGaAs分别限制结构构成，Al的组分为8％；

所述电子阻挡层为P型AlGaAs电子阻挡层，位于所述AlGaAs上波导层和所述上限制层之间，Al的组分为20％；或所述电子阻挡层为P型GaInP电子阻挡层，位于所述AlGaAs上波导层和所述P型GaInP上限制层之间，Al的组分为40％；

所述上限制层为P型AlGaAs上限制层，由P型AlGaAs层构成，Al的组分为15％；或所述上限制层为P型GaInP上限制层，由P型GaInP层构成，Ga的组分为52％；

所述欧姆接触层，为P型GaAs欧姆接触层。

2.一种如权利要求1所述的长波长GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤一：所述长波长GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器依次按以下顺序进行生长：

(1)：在N型GaAs衬底上生长N型AlGaAs或GaInP下限制层；

(2)：生长AlGaAs下波导层；

(3)：生长GaNAsBi/GaAs多量子阱有源区；

(4)：生长AlGaAs上波导层；

(5)：生长P型AlGaAs电子阻挡层；

(6)：生长与所述N型AlGaAs下限制层相对应的P型AlGaAs上限制层，或与所述N型GaInP下限制层相对应的P型GaInP上限制层；

(7)：生长P型GaAs欧姆接触层；

步骤二：所述长波长GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器按以下工艺步骤制备：

完成步骤一中所述的生长结构后，首先通过电子束蒸发介质膜，再经过常规的光刻、腐蚀工艺形成P型电极窗口，然后热蒸发Au/Zn/Au，形成P型欧姆接触电极，然后N面化学减薄后蒸发Au/Ge/Ni，形成N型欧姆接触层，然后经过解理形成激光器芯片，再将芯片烧结到热沉上，经过引线，获得目标激光器。

3.如权利要求2所述的长波长GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器的制备方法，其特征在于：

所述N型AlGaAs或GaInP下限制层，包含N型掺杂AlGaAs或GaInP层；

所述AlGaAs下波导层，包含非掺杂AlGaAs层；

所述GaNAsBi/GaAs多量子阱有源区，包括依次间隔排列的4个GaAs势垒层和3个GaNAsBi势阱层，形成3周期多量子阱结构；

所述AlGaAs上波导层，包含非掺杂层AlGaAs；

所述P型AlGaAs电子阻挡层，包含P型掺杂AlGaAs层；

所述与所述N型AlGaAs下限制层相对应的P型AlGaAs上限制层，包含P型掺杂AlGaAs层，或所述与所述N型GaInP下限制层相对应的P型GaInP上限制层，包含P型掺杂GaInP层；

所述P型GaAs欧姆接触层，包含P型重掺杂GaAs欧姆接触层。

4.如权利要求2或3所述的长波长GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器的制备方法，其特征在于，所述长波长GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器外延由MOCVD法或MBE法生长而成。

5.如权利要求4所述的长波长GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器的制备方法，其特征在于：

若所述长波长GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器外延由MOCVD法生长而成，则N型杂质原子为Si、Se、S或Te，P型掺杂原子为Zn、Mg或C；

若所述长波长GaNAsBi/GaAs多量子阱激光器外延由MBE法生长而成，则N型掺杂原子为Si、Se、S、Sn或Te，P型掺杂原子为Be、Mg或C。