CN103401144B - 红外半导体激光器有源区、半导体激光器及其制作方法 - Google Patents

红外半导体激光器有源区、半导体激光器及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种红外半导体激光器的有源区，所述有源区包括量子阱结构，所述量子阱结构中势阱层的材料为InmGa1-mAs1-nBin，所述量子阱结构中势垒层的材料为InxGa1-xAs1-yBiy，其中m=0.48～0，n=0.04～0.34；x=0.48～0.54，y=0.04～0。本发明采用InxGa1-xAs1-yBiy材料作为半导体激光器有源区的材料，基于晶格匹配生长，能够兼容DBR、DFB及垂直腔面发射激光器等其它类型激光器结构，且激光器采用无Al结构提高了器件的性能及寿命。本发明还提供了半导体激光器及其制作方法。

Description

红外半导体激光器有源区、半导体激光器及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体光电子领域，尤其涉及一种红外半导体激光器的有源区、包含该有源区的半导体激光器及其制作方法。
背景技术
辐射波长大于2μm的半导体激光器统称为中远红外半导体激光器，它在高分辨率气体分子光谱仪有日益增长的前景，是用来测量空气中微量成分的有利工具。此外在3～5μm的中红外波段，非氧化物波导，如溴化铊和硫族化合物剥离，其最低损耗可达10-2～10-5dB/km，表明有可能开辟极低损耗光通讯的新领域。非常明显，该类激光器必须是窄带系的直接跃迁型半导体。
Ⅲ-Ⅴ族半导体材料体系中虽然许多四元体系材料具有发射波长大于2μm的直接带隙组分，但是仅有AlInAsSb、InGaAsSb和InAsPSb具有与GaSb和InAs衬底晶格匹配的组分。另外，目前传统的与二元晶体晶格匹配的Ⅲ-Ⅴ族半导体材料不能应用到大于4μm的波长范围。Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体具有能够发射波长大于2μm的半导体材料，HgCdTe作为红外探测器材料已被广泛研究与应用，然而，目前只观测到HgCdTe光激励时3.8～4.1μm的受激发射和3～15μm的自发发射，未见研制成功激光二极管的报导。
发明内容
针对上述提到的现有技术的不足，本发明提出了一种红外半导体激光器的有源区，所述有源区包括量子阱结构，所述量子阱结构中势阱层的材料为InmGa1-mAs1-nBin，所述量子阱结构中势垒层的材料为InxGa1-xAs1-yBiy，其中m=0.48～0，n=0.04～0.34；x=0.48～0.54，y=0.04～0。
优选地，所述势垒层上还设置有波导层，所述波导层的材料为InxGa1-xAs1-yPy，其中x=0.53～1，y=0～1。
优选地，所述量子阱结构为单量子阱结构；所述单量子阱结构中的势垒层为渐变势垒层，势垒层的材料InxGa1-xAs1-yBiy中x、y的取值按照远离势阱层的方向分别从0.48～0.54、0.04～0连续渐变；所述波导层为渐变波导层，波导层的材料InxGa1-xAs1-yPy中x、y的取值按照远离势垒层的方向分别从0.53～1、0～1连续渐变。
优选地，所述有源区中势阱层的厚度为4～10nm，势垒层的厚度为8～20nm，波导层的厚度为100～500nm。
优选地，所述量子阱结构为多量子阱结构；所述多量子阱结构的周期数为K,K的范围是2～30。
本发明的另一目的是提供一种红外半导体激光器，该半导体激光器包括如上所述的有源区。
优选地，该半导体激光器包括依次叠层设置的N型InP衬底、N型InP缓冲层、N型InGaAsP限制层、N型InGaAsP波导层、所述有源区、P型InGaAsP波导层、P型InGaAsP限制层以及P型InP欧姆接触层。
如上所述的红外半导体激光器的制作方法，包括步骤：
一、采用MOCVD工艺或MBE工艺依次生长下列各结构层：
a）在N型InP衬底上生长N型InP缓冲层；
b）N型InGaAsP限制层，其中x=0.53～1，y=0～1；
c）N型非掺杂的InxGa1-xAs1-yPy波导层，其中x=0.53～1，y=0～1；
d）非掺杂的InxGa1-xAs1-yBiy势垒层，其中x=0.48～0.54，y=0.04～0；
e）非掺杂的InmGa1-mAs1-nBin势阱层，其中m=0.48～0，n=0.04～0.34；
f）非掺杂的InxGa1-xAs1-yBiy势垒层，其中x=0.48～0.54，y=0.04～0；
g）P型非掺杂的InxGa1-xAs1-yPy波导层，其中x=0.53～1，y=0～1；
h）P型InxGa1-xAs1-yPy限制层，其中x=0.53～1，y=0～1；
I）P型InP欧姆接触层。
优选地，所述势垒层为渐变势垒层，势垒层的材料InxGa1-xAs1-yBiy中x、y的取值按照远离势阱层的方向分别从0.48～0.54、0.04～0连续渐变；所述波导层为渐变波导层，波导层的材料InxGa1-xAs1-yPy中x、y的取值按照远离势垒层的方向分别从0.53～1、0～1连续渐变。
优选地，在完成步骤c)之后，重复步骤d)和步骤e),直至生长形成具有K个周期的多量子阱结构；其中，所述多量子阱结构的周期数K的范围是2～30。
优选地，在所述的多量子阱结构中，其中分别与N型非掺杂的InxGa1-xAs1-yPy波导层和P型非掺杂的InxGa1-xAs1-yPy波导层连接的势垒层，即所述多量子阱结构的最上层和最下层势垒层的材料InxGa1-xAs1-yBiy中，x、y的取值按照远离势阱层的方向分别从0.48～0.54、0.04～0连续渐变；所述多量子阱结构的其余势垒层的材料InxGa1-xAs1-yBiy中，x=0.53，y=0。
二、在完成上述结构后，首先经过常规的光刻、腐蚀工艺形成P型电极窗口，并热蒸发Au/Zn/Au，形成P型欧姆接触电极；在N型衬底面化学减薄后蒸发Au/Ge/Ni，形成N型欧姆接触层；然后通过电子束蒸发介质膜，腔面钝化及镀膜工艺；最后解理形成激光器芯片，再将芯片烧结到热沉上，连接引线，获得所述半导体激光器。
以上在生长半导体激光器的各结构层时，若采用MOCVD工艺，则各层N型掺杂原子为Si、Se、S或Te，P型掺杂原子为Zn、Mg或C；若采用MBE工艺，则各层N型掺杂原子为Si、Se、S、Sn或Te，P型掺杂原子为Be、Mg或C。
InGaAsBi作为一种新型的四元合金材料，与InP衬底晶格匹配的禁带宽度范围0.21-0.73eV，覆盖了中远红外波段。经过研究发现，InGaAsBi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，InGaAsBi的禁带宽度大小对温度极不敏感，基于该材料的激光器拥有极佳的温度特性。
本发明采用InGaAsBi材料作为半导体激光器有源区的材料，基于晶格匹配生长，能够兼容DBR、DFB及垂直腔面发射激光器等其它类型激光器结构，且激光器采用无Al结构提高了器件的性能及寿命；并且，该半导体激光器采用组分渐变的InGaAsBi和InGaAsP材料分别作为势垒层和波导层，可提高载流子注入效率，减少了光损耗，也降低了势阱层的界面复合速率。
附图说明
图1为本发明实施例1中制备的半导体激光器有源区的结构示意图。
图2为本发明实施例2中制备的半导体激光器有源区的结构示意图。
图3为本发明实施例中制备的半导体激光器的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图用实施例对本发明做进一步说明。
如前所述，鉴于现有技术存在的不足，本发明提供了一种红外半导体激光器的有源区，所述有源区包括量子阱结构，所述量子阱结构中势阱层的材料为InmGa1-mAs1-nBin，所述量子阱结构中势垒层的材料为InxGa1-xAs1-yBiy，其中m=0.48～0，n=0.04～0.34；x=0.48～0.54，y=0.04～0；所述有源区的禁带宽度为0.21～0.73eV，覆盖中远红外波段2～6μm。
其中，所述势垒层上还设置有波导层，所述波导层的材料为InxGa1-xAs1-yPy，其中x=0.53～1，y=0～1，所述波导层的禁带宽度为0.73～1.34eV。
实施例1
本实施例是以波长为4μm的单量子阱激光器为应用实例对本发明的技术方案作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，该红外半导体激光器的有源区500为单量子阱结构，势阱层502的材料为InmGa1-mAs1-nBin，其中In的组分m为0.008，Bi的组分n为0.028；势垒层501、503的材料为InxGa1-xAs1-yBiy，其中In与Bi的组分x、y的取值按照远离势阱层的方向分别从0.48～0.54、0.04～0连续渐变。
在本实施例中，所述势垒层501、503上还设置有波导层(附图1中未标示出)，所述波导层的材料为InxGa1-xAs1-yPy；所述波导层为渐变波导层，波导层的材料InxGa1-xAs1-yPy中x、y的取值按照远离势垒层的方向分别从0.53～1、0～1连续渐变。
在本实施例中，所述有源区中势阱层502的厚度为4～10nm，势垒层501、503的厚度为8～20nm，波导层的厚度为100～500nm。
本实施例还提供一种半导体激光器，该半导体激光器包括如上所述的有源区500。如图3所示，该半导体激光器包括依次叠层设置的N型InP衬底100、N型InP缓冲层200、N型InGaAsP限制层300、N型InGaAsP波导层400、所述有源区500、P型InGaAsP波导层600、P型InGaAsP限制层700以及P型InP欧姆接触层800。
下面介绍如上所述的红外半导体激光器的制作方法，该方法具体包括步骤：
一、采用MOCVD工艺或MBE工艺依次生长下列各结构层。
a）在N型InP衬底100上生长200nm厚的N型InP缓冲层200；
b）生长1.8μm厚的N型In0.53Ga0.47As限制层300，即N型限制层300的材料InxGa1-xAs1-yPy中，x=0.53，y=0；
c）生长200μm厚的N型非掺杂的InxGa1-xAs1-yPy波导层400，N型波导层400的材料InxGa1-xAs1-yPy中x、y的取值,按照生长的方向连续渐变，变化范围为1～0.53、1～0连续渐变；
d）生长20nm厚的非掺杂的InxGa1-xAs1-yBiy势垒层501，势垒层501的材料InxGa1-xAs1-yBiy中x、y的取值，按照生长的方向连续渐变，变化范围为0.54～0.48、0～0.04；
e）生长4-10nm厚的非掺杂的InmGa1-mAs1-nBin势阱层502，其中In的组分m为0.008，Bi的组分n为0.028；
f）生长20nm厚的非掺杂的InxGa1-xAs1-yBiy势垒层503，势垒层503的材料InxGa1-xAs1-yBiy中x、y的取值，按照生长的方向连续渐变，变化范围为0.48～0.54、0.04～0；
g）生长200nm厚的P型非掺杂的InxGa1-xAs1-yPy波导层600，P型波导层600的材料InxGa1-xAs1-yPy中x、y的取值,按照生长的方向连续渐变，变化范围为0.53～1、0～1；
h）生长1.8μm厚的P型In0.53Ga0.47As限制层700，即P型限制层700的材料InxGa1-xAs1-yPy中，x=0.53，y=0；
i）生长200-900nm厚的P型InP欧姆接触层800。
二、在完成上述结构后，首先经过常规的光刻、腐蚀工艺形成P型电极窗口，并热蒸发Au/Zn/Au，形成P型欧姆接触电极；在N面化学减薄后蒸发Au/Ge/Ni，形成N型欧姆接触层；然后通过电子束蒸发介质膜，腔面钝化及镀膜工艺；最后解理形成激光器芯片，再将芯片烧结到热沉上，连接引线，获得所述半导体激光器。
实施例2
如图2所示，本实施例提出的红外半导体激光器的有源区500为多量子阱结构，所述多量子阱结构的周期数可以是2～30。具体地，本实施例是以波长为5μm的具有5个周期的多量子阱结构,激光器为应用实例对本发明的技术方案作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
参阅图2，所述多量子阱结构有源区500包括5层势阱层502、504、506、508、510以及6层势垒层501、503、505、507、509、511；势阱层502、504、506、508、510的材料为InmGa1-mAs1-nBin，势垒层501、503、505、507、509、511的材料为InxGa1-xAs1-yBiy；其中，势阱层502、504、506、508、510的材料InmGa1-mAs1-nBin中，In的组分m为0.008，Bi的组分n为0.028；第一势垒层501和第二势垒层511的材料InxGa1-xAs1-yBiy中，In与Bi的组分x、y的取值按照远离势阱层的方向分别从0.48～0.54、0.04～0连续渐变；势垒层503、505、507、509的材料InxGa1-xAs1-yBiy中，In与Bi的组分x、y的取值为x=0.53，y=0。
需要说明的是，本发明中所述的第一势垒层和第二势垒层是指在多量子结构中的最下层和最上层势垒层。
在本实施例中，所述势垒层501、511上还设置有波导层(附图2中未标示出)，所述波导层的材料为InxGa1-xAs1-yPy；所述波导层为渐变波导层，波导层的材料InxGa1-xAs1-yPy中x、y的取值按照远离势垒层的方向分别从0.53～1、0～1连续渐变。
在本实施例中，所述有源区中势阱层502、504、506、508、510的厚度为4～12nm，第一势垒层势垒层501和第二势垒层511的厚度为8～20nm，势垒层503、505、507、509的厚度为8～20nm，波导层的厚度为100～500nm。
本实施例还提供一种半导体激光器，该半导体激光器包括如上所述的有源区500。如图3所示，该半导体激光器包括依次叠层设置的N型InP衬底100、N型InP缓冲层200、N型InGaAsP限制层300、N型InGaAsP波导层400、所述有源区500、P型InGaAsP波导层600、P型InGaAsP限制层700以及P型InP欧姆接触层800。
下面介绍如上所述的红外半导体激光器的制作方法，该方法具体包括步骤：
一、采用MOCVD工艺或MBE工艺依次生长下列各结构层：
a）在N型InP衬底100上生长200nm厚的N型InP缓冲层200；
b）生长1.8μm厚的N型InP限制层300，即N型限制层300的材料InxGa1-xAs1-yPy中，x=1，y=1；
c）生长500nm厚的N型非掺杂的InxGa1-xAs1-yPy波导层400，N型波导层400的材料InxGa1-xAs1-yPy中x、y的取值,按照生长的方向连续渐变，变化范围为1～0.53、1～0连续渐变；
d）生长10nm厚的非掺杂的InxGa1-xAs1-yBiy第一势垒层501，第一势垒层501的材料InxGa1-xAs1-yBiy中x、y的取值，按照生长的方向连续渐变，变化范围为0.53～0.48、0～0.024；
e）生长4-12nm厚的非掺杂的InmGa1-mAs1-nBin势阱层502，其中In的组分m为0.008，Bi的组分n为0.028；
f）生长8nm厚的非掺杂的InxGa1-xAs1-yBiy势垒层503，其中，x=0.53，y=0;
g）重复步骤e)和步骤f),生长完成势阱层504、506、508、510以及势垒层505、507、509；
h）在势阱层510上生长10nm厚的非掺杂的InxGa1-xAs1-yBiy第二势垒层511，第二势垒层511的材料InxGa1-xAs1-yBiy中x、y的取值，按照生长的方向连续渐变，变化范围为0.48～0.53、0.024～0；
i）生长500nm厚的P型非掺杂的InxGa1-xAs1-yPy波导层600，P型波导层600的材料InxGa1-xAs1-yPy中x、y的取值,按照生长的方向连续渐变，变化范围为0.53～1、0～1；
j）生长1.8μm厚的P型InP限制层700，即P型限制层700的材料InxGa1-xAs1-yPy中，x=1，y=1；
k）生长200-900nm厚的P型InP欧姆接触层800。
二、在完成上述结构后，首先经过常规的光刻、腐蚀工艺形成P型电极窗口，并热蒸发Au/Zn/Au，形成P型欧姆接触电极；在N型衬底面化学减薄后蒸发Au/Ge/Ni，形成N型欧姆接触层；然后通过电子束蒸发介质膜，腔面钝化及镀膜工艺；最后解理形成激光器芯片，再将芯片烧结到热沉上，连接引线，获得所述半导体激光器。
上述实施例中，各步骤均采用MOCVD(MetalOrganicChemicalVaporDeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)或MBE(MolecularBeamEpitaxy，分子束外延)方式生长；若采用MOCVD工艺，则各层N型掺杂原子为Si、Se、S或Te，P型掺杂原子为Zn、Mg或C；若采用MBE工艺，则各层N型掺杂原子为Si、Se、S、Sn或Te，P型掺杂原子为Be、Mg或C。
本发明采用InGaAsBi材料作为半导体激光器有源区的材料，基于晶格匹配生长，能够兼容DBR、DFB及垂直腔面发射激光器等其它类型激光器结构，且激光器采用无Al结构提高了器件的性能及寿命；并且，该半导体激光器采用组分渐变的InGaAsBi和InGaAsP材料分别作为势垒层和波导层，可提高载流子注入效率，减少了光损耗，也降低了势阱层的界面复合速率。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (12)

1.一种红外半导体激光器的有源区，其特征在于，所述有源区包括量子阱结构，所述量子阱结构中势阱层的材料为InmGa1-mAs1-nBin，所述量子阱结构中势垒层的材料为InxGa1-xAs1-yBiy，其中m＝0.48～0，n＝0.04～0.34；x＝0.48～0.54，y＝0.04～0；
其中，所述量子阱结构中，最底层和最顶层的势垒层为渐变势垒层，渐变势垒层的材料InxGa1-xAs1-yBiy中，x、y的取值按照远离势阱层的方向分别从0.48～0.54、0.04～0连续渐变。
2.根据权利要求1所述红外半导体激光器的有源区，其特征在于，所述势垒层上还设置有波导层，所述波导层的材料为InxGa1-xAs1-yPy，其中x＝0.53～1，y＝0～1。
3.根据权利要求2所述红外半导体激光器的有源区，其特征在于，所述量子阱结构为单量子阱结构，所述单量子阱结构中的势垒层为渐变势垒层；所述波导层为渐变波导层，波导层的材料InxGa1-xAs1-yPy中x、y的取值按照远离势垒层的方向分别从0.53～1、0～1连续渐变。
4.根据权利要求2或3所述红外半导体激光器的有源区，其特征在于，所述有源区中势阱层的厚度为4～10nm，势垒层的厚度为8～20nm，波导层的厚度为100～500nm。
5.根据权利要求1所述红外半导体激光器的有源区，其特征在于，所述量子阱结构为多量子阱结构，所述多量子阱结构的周期数为K,K的范围是2～30。
6.根据权利要求5所述红外半导体激光器的有源区，其特征在于，所述多量子阱结构包括依次叠层设置的InxGa1-xAs1-yBiy第一势垒层、InmGa1-mAs1-nBin势阱层、InxGa1-xAs1-yBiy势垒层、交替叠层设置的InmGa1-mAs1-nBin势阱层和InxGa1-xAs1-yBiy势垒层直至第K周期的InmGa1-mAs1-nBin势阱层、InxGa1-xAs1-yBiy第二势垒层，其中，所述第一、第二势垒层的材料InxGa1-xAs1-yBiy中，x、y的取值按照远离势阱层的方向分别从0.48～0.54、0.04～0连续渐变；所述InxGa1-xAs1-yBiy势垒层中,x＝0.53，y＝0；所述势阱层的材料InmGa1-mAs1-nBin中，m＝0.48～0，n＝0.04～0.34。
7.一种红外半导体激光器，其特征在于，包括如权利要求1-6任一所述的有源区。
8.根据权利要求7所述红外半导体激光器，其特征在于，该半导体激光器包括依次叠层设置的N型InP衬底、N型InP缓冲层、N型InGaAsP限制层、N型InGaAsP波导层、所述有源区、P型InGaAsP波导层、P型InGaAsP限制层以及P型InP欧姆接触层。
9.如权利要求8所述红外半导体激光器的制作方法，其特征在于，包括步骤：采用MOCVD工艺或MBE工艺依次生长下列各结构层：
a)在N型InP衬底上生长N型InP缓冲层；
b)N型InxGa1-xAs1-yPy限制层，其中x＝0.53～1，y＝0～1；
c)N型非掺杂的InxGa1-xAs1-yPy波导层，其中x＝0.53～1，y＝0～1；
d)非掺杂的InxGa1-xAs1-yBiy势垒层，其中x、y的取值按照远离势阱层的方向分别从0.48～0.54、0.04～0连续渐变；
e)非掺杂的InmGa1-mAs1-nBin势阱层，其中m＝0.48～0，n＝0.04～0.34；
f)非掺杂的InxGa1-xAs1-yBiy势垒层，其中x、y的取值按照远离势阱层的方向分别从0.48～0.54、0.04～0连续渐变；
g)P型非掺杂的InxGa1-xAs1-yPy波导层，其中x＝0.53～1，y＝0～1；
h)P型InxGa1-xAs1-yPy限制层，其中x＝0.53～1，y＝0～1；
i)P型InP欧姆接触层。
10.根据权利要求9所述红外半导体激光器的制作方法，其特征在于，所述波导层为渐变波导层，波导层的材料InxGa1-xAs1-yPy中x、y的取值按照远离势垒层的方向分别从0.53～1、0～1连续渐变。
11.如权利要求8所述红外半导体激光器的制作方法，其特征在于，包括步骤：采用MOCVD工艺或MBE工艺依次生长下列各结构层：
a)在N型InP衬底上生长N型InP缓冲层；
b)N型InxGa1-xAs1-yPy限制层，其中x＝0.53～1，y＝0～1；
c)N型非掺杂的InxGa1-xAs1-yPy波导层，其中x＝0.53～1，y＝0～1；
d)非掺杂的InxGa1-xAs1-yBiy势垒层，其中x＝0.48～0.54，y＝0.04～0；
e)非掺杂的InmGa1-mAs1-nBin势阱层，其中m＝0.48～0，n＝0.04～0.34；
f)重复步骤d)和步骤e),直至生长形成具有K个周期的多量子阱结构；
g)P型非掺杂的InxGa1-xAs1-yPy波导层，其中x＝0.53～1，y＝0～1；
h)P型InxGa1-xAs1-yPy限制层，其中x＝0.53～1，y＝0～1；
i)P型InP欧姆接触层；
其中，所述多量子阱结构的周期数K的范围是2～30；
其中，最底层和最顶层的势垒层为渐变势垒层，渐变势垒层的材料InxGa1-xAs1-yBiy中，x、y的取值按照远离势阱层的方向分别从0.48～0.54、0.04～0连续渐变。
12.如权利要求8所述红外半导体激光器的制作方法，其特征在于，包括步骤：采用MOCVD工艺或MBE工艺依次生长下列各结构层：
a)在N型InP衬底上生长N型InP缓冲层；
b)N型InxGa1-xAs1-yPy限制层，其中x＝0.53～1，y＝0～1；
c)N型非掺杂的InxGa1-xAs1-yPy波导层，其中x＝0.53～1，y＝0～1；
d)非掺杂的InxGa1-xAs1-yBiy第一势垒层，其中x、y的取值按照远离势阱层的方向分别从0.48～0.54、0.04～0连续渐变；
e)非掺杂的InmGa1-mAs1-nBin势阱层，其中m＝0.48～0，n＝0.04～0.34；
f)非掺杂的InxGa1-xAs1-yBiy势垒层，其中，x＝0.53，y＝0；
g)重复步骤e)和步骤f),直至生长到第K周期的势阱层；
h)非掺杂的InxGa1-xAs1-yBiy第二势垒层，其中x、y的取值按照远离势阱层的方向分别从0.48～0.54、0.04～0连续渐变；
i)P型非掺杂的InxGa1-xAs1-yPy波导层，其中x＝0.53～1，y＝0～1；
j)P型InxGa1-xAs1-yPy限制层，其中x＝0.53～1，y＝0～1；
k)P型InP欧姆接触层；
其中，多量子阱结构的周期数K的范围是2～30。
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