CN103545713A - 一种具有w型有源区结构的带间级联激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有W型有源区结构的带间级联激光器。该激光器是通过在GaSb衬底上，依次制备InAs／AlSb下限制层、GaSb下波导层、W型有源区、GaSb上波导层、InAs／AlSb上限制层和InAs接触层。W型有源区由InAs／AlSb电子注入区、InAs／AlSb空穴注入区和InAs／GaInSb／AlSb／GaInSb／InAs W型量子阱组成。本发明是把W型有源区结构(InAs／GaInSb／AlSb／GaInSb／InAs)和带间级联激光器结构结合而形成的。本发明公开的这种带间级联激光器，通过增加有源区内电子、空穴波函数交叠，从而提高有源区增益和激光器性能。

Description

一种具有W型有源区结构的带间级联激光器
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种具有W型有源区结构的带间级联激光器。
背景技术
据2005年BAE世界范围内的飞行器战损统计，48％战斗机、65％直升机、62％运输机的损失来自于红外制导的地空／空空导弹。美国等西方国家大量装备了3-5微米红外凝视成像制导的战术导弹、战略导弹，在战争中威胁极大。而对付其最有效地方法，就是3-5微米中红外激光对抗武器系统。
带间级联激光器(Interband Cascade Lasers,ICL)作为一种新型的激光器，工作波长可覆盖3-5μm波段。带间级联激光器(Interband CascadeLaser,ICL)的有源区是把带间直接跃迁的II型量子阱与级联的电子、空穴注入区结合起来形成的。带间跃迁的II型量子阱即克服了传统III-V族材料量子阱结构禁带范围有限的问题，可以通过调节InAs、GaInSb厚度，理论上可调节禁带宽度到零。但II型量子阱中电子与空穴分别限制在InAs与GaInSb阱中，导致有源区波函数交叠较小，从而降低了有源区增益。
发明内容
针对有源区波函数交叠较小的问题，本发明提出了一种W型有源区结构的带间级联激光器。
本发明提出的具有W型有源区结构的带间级联激光器，其是通过在GaSb衬底上，依次制备InAs／AlSb下限制层、GaSb下波导层、W型有源区、GaSb上波导层、InAs／AlSb上限制层和InAs接触层形成，其中所述W型有源区包括形状为W型的InAs／GaInSb／AlSb／GaInSb／InAs量子阱势垒层。
本发明提出的上述激光器通过在有源区InGaSb中插入空穴势垒AlSb层，增加了波函数交叠，从而提高了有源区增益，为研制高性能带间级联激光器提供了新的方法。
附图说明
图1是本发明中具有W型有源区结构的带间级联激光器的结构示意图。
图2是本发明中具有W型有源区结构的带间级联激光器的能带模拟结果图。
图3是本发明中具有W型有源区结构的带间级联激光器的制作流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明提出了一种具有W型有源区结构的带间级联激光器，通过在有源区InGaSb中插入空穴势垒AlSb层，解决了有源区波函数交叠较小的问题，从而提高了有源区增益，为研制高性能带间级联激光器提供了新的方法。
图1示出了本发明公开的一种W型有源区结构的带间级联激光器的结构示意图。如图1所示，该激光器是用分子束外延技术在GaSb衬底1上，依次制备出InAs／AlSb下限制层2、GaSb下波导层3、多个周期W型有源区4、GaSb上波导层5、InAs／AlSb上限制层6和InAs接触层7，再利用该外延片制造激光器。
其中，所述的GaSb衬底为n掺杂，厚度为优选为500um；所述W型有源区为多个周期的有源区，优选为5，且所述的W型有源区由InAs／AlSb电子注入区8、GaSb／AlSb空穴注入区9和InAs／GaInSb／AlSb／GaInSb／InAsW型量子阱10组成。所述的InAs／AlSb电子注入区由多对InAs／AlSb组成，优选为6对，厚度优选为42／12／32／12／25／12／20／12／17／12／17／25
Figure BDA0000405725030000021
中间4个InAs层中为Si掺杂，掺杂浓度优选为5×1018cm-3。所述的GaSb／AlSb空穴注入区由2对GaSb／AlSb组成，厚度分别优选为30／10／45／25
Figure BDA0000405725030000031
所述的InAs／GaInSb／AlSb／GaInSb／InAs W型量子阱，厚度分别优选为17／10／10／10／14
Figure BDA0000405725030000032
所述W型量子阱指在导带中InAs／GaInSb／AlSb／GaInSb／InAs依次按照高-低-高-低-高势垒形成状似W型的量子阱势垒层。
其中，所述的InAs／AlSb下限制层为n掺杂，厚度优选为3.2 μ m；所述的GaSb下波导层为不掺杂，厚度优选为0.2um；所述的GaSb上波导层为不掺杂，厚度为0.2um；所述的InAs／AlSb上限制层为n掺杂，厚度优选为2μm；所述的InAs接触层为n掺杂，厚度为优选为20nm。
图2示出了本发明中W型有源区结构的带间级联激光器的能带模拟结果。如图2所示，在量子阱中插入AlSb层，使量子阱形成“高-低-高-低-高”的W型能带结构。AlSb层的插入使空穴波函数由1个主峰分裂为2个分离的波函数子峰，使电子空穴的波函数交叠增加，从而增加了有源区增益，提高了激光器性能。
本发明还公开了一种具有W型有源区结构的带间级联激光器的制作方法。图3示出了该制作方法的流程图，如图3所示，其具体包括：
步骤1.将GaSb衬底放在分子束外延设备样品架上，在520℃下脱氧，然后将衬底升至550℃在锑(Sb)保护下除气15分钟；
步骤2.将衬底温度降至400℃，依次生长出InAs／AlSb下限制层、GaSb下波导层、5周期的W型有源区、GaSb上波导层、InAs／AlSb上限制层和InAs接触层。
步骤3.制备好的外延片采用标准光刻技术及干法刻蚀技术，然后分别溅射钛金合金、蒸发金锗镍／金制作P面和N面电极，从而制作成激光器。
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，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 (10)

1.一种具有W型有源区结构的带间级联激光器，其特征在于：
该激光器是通过在GaSb衬底上，依次制备InAs／AlSb下限制层、GaSb下波导层、W型有源区、GaSb上波导层、InAs／AlSb上限制层和InAs接触层。
2.如权利要求1所述的带间级联激光器，其特征在于：所述的GaSb衬底为n掺杂，厚度为500um。
3.如权利要求1所述的带间级联激光器，其特征在于：所述的InAs／AlSb下限制层为n掺杂，厚度为3.2μm。
4.如权利要求1所述的带间级联激光器，其特征在于：所述的GaSb下波导层为不掺杂，厚度为0.2um。
5.如权利要求1所述的带间级联激光器，其特征在于：所述的W型有源区还包括InAs／AlSb电子注入区和GaSb／AlSb空穴注入区和InAs／GaInSb／AlSb／GaInSb／InAs W型量子阱组成。
6.如权利要求1所述的带间级联激光器，其特征在于：所述的GaSb上波导层为不掺杂，厚度为0.2um。
7.如权利要求1所述的带间级联激光器，其特征在于：所述的InAs／AlSb上限制层为n掺杂，厚度为2μm。
8.如权利要求1所述的带间级联激光器，其特征在于：所述的InAs接触层为n掺杂，厚度为20nm。
9.如权利要求5所述的带间级联激光器，其特征在于：所述的InAs／AlSb电子注入区由6对InAs／AlSb组成，厚度分别为42／12／32／12／25／12／20／12／17／12／17／25
Figure FDA0000405725020000011
中间4个InAs层中为Si掺杂，掺杂浓度为5×1018cm-3；所述的GaSb／AlSb空穴注入区由2对GaSb／AlSb组成，厚度分别为30／10／45／25
10.如权利要求5所述的带间级联激光器，其特征在于：所述的InAs／GaInSb／AlSb／GaInSb／InAs W型量子阱，厚度分别为17／10／10／10／14
Figure FDA0000405725020000013
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