CN103579904A - 带间级联激光器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种带间级联激光器及其制备方法。该带间级联激光器在有源区InGaSb中插入InAs层，形成一空穴势垒，使得空穴波函数向两侧拓展，从而增加了空穴于电子波函数的交叠，电子空穴波函数在无外场作用下的交叠程度为15.407％，比传统的InAs/InGaSb/InAs W型量子阱无外场波函数交叠提高了5.03％，从而提高了有源区增益。

Description

带间级联激光器及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种带间级联激光器及其制备方法。
背景技术
3-5μm红外波段光发射器件可广泛应用于气体探测，红外对抗等众多方面。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3～5μm凝视成像制导的战术导弹、战略导弹，在战争中威胁极大。而对付其最有效的方法，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，简称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、InGaSb厚度，理论上可调节禁带宽度到零。
然而，对于带间级联激光器而言，II型量子阱中电子与空穴分别限制在InAs与InGaSb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
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，本发明提供了一种带间级联激光器及其制备方法，以增加有源区波函数的交叠，提高有源区增益。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种带间级联激光器。该激光器包括：GaSb衬底10，以及形成于GaSb衬底上的InAs/AlSb超晶格下限制层20、GaSb下波导层30、W型有源区40；形成于W型有源区之上的脊波导结构，包括：GaSb上波导层50、InAs/AlSb超晶格上限制层60和InAs接触层70。其中，W型有源区40包括5～10个周期的AlSb/InAs/InGaSb超晶格结构，每个超晶格结构由InAs/AlSb电子注入区41、GaSb/AlSb空穴注入区42和InAs/InGaSb/InAs/InGaSb/InAs的W型量子阱43组成，该InAs/InGaSb/InAs/InGaSb/InAs的W型量子阱43两侧InAs层为电子限制层，中间InAs层为空穴势垒层。
根据本发明的一个方面，提供了一种带间级联激光器的制备方法，该制备方法包括：步骤A，将GaSb衬底10放在分子束外延设备中；步骤B，在GaSb衬底10上依次外延生长出InAs/AlSb下限制层20、GaSb下波导层30、W型有源区40、GaSb上波导层50、InAs/AlSb上限制层60和InAs接触层70；以及步骤C，在制备好的外延片刻蚀出激光器脊条。其中，W型有源区40包括5～10个周期的AlSb/InAs/InGaSb超晶格结构，每个超晶格结构由InAs/AlSb电子注入区41、GaSb/AlSb空穴注入区42和InAs/InGaSb/InAs/InGaSb/InAs的W型量子阱43组成，该InAs/InGaSb/InAs/InGaSb/InAs的W型量子阱43两侧InAs层为电子限制层，中间InAs层为空穴势垒层。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明的带间级联激光器，在有源区InGaSb中插入InAs层，形成一空穴势垒，使得空穴波函数向两侧拓展，从而增加了空穴于电子波函数的交叠，电子空穴波函数在无外场作用下的交叠程度为15.407％，比传统的InAs/InGaSb/InAs W型量子阱无外场波函数交叠提高了5.03％，从而提高了有源区增益。
附图说明
图1为根据本发明实施例带间级联激光器的结构示意图；
图2为图1所示带间级联激光器的能带模拟图；
图3为传统的InAs/InGaSb/InAs W型量子阱波函数交叠模拟图；
图4为图1所示带间级联激光器中W型有源区结构中InAs/InGaSb/InAs/InGaSb/InAs W型量子阱波函数交叠模拟图；
图5为根据本发明实施例W型有源区结构的带间级联激光器制备方法的流程图。
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，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
本发明提供了一种带间级联激光器及其制备方法。该W型有源区结构的带间级联激光器在有源区InGaSb中插入空穴势垒InAs层，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。
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种带间级联激光器。请参照图1，该带间级联激光器包括：GaSb衬底10以及依次沉积于该GaSb衬底上的InAs/AlSb超晶格下限制层20、GaSb下波导层30、W型有源区40、GaSb上波导层50、InAs/AlSb超晶格上限制层60和InAs接触层70。其中，GaSb上波导层50、InAs/AlSb超晶格上限制层60和InAs接触层70形成脊波导结构。W型有源区40包括5～10个周期AlSb/InAs/InGaSb超晶格结构。每个超晶格结构由InAs/AlSb电子注入区41、GaSb/AlSb空穴注入区42和InAs/InGaSb/InAs/InGaSb/InAs的W型量子阱43组成。
InAs/AlSb电子注入区41由6对InAs/AlSb超晶格组成，各层厚度分别为42/12/32/12/25/12/20/12/17/12/17/25中间4个超晶格中InAs层中为Si掺杂，掺杂浓度为5×1018cm-3。本领域技术人员应当清楚，InAs/AlSb电子注入区41中InAs/AlSb超晶格的数目可以为4～8对，各层的厚度可以在上述厚度上-10％至+10％范围内调整，中间若干个超晶格中InAs层中Si掺杂的浓度只要为1018cm-3量级即可。
GaSb/AlSb空穴注入区42由2对GaSb/AlSb超晶格组成，厚度分别为30/10/45/25
Figure BDA0000410955990000033
本领域技术人员应当清楚，GaSb/AlSb空穴注入区42中GaSb/AlSb超晶格的数目可以为2～4对，各层的厚度可以在上述厚度上-10％至+10％范围内调整。
InAs/InGaSb/InAs/InGaSb/InAs的W型量子阱43中各层厚度分别为17/10/2/10/14
Figure BDA0000410955990000031
本领域技术人员应当清楚，两侧InAs层的厚度根据激光器的激射波长确定，一般介于12～30
Figure BDA0000410955990000041
之间。例如在2～5微米的激射波段，所选择的两侧InAs的厚度12～20
Figure BDA0000410955990000042
中间InAs层的厚度一般介于2～4
Figure BDA0000410955990000043
之间。
本实施例中，GaSb衬底10为n掺杂，掺杂浓度为1017/cm3量级，其厚度为500μm。InAs/AlSb超晶格下限制层20为n掺杂，掺杂浓度为1018cm-3量级，其厚度为3.2μm。GaSb下波导层30为不掺杂，其厚度为0.2μm。GaSb上波导层50为不掺杂，其厚度为0.2μm。InAs/AlSb超晶格上限制层60为n掺杂，掺杂浓度为1018cm-3量级，其厚度为2μm。InAs接触层70为n掺杂，掺杂浓度为1018cm-3量级，厚度为20nm。本领域技术人员应当清楚，GaSb衬底10、InAs/AlSb超晶格下限制层20、GaSb下波导层30、GaSb上波导层50、InAs/AlSb超晶格上限制层60、InAs接触层70等层的厚度和需要进行调整。
图2为图1所示W带间级联激光器的能带模拟图。由图2可以看出：W型有源区域由InAs/AlSb电子注入区41、GaSb/AlSb空穴注入区42和InAs/InGaSb/InAs/InGaSb/InAs的W型量子阱组成(43)，在外加电场作用下，上一级空穴能级与下一级电子能级持平；电子通过重掺杂注入区隧穿进入下一级”W”型复合区中的电子限制区InAs层，空穴通过空穴注入区进入”W”型复合区中的电子限制区In0.35GaSb层，同时In0.35GaSb层中插入InAs层有助于增强空穴电子电子波函数交叠；注入的电子与空穴在”W”型复合区复合发光。
图3为传统的InAs/InGaSb/InAs W型量子阱波函数交叠模拟图。图4为图1所示带间级联激光器中W型有源区结构中InAs/InGaSb/InAs/InGaSb/InAs W型量子阱波函数交叠模拟图。如图3和图4所示，本实施例带间级联激光器中电子空穴波函数在无外场作用下的交叠程度为15.407％，比传统的InAs/InGaSb/InAs W型量子阱无外场波函数交叠提高了5.03％。
至此，本实施例W型有源区结构的带间级联激光器介绍完毕。
本发明还提供了一种W型有源区结构的带间级联激光器的制备方法。以制备图1所示W型有源区结构的带间级联激光器为例，请参照图5，该制备方法包括：
步骤A，将GaSb衬底10放在分子束外延设备样品架上，在520℃脱氧，然后将衬底升至570℃在Sb保护下除气15分钟。
步骤B，将衬底温度降至460℃，依次外延生长出InAs/AlSb下限制层、GaSb下波导层、5个周期AlSb/InAs/InGaSb超晶格结构的W型有源区、GaSb上波导层、InAs/AlSb上限制层和InAs接触层。
其中，制备5周期W型有源区的步骤包括：
子步骤B1，生长InAs/AlSb电子注入区，各层厚度分别为42/12/32/12/25/12/20/12/17/12/17/25中间4个超晶格中InAs层中为Si的n型掺杂，掺杂浓度为5×1018cm-3；
子步骤B2，生长GaSb/AlSb空穴注入区，由2对GaSb/AlSb超晶格组成，厚度分别为30/10/45/25
Figure BDA0000410955990000052
子步骤B3，生长InAs/InGaSb/InAs/InGaSb/InAs的W型量子阱，厚度分别为17/10/2/10/14
Figure BDA0000410955990000053
子步骤B4，重复子步骤B1～B3，生长5周期W型有源区。
步骤C，采用标准光刻技术及干法刻蚀技术，在制备好的外延片刻蚀出激光器脊条，脊条宽度为50μm；
步骤D，淀积200nm的SiO2介质层，采用标准光刻技术与BOE腐蚀液在外延片的预设位置制备40μm电极窗口；
步骤E，在制备的电极窗口溅射厚度分别为50nm/50nm/300nm的Ti/Pt/Au，制作N型正面电极；
步骤F，将GaSb衬底减薄至100～150μm，抛光之后，溅射AuGeNi/Au，厚度为50nm/5μm，制备N型背面电极，其中电极的金淀积厚度为5微米，增加了器件的散热；
步骤G，解离管芯，倒装焊在Cu热沉上，从而制作成带间级联激光器。
至此，本实施例W型有源区结构的带间级联激光器的制备方法介绍完毕。
至此，已经结合附图对本发明两实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明带间级联激光器及其制备方法有了清楚的认识。
此外，上述对各元件、方法的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构、形状或方法，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如：
(1)激光器除了可以制备为边发射脊条型激光器，还可以制备DFB形式、圆碟型激光器；
(2)正面的N型电极还可以采用淀积AuGeNi/Au，厚度为50nm/300nm来代替溅射Ti/Pt/Au，厚度分别为50nm/50nm/300nm。
综上所述，本发明W型有源区结构的带间级联激光器，在有源区InGaSb中插入空穴势垒InAs层，在InGaSb阱中形成空穴势垒，使得空穴波函数向两侧拓展，从而增加了空穴于电子波函数的交叠，从而提高了有源区增益。
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 (10)

1.一种带间级联激光器，其特征在于，包括：
GaSb衬底(10)，以及
形成于所述GaSb衬底上的InAs/AlSb超晶格下限制层(20)、GaSb下波导层(30)、W型有源区(40)；以及
形成于所述W型有源区之上的脊波导结构，包括：GaSb上波导层(50)、InAs/AlSb超晶格上限制层(60)和InAs接触层(70)；
其中，所述W型有源区(40)包括5～10个周期的AlSb/InAs/InGaSb超晶格结构，每个超晶格结构由InAs/AlSb电子注入区(41)、GaSb/AlSb空穴注入区(42)和InAs/InGaSb/InAs/InGaSb/InAs的W型量子阱(43)组成，该InAs/InGaSb/InAs/InGaSb/InAs的W型量子阱(43)中，两侧InAs层为电子限制层，中间InAs层为空穴势垒层。
2.根据权利要求1所述的带间级联激光器，其特征在于，所述InAs/InGaSb/InAs/InGaSb/InAs的W型量子阱(43)中，所述电子限制层InAs层的厚度介于12～30之间，所述空穴势垒层InAs层厚度介于2～4
Figure FDA0000410955980000012
之间。
3.根据权利要求2所述的带间级联激光器，其特征在于，所述InAs/InGaSb/InAs/InGaSb/InAs的W型量子阱(43)中，各层的厚度分别为17/10/2/10/14
Figure FDA0000410955980000013
4.根据权利要求1所述的带间级联激光器，其特征在于，所述InAs/AlSb电子注入区(41)由4～8对的InAs/AlSb超晶格组成，中间若干个InAs/AlSb超晶格中InAs层中Si掺杂的浓度满足1018cm-3量级。
5.根据权利要求4所述的带间级联激光器，其特征在于，所述InAs/AlSb电子注入区(41)1由6对InAs/AlSb超晶格组成，各层厚度分别为42/12/32/12/25/12/20/12/17/12/17/25中间4个超晶格中InAs层为Si掺杂，掺杂浓度为5×1018cm-3。
6.根据权利要求1所述的带间级联激光器，其特征在于，所述GaSb/AlSb空穴注入区(42)由2～4对的GaSb/AlSb超晶格组成。
7.根据权利要求6所述的带间级联激光器，其特征在于，所述GaSb/AlSb空穴注入区(42)由2对GaSb/AlSb超晶格组成，厚度分别为30/10/45/25
Figure FDA0000410955980000021
8.根据权利要求1至7中任一项所述的带间级联激光器，其特征在于，所述GaSb衬底(10)为n掺杂，掺杂浓度为1017/cm3量级；
所述InAs/AlSb超晶格下限制层(20)为n掺杂，掺杂浓度为1018cm-3量级；所述GaSb下波导层(30)为不掺杂；所述GaSb上波导层(50)为不掺杂；所述InAs/AlSb超晶格上限制层(60)为n掺杂，掺杂浓度为1018cm-3量级；InAs接触层70为n掺杂，掺杂浓度为1018cm-3量级。
9.一种用于制备权利要求1至8中任一项带间级联激光器的方法，其特征在于，包括：
步骤A，将GaSb衬底(10)放在分子束外延设备中；
步骤B，在GaSb衬底(10)上依次外延生长出InAs/AlSb下限制层(20)、GaSb下波导层(30)、W型有源区(40)、GaSb上波导层(50)、InAs/AlSb上限制层(60)和InAs接触层(70)；以及
步骤C，在制备好的外延片刻蚀出激光器脊条；
其中，所述W型有源区(40)包括5～10个周期的AlSb/InAs/InGaSb超晶格结构，每个超晶格结构由InAs/AlSb电子注入区(41)、GaSb/AlSb空穴注入区(42)和InAs/InGaSb/InAs/InGaSb/InAs的W型量子阱(43)组成，该InAs/InGaSb/InAs/InGaSb/InAs的W型量子阱(43)两侧InAs层为电子限制层，中间InAs层为空穴势垒层。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：
步骤D，淀积200nm的SiO2介质层，在外延片的预设位置制备40μm电极窗口；
步骤E，在所述电极窗口制备N型正面电极；
步骤F，在GaSb衬底的背面制备N面背面电极；
步骤G，解离管芯，倒装焊在热沉上，从而制作成带间级联激光器。
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