CN104037618A - 一种GaAs基近红外波段含Sb多层量子点与非对称量子阱耦合激光器结构 - Google Patents

Abstract

本发明是一种GaAs基近红外波段含Sb多层量子点与非对称量子阱耦合激光器结构，即采用生长的多层InGaSb量子点与能带非对称量子阱耦合结构，来提高激光器材料、器件的性能。这种创意会在很大程度上增大量子点的体密度，增加对载流子的俘获能力，对量子点分布的均匀性也有所改善，增加量子点的尺寸和引入Sb基量子点，能够使发光谱峰向通讯波段的长波长移动，波长可以覆盖1.5μm，从而达到拓展波长、提高激光器特征温度和降低阈值电流等目的。这一结构再加之GaAs基工艺的成熟性，易于与现有光电子器件集成等特点，GaAs基长波长含Sb量子点激光器将具有十分广阔的应用前景，对实现性能优异的中红外半导体激光器将具有重要意义。

Description

一种GaAs基近红外波段含Sb多层量子点与非对称量子阱耦合激光器结构

技术领域

本发明涉及半导体激光器材料技术领域，属于半导体激光器结构设计和材料外延生长技术领域。

背景技术

近红外波段半导体激光器在通信、测高、测距和遥感等方面有着广泛的应用。研究位于该波段的低维半导体激光光源已经成为半导体研究领域中的国际前沿和热点之一。

以III-V族化合物为代表的激光器材料是目前研究最为深入和广泛的材料体系。例如，可见光波段，主要以宽禁带的GaN材料为主要；近红外波段，GaAs基材料和InP基材料互为补充，特别是1.3μm和1.55μm两个重要的通信窗口波段，国际上已有性能优异的商用器件；2μm波段中红外波段，Sb化物材料具有很大的优势。目前，大部分带间跃迁的中红外波段III-V族材料的研究也多集中于Sb化物材料。

目前，在近红外波段，主要是针对光纤通信系统和半导体光子集成而言，波长范围在1.5-1.9μm激光器产品主要是InGaAsP/InP基材料体系研究比较成熟，并且在光纤通信、光互连、光存储以及激光器泵浦等以单元器件为基础的集成上取得了一定的成功。但是，由于InGaAsP和InP的折射率差异较小，且对有源区载流子的限制不足，导致激光器的温度稳定性和性能较差。通常，InGaAsP/InP基半导体激光器的特征温度只有60-70K，过低的温度特性容易造成激光器的阈值电流升高和微分量子效率下降，进而影响器件的输出功率。而且，在与以GaAs和Si基为主的、高度发展的微电子大规模集成上兼容性也很差；同时，由于InP基材料折射率差别小，在制备垂直腔面发射激光器等功能单片集成器件方面存在很大困难，限制了其进一步的应用。高应变的In(Al)GaAs材料体系波长虽然可以覆盖到1.5μm，但波长拓展较为困难。InGaAsN材料体系曾被认为是有望替代InGaAsP材料体系的材料，N的高浓度掺入难度很大，很难获得高质量的长波长材料，而且将锑引入用来制备长波长材料仍处于实验室阶段。

Sb化物材料被认为是第四代半导体材料，许多优异的性能正在逐渐显现，已经成为半导体材料研究的前沿和热点领域之一，但从Sb化物研究本身来看，I型InGaAsSb/AlGaAsSb量子阱激光器虽然波长可以覆盖1.7-3.5μm，研究也取得了很大进步，但在材料外延生长和制备工艺上会遇到许多难点，诸如材料质量不高，工艺复杂、重复性差等问题。虽然经过近20年的发展，器件的性能仍然无法与GaAs基和InP基材料相比；II型的InAs/GalnSb材料至今没 有2μm以下的报道，因此发展一种波长位于1.5μm波段的新型、高效的半导体激光器材料和结构将具有非常重要的意义。

这就需要在新型激光器材料结构、激光器制作工艺、外延生长技术等方面有针对性地提出创新思路，以解决不利因素的影响。

上世纪七十年代初期，随着低维半导体结构和超晶格概念的提出，引发了半导体材料和光电器件研究的热潮。近三十年来，伴随着金属有机物化学气相沉积(MOCVD)和分子束外延(MBE)等薄膜生长制备技术的日益成熟，新型低维半导体结构的研究和应用在理论和实验上都取得了重大突破，使得这门学科的研究越来越引起世界各国政府、科技界和信息产业界的高度重视。人们也越来越坚信，新型低维半导体结构和新材料的研究必将为其进一步应用发挥出巨大潜力。同时，对这一领域的研究，还揭示出了大量的新的构思和物理效应。“能带工程”、“纳米技术”、“掺杂工程”和“微腔技术”等创新技术的发展和应用对其也产生了重要的影响。

量子点因为具有类似于原子的分立能级，以其作为有源区的激光器理论上具有阈值低、光增益大、特征温度高和调制带宽范围大等优点。现今，最广泛的制备量子点的方法是自组织方法，其优点在于：量子点缺陷少，界面质量好，量子点密度较高等。但是，其缺点是量子点的尺寸分布不均匀、几何形状和密度难以控制，且发光波长多集中在1.1-1.3μm附近，在向长波长拓展上遇到了很大困难。如何提高量子点材料的均匀性，有效拓展量子点的发光波长成为重要的研究方向。制备发光波长位于1.5-1.9μm这样一波段量子点激光器，成为进一步研究量子点激光器所要解决的关键问题之一。

发明内容

本发明专利是一种GaAs基近红外波段含Sb多层量子点与非对称量子阱耦合激光器结构，即采用生长的多层InGaSb量子点与量子阱耦合结构，来提高激光器材料、器件的性能。这种创意会在很大程度上增大量子点的体密度，增加对载流子的俘获能力，对量子点分布的均匀性也有所改善，而且，理论计算也表明，增加量子点的尺寸和引入Sb基量子点，能够使发光谱峰向通讯波段的长波长移动，波长可以覆盖1.5-1.9μm，从而达到拓展波长、提高激光器特征温度和降低阈值电流等目的。这一结构再加之GaAs基工艺的成熟性，易于与现有光电子器件集成等特点，GaAs基长波长含Sb量子点激光器将具有十分广阔的应用前景，对实现性能优异的中红外半导体激光器将具有重要意义。

本发明专利是一种GaAs基近红外波段含Sb多层量子点与非对称量子阱耦合激光器结构，具体如下：

GaAs衬底1；变Al组分的Al_xGa_l-xAs限制层2；Al_0.35Ga_0.65As波导层3；In_0.18Ga_0.82As/In_0.30Ga_0.70Sb/In_0.31Ga_0.69As量子点和量子阱耦合层4；Al_0.35Ga_0.65As波导层5；变Al组分的Al_xGa_l-xAs限制层6；GaAs盖层7；如图1所示。其中In_0.18Ga_0.82As/In_0.30Ga_0.70Sb/In_0.31Ga_0.69As量子点和量子阱耦合层4是由5层InGaSb8量子点和量子点底部顶部In_0.31Ga_0.69As量子阱9和顶部覆盖的In_0.18Ga_0.82As量子阱10构成；如图2所示。因为上下量子阱的组分不同，能带是非对称，如图3所示。

附图说明

图1一种GaAs基近红外波段含Sb多层量子点与非对称量子阱耦合激光器结构示意图。

图2含Sb多层量子点与非对称量子阱耦合区示意图。

图3含Sb多层量子点与非对称量子阱耦合阱能带结构图。

具体实施方式

本发明专利是这样实现的，采用分子束外延设备(MBE)，在GaAs衬底1上，经过560℃充分除气解吸附；生长变Al组分的Al_xGa_l-xAs限制层2，其中Al组分x＝0.35-0.9，n型掺杂浓度从1.0×10¹⁸cm^-3渐变到5.0×10¹⁷cm^-3，厚度1200nm；Al_0.35Ga_0.65As波导层3，厚度400nm；5对In_0.18Ga_0.82As/In_0.30Ga_0.70Sb/In_0.31Ga_0.69As量子点和量子阱耦合层4，其中In_0.18Ga_0.82As厚度为6nm，In_0.30Ga_0.70Sb量子点平均高度12nm，In_0.31Ga_0.69As厚度为12nm；Al_0.35Ga_0.65As波导层5，厚度400nm；变Al组分的Al_xGa_l-xAs限制层6，p型掺杂浓度从5.0×10¹⁷cm^-3渐变到1.0×10¹⁸cm^-3，厚度1200nm；GaAs盖层7，掺杂浓度1.0×10¹⁹cm^-3。

Claims (1)

1.一种GaAs基近红外波段含Sb多层量子点与非对称量子阱耦合激光器结构，具体为：GaAs衬底(1)；变Al组分的Al_xGa_l-xAs限制层(2)，其中Al组分x＝0.35-0.9，n型掺杂浓度从1.0×10¹⁸cm^-3渐变到5.0×10¹⁷cm^-3，厚度1200nm；Al_0.35Ga_0.65As波导层(3)，厚度400nm；5对In_0.18Ga_0.82As/In_0.30Ga_0.70Sb/In_0.31Ga_0.69As量子点和量子阱耦合层(4)，其中In_0.18Ga_0.82As厚度为6nm，In_0.30Ga_0.70Sb量子点平均高度12nm，In_0.31Ga_0.69As厚度为12nm；Al_0.35Ga_0.65As波导层(5)，厚度400nm；变Al组分的Al_xGa_l-xAs限制层(6)，p型掺杂浓度从5.0×10¹⁷cm^-3渐变到1.0×10¹⁸cm^-3，厚度1200nm；GaAs盖层(7)，掺杂浓度1.0×10¹⁹cm^-3。