CN104638517B - Ga In比例渐变的W型锑基半导体激光器 - Google Patents

Abstract

Ga In比例渐变的W型锑基半导体激光器属于半导体激光器技术领域。现有InAs/GaInSb W型锑基半导体激光器很难实现室温发光，低温(73K)发光的输出功率也很小。本发明自下而上依次为GaSb衬底、GaSb缓冲层、P型GaSb接触层、P型量子阱、本征量子阱、N型量子阱和N型InAs接触层，所述P型量子阱、本征量子阱、N型量子阱具有多周期结构，所述多周期结构中的每个单周期量子阱的结构为由双InAs电子量子阱夹GaInSb空穴量子阱的三明治结构，外层是一对AlSb合金限制层；其特征在于，所述GaInSb空穴量子阱由3～9层Ga_1‑xIn_xSb层构成，x＝0.05～0.35，中间的Ga_1‑xIn_xSb层的x的值最大，两边的Ga_1‑xIn_xSb层自中间向两边呈1～4级分布，同级的两个Ga_{1‑ x}In_xSb层的x的值相同，自中间向两边各级Ga_{1‑ x}In_xSb层的x的值逐渐减小。

Description

Ga In比例渐变的W型锑基半导体激光器

技术领域

本发明涉及一种Ga In比例渐变的W型锑基半导体激光器，在GaInSb层的生长过程中，逐步改变Ga In比例，相比现已技术，GaInSb层的厚度能够得到提高，从而提高W型锑基半导体激光器的输出功率，属于半导体激光器技术领域。

背景技术

大气监测、红外成像用到包括2～2.5μm近红外和3～5μm中红外在内的2～5μm波段大气窗口，因此，该波段直接与传感技术、遥感、光电对抗等领域具有重要联系。2～5μm波段还包含许多重要的分子特征谱线，各种分子特征谱线都有其特征吸收峰，所述的分子及其特征吸收峰如CH₄(3.281μm)、CO₂(1.957μm，2.779μm，4.235μm)、N₂O(1.953μm，2.257μm，4.468μm)、CO(2.333μm)、SO₂(4μm)、HCHO(3.5μm)、HCl(3.5μm)以及C₂H₆(3.35μm)等。这使得该波段在环境监测、瓦斯探测、油气资源探测、医学诊断等具体的民用/军用领域具有极为重要的应用价值。在化学战和生物战等军事领域也用到痕量气体检测技术，许多有毒气体、液体在大气中的特征谱线都位于2～5μm波段。激光制导主要的工作波段有1～3μm、3～5μm和8～12μm，可见，也与2～5μm波段有较宽的重叠。

与2～5μm波段有关的红外激光光源首推InAs/GaInSb W型锑基半导体激光器，这种激光器有着3～5μm波段的激光输出。这种激光器其结构为，如图1所示，自下而上依次为GaSb衬底1、GaSb缓冲层2、P型GaSb接触层3、P型量子阱4、本征量子阱5、N型量子阱6和N型InAs接触层7，各量子阱具有多周期结构，例如，所述P型量子阱4为60×(AlSb/InAs/GaInSb:Be/InAs)，所述本征量子阱5为40×(AlSb/InAs/GaInSb/InAs)，所述N型量子阱6为20×(AlSb/InAs:Si/GaInSb/InAs:Si)。所述量子阱其单周期能带及结构为W型，如图2所示，图中CB指导带，VB指价带。每个单周期量子阱的结构为由双InAs电子量子阱8夹GaInSb空穴量子阱9的三明治结构，外层是一对AlSb合金限制层10，如图2、图3所示。所述InAs电子量子阱8为17ML(原子层，下同)厚的InAs层，所述GaInSb空穴量子阱9为6ML厚的Ga_0.75In_0.25Sb层，该层Ga:In＝0.75:0.25，所述AlSb合金限制层10为100ML厚的AlSb层。这一结构可从根本上将激光器激射波长向长波方向扩展，实现3～5μm波段发光全覆盖。

然而，现有InAs/GaInSb W型锑基半导体激光器很难实现室温(300K)发光，低温(73K)发光的输出功率也很小，如140毫瓦。其原因在于，由于Ga与In的原子数比例固定，如Ga:In＝0.75:0.25，且Ga的比例过小，In的比例过大，致使在InAs/GaInSb层间存在较大的晶格失配，产生两个不利后果，一是产生较大的应力，导致GaInSb层的临界断裂厚度很薄，如小于2nm，GaInSb层的厚度则应当小于2nm，如1.8nm，如此薄的GaInSb空穴量子阱9为激光器提供的空穴载流子严重不足，从而复合时产生的光子就很少；二是在InAs/GaInSb界面处存在缺陷，由此形成载流子复合中心，在此发生无辐射跃迁，使得原本有限的载流子会被大量无为消耗。两个后果合一表现为激光输出功率低，几乎不能在室温下形成稳定的激光输出。

发明内容

为了提高InAs/GaInSb W型锑基半导体激光器的激光输出功率，获得室温下的稳定激光输出，我们发明了一种Ga In比例渐变的W型锑基半导体激光器。

本发明之Ga In比例渐变的W型锑基半导体激光器，自下而上依次为GaSb衬底1、GaSb缓冲层2、P型GaSb接触层3、P型量子阱4、本征量子阱5、N型量子阱6和N型InAs接触层7，如图1所示，所述P型量子阱4、本征量子阱5、N型量子阱6具有多周期结构，所述多周期结构中的每个单周期量子阱的结构为由双InAs电子量子阱8夹GaInSb空穴量子阱9的三明治结构，外层是一对AlSb合金限制层10，如图2、图3所示；其特征在于，所述GaInSb空穴量子阱9由3～9层Ga_1-xIn_xSb层构成，x＝0.05～0.35，如图4所示，中间的Ga_1-xIn_xSb层的x的值最大，两边的Ga_1-xIn_xSb层自中间向两边呈1～4级分布，同级的两个Ga_1-xIn_xSb层的x的值相同，自中间向两边各级Ga_1-xIn_xSb层的x的值逐渐减小。

本发明其技术效果在于，本发明将Ga_1-xIn_xSb层一分为多，并且，自中间向两边各Ga_1-xIn_xSb层中的Ga:In渐变，In所占比例逐渐减小，这使得在量子阱结构的生长过程中，InAs/GaInSb层间的晶格失配得到缓解，GaInSb层中的应力减小，临界断裂厚度增加，实际生长的GaInSb空穴量子阱9的厚度允许提高。例如，将Ga_1-xIn_xSb层一分为五，中间为17ML厚Ga_0.75In_0.25Sb层，第1级为两个2ML厚的Ga_0.9In_0.1Sb层，第2级为两个2ML厚的Ga_0.95In_0.05Sb层，Ga_1-xIn_xSb层的总厚度达到25ML，是现有技术6ML的四倍多，也就是将现有技术的1.8nm的Ga_1-xIn_xSb层提高到7.5nm厚，提供的空穴数目也提高三倍以上。实际上本发明能够将Ga_1-xIn_xSb层的厚度最高提高到理论厚度上限10nm，最佳值为8～9nm。另外，本发明能够减少InAs/GaInSb界面处的缺陷，从而减少载流子复合中心，减少无辐射跃迁，在一定程度上避免载流子的无为消耗。当P型量子阱4的周期为60，本征量子阱5的周期为40，N型量子阱6的周期为20，最终的效果表现为本发明之Ga In比例渐变的W型锑基半导体激光器能够在室温(300K)下形成200毫瓦稳定的激光输出，而现有技术的参数仅有140毫瓦(78K)。

附图说明

图1是InAs/GaInSb W型锑基半导体激光器结构示意图。图2是InAs/GaInSb W型锑基半导体激光器中的单周期量子阱能带及结构示意图。图3是现有InAs/GaInSb W型锑基半导体激光器单周期量子阱结构示意图，图中以断开的方式表示AlSb合金限制层10。图4是本发明之Ga In比例渐变的W型锑基半导体激光器中的单周期量子阱的结构示意图，图中以断开的方式表示AlSb合金限制层10，该图同时作为摘要附图；在该图中，GaInSb空穴量子阱9由五层Ga In比例渐变的GaInSb层构成。

具体实施方式

实施例1：

本发明之Ga In比例渐变的W型锑基半导体激光器，自下而上依次为GaSb衬底1、GaSb缓冲层2、P型GaSb接触层3、P型量子阱4、本征量子阱5、N型量子阱6和N型InAs接触层7，如图1所示，所述P型量子阱4、本征量子阱5、N型量子阱6具有多周期结构，所述多周期结构中的每个单周期量子阱的结构为由双InAs电子量子阱8夹GaInSb空穴量子阱9的三明治结构，外层是一对AlSb合金限制层10，如图2、图3所示；所述GaInSb空穴量子阱9由3层Ga_{1- x}In_xSb层构成，中间为17ML厚的Ga_0.8In_0.2Sb层，第1级为两个4ML厚的Ga_0.9In_0.1Sb层，Ga_{1- x}In_xSb层的总厚度达到25ML。

实施例2：

本发明之Ga In比例渐变的W型锑基半导体激光器，自下而上依次为GaSb衬底1、GaSb缓冲层2、P型GaSb接触层3、P型量子阱4、本征量子阱5、N型量子阱6和N型InAs接触层7，如图1所示，所述P型量子阱4、本征量子阱5、N型量子阱6具有多周期结构，所述多周期结构中的每个单周期量子阱的结构为由双InAs电子量子阱8夹GaInSb空穴量子阱9的三明治结构，外层是一对AlSb合金限制层10，如图2、图3所示；所述GaInSb空穴量子阱9由5层Ga_{1- x}In_xSb层构成，如图4所示，中间为17ML厚Ga_0.75In_0.25Sb层，第1级为两个2ML厚的Ga_0.9In_0.1Sb层，第2级为两个2ML厚的Ga_0.95In_0.05Sb层，Ga_1-xIn_xSb层的总厚度达到25ML。

实施例3：

本发明之Ga In比例渐变的W型锑基半导体激光器，自下而上依次为GaSb衬底1、GaSb缓冲层2、P型GaSb接触层3、P型量子阱4、本征量子阱5、N型量子阱6和N型InAs接触层7，如图1所示，所述P型量子阱4、本征量子阱5、N型量子阱6具有多周期结构，所述多周期结构中的每个单周期量子阱的结构为由双InAs电子量子阱8夹GaInSb空穴量子阱9的三明治结构，外层是一对AlSb合金限制层10，如图2、图3所示；所述GaInSb空穴量子阱9由9层Ga_{1- x}In_xSb层构成，中间为17ML厚的Ga_0.65In_0.35Sb层，第1级为两个1ML厚的Ga_0.75In_0.25Sb层，第2级为两个1ML厚的Ga_0.85In_0.15Sb层，第3级为两个1ML厚的Ga_0.9In_0.1Sb层，第4级为两个1ML厚的Ga_0.95In_0.05Sb层，Ga_1-xIn_xSb层的总厚度达到25ML。

Claims (4)

1.一种Ga In比例渐变的W型锑基半导体激光器，自下而上依次为GaSb衬底(1)、GaSb缓冲层(2)、P型GaSb接触层(3)、P型量子阱(4)、本征量子阱(5)、N型量子阱(6)和N型InAs接触层(7)，所述P型量子阱(4)、本征量子阱(5)和N型量子阱(6)具有多周期结构，所述多周期结构中的每个单周期量子阱的结构为由双InAs电子量子阱(8)夹GaInSb空穴量子阱(9)的三明治结构，外层是一对AlSb合金限制层(10)；其特征在于，所述GaInSb空穴量子阱(9)由3～9层Ga_1-xIn_xSb层构成，x＝0.05～0.35，中间的Ga_1-xIn_xSb层的x的值最大，两边的Ga_1-xIn_xSb层自中间向两边呈1～4级分布，同级的两个Ga_1-xIn_xSb层的x的值相同，自中间向两边各级Ga_1-xIn_xSb层的x的值逐渐减小。

2.根据权利要求1所述的Ga In比例渐变的W型锑基半导体激光器，其特征在于，所述GaInSb空穴量子阱(9)由3层Ga_1-xIn_xSb层构成，中间为17ML厚的Ga_0.8In_0.2Sb层，第1级为两个4ML厚的Ga_0.9In_0.1Sb层，Ga_1-xIn_xSb层的总厚度达到25ML。

3.根据权利要求1所述的Ga In比例渐变的W型锑基半导体激光器，其特征在于，所述GaInSb空穴量子阱(9)由5层Ga_1-xIn_xSb层构成，中间为17ML厚Ga_0.75In_0.25Sb层，第1级为两个2ML厚的Ga_0.9In_0.1Sb层，第2级为两个2ML厚的Ga_0.95In_0.05Sb层，Ga_1-xIn_xSb层的总厚度达到25ML。

4.根据权利要求1所述的Ga In比例渐变的W型锑基半导体激光器，其特征在于，所述GaInSb空穴量子阱(9)由9层Ga_1-xIn_xSb层构成，中间为17ML厚的Ga_0.65In_0.35Sb层，第1级为两个1ML厚的Ga_0.75In_0.25Sb层，第2级为两个1ML厚的Ga_0.85In_0.15Sb层，第3级为两个1ML厚的Ga_0.9In_0.1Sb层，第4级为两个1ML厚的Ga_0.95In_0.05Sb层，Ga_1-xIn_xSb层的总厚度达到25ML。