CN105281201A - 一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外激光器的外延结构 - Google Patents
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Abstract
一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器的外延结构,涉及半导体激光器外延技术领域。包括GaSb衬底、缓冲层、n型限制层、n型波导层、有源区、p型波导层、电子阻挡层和p型限制层，其特征在于所述p型波导层和p型限制层之间存在电子阻挡层，所述电子阻挡层导带电势高于p型限制层导带电势。同现有技术相比，本发明能够减少量子阱内的Auger复合，抑制量子阱中导带电子向p型限制层的溢出，有效地提高GaSb基中红外半导体激光器的性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器外延技术领域，特别是一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器的外延结构。
背景技术
GaSb基中红外半导体激光器在医疗保健、激光光通讯、激光雷达及痕量气体监测等领域中有着重要的应用，受到人们广泛关注。通过调节有源区量子阱材料InGaAsSb中的In组分，可使其发光波长覆盖1.3μm(GaAsSb)到远红外12μm(InAsSb)光谱领域。对于该波段的激光器，有源区量子阱内容易发生Auger复合。Auger复合所造成的高能载流子在限制层内的泄露是影响激光器阈值电流及特征温度的主要因素。同时，与其他半导体材料相比，锑化物电子迁移率较高，在p型限制层泄漏现象更为明显。另外，电子在p型限制层内的泄漏产生的热量将使激光器的结温升高，严重影响器件寿命。因此，如何改善有源区量子阱内Auger复合所造成的高能电子在限制层内泄漏是提高GaSb基中红外半导体激光器转换效率和稳定性的主要问题。
现有技术中，采用增加量子阱阱数的方法抑制电子在p型限制层泄漏。量子阱阱数增多可提高阱内对电子的束缚能力。但是阱数过多，不仅会造成外延材料浪费，同时也增加了器件的内损耗，使得激光器室温阈值电流变大，输出效率降低，器件性能反而下降。
鉴于此，有必要提供一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器的外延结构克服上述缺点。
发明内容
本发明目的是提供一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器的外延结构。它能够减少量子阱内的Auger复合，抑制量子阱中导带电子向p型限制层的溢出，从而有效降低器件的阈值电流，提高特征温度。
为了达到上述发明目的，本发明的技术方案以如下方式实现：
一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器的外延结构，包括GaSb衬底、缓冲层、n型限制层、n型波导层、有源区、p型波导层、电子阻挡层和p型限制层，所述电子阻挡层位于p型波导层和p型限制层之间。
在上述一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器的外延结构中，所述电子阻挡层导带电势高于p型限制层导带电势。
在上述一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器的外延结构中，所述缓冲层是和衬底材料晶格常数相等或接近的材料，如GaSb、AlSb等。
在上述一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器的外延结构中，所述n型限制层、下波导层、上波导层、电子阻挡层、p型限制层是可以和衬底匹配的材料，如AlGaAsSb、AlInGaAsSb等。
在上述一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器的外延结构中，所述有源区是InGaAsSb/AlGaAsSbI型量子阱、GaAsSb/GaAsII型量子阱或InAs/(In)GaSb破隙型量子阱。
在上述一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器的外延结构中，所述电子阻挡层是非掺杂的。
在上述一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器的外延结构中，所述电子阻挡层的组分是变化的，其中Al组分变化范围是从0到1。
在上述一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器的外延结构中，所述电子阻挡层中Al组分沿着从p型波导层到p型限制层的方向增加。
同现有技术相比，本发明通过在p型波导层和p型限制层之间设置电子阻挡层，抑制量子阱内的Auger复合，阻止减少量子阱中导带电子向p型限制层的泄漏，降低激光器阈值电流，提高激光器特征温度。电子阻挡层采用组分渐变可降低异质结界面上的电压降，避免突变波导中界面带来的损耗；同时减少外延层中的晶体缺陷，提高异质结界面质量，保证器件性能。
附图说明
图1是本发明中一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器的外延结构的示意图。
图2是本发明中一种GaSb基中红外半导体激光器的结构示意图。
图3是现有技术中GaSb基中红外半导体激光器的载流子浓度分布图。
图4是本发明中一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器的载流子浓度分布图。
图5是现有技术中GaSb基中红外半导体激光器的能带图。
图6是本发明中一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器的能带图。
图7是本发明中一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器与现有技术中GaSb基中红外半导体激光器的俄歇复合率对比图。
图8是现有技术中GaSb基中红外半导体激光器在不同温度下的P-I特性曲线图。
图9是本发明中一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器在不同温度下的P-I特性曲线图。
图10是本发明中一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器与现有技术中GaSb基中红外半导体激光器在300K的P-I特性曲线对比图。
具体实施方式
本发明所述的一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器的外延结构，包括GaSb衬底、缓冲层、n型限制层、下波导层、有源区、上波导层、电子阻挡层和p型限制层和盖层。
上述缓冲层是和衬底材料晶格常数相等或接近的材料，如GaSb、AlSb等；上述n型限制层、下波导层、上波导层、电子阻挡层、p型限制层是可以和衬底匹配的材料，如AlGaAsSb、AlInGaAsSb等；上述有源区是InGaAsSb/AlGaAsSbI型量子阱、GaAsSb/GaAsII型量子阱或InAs/(In)GaSb破隙型量子阱。
上述电子阻挡层是非掺杂的，电子阻挡层的组分是变化的，其中Al组分沿着从p型波导层到p型限制层的方向线性增加，Al组分变化范围是0到1。
上述GaSb衬底、缓冲层和n型限制层是n型掺杂的，掺杂元素是Te、Si等n型掺杂剂，掺杂浓度是0到1020cm-3；上述下波导层、有源区和上波导层是非掺杂的；上述电子阻挡层和p型限制层和盖层是p型掺杂的，掺杂元素是Be、Zn等p型掺杂剂，掺杂浓度是0到1020cm-3。
为了本发明的目的、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。
如图2所示，本发明中一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器的外延结构，从上到下依次包括GaSb衬底、GaSb缓冲层、n型AlGaAsSb限制层、AlGaAsSb下波导层、InGaAsSb/AlGaAsSb有源区、AlGaAsSb上波导层、AlGaAsSb电子阻挡层和p型AlGaAsSb限制层和GaSb盖层。
上述GaSb衬底为n型，掺杂元素为Te，掺杂浓度为1×1019cm-3。缓冲层材料为GaSb，厚度为0.1μm，掺杂元素为Te，掺杂浓度为1×1018cm-3。n型限制层材料为Al0.9Ga0.1As0.08Sb0.92，厚度为1.2μm，掺杂元素为Te，掺杂浓度为4×1017cm-3。AlGaAsSb下波导层材料为非掺杂Al0.3Ga0.7As0.02Sb0.98，厚度为0.5μm。有源区是非掺杂In0.19Ga0.81As0.01Sb0.99/Al0.3Ga0.7As0.02Sb0.98量子阱，势阱厚度为10nm，势垒厚度为20nm，生长3个周期。AlGaAsSb上波导层材料为非掺杂Al0.3Ga0.7As0.02Sb0.98，厚度为0.5μm。电子阻挡层材料为非掺杂AlxGa1-xAs0.02Sb0.98，厚度为50nm，Al组分从0.9到0.3梯度变化。p型限制层材料为Al0.9Ga0.1As0.08Sb0.92，厚度为1.2μm，掺杂元素为Be，掺杂浓度为5×1018cm-3。盖层材料为GaSb，厚度为0.3μm，掺杂元素为Be，掺杂浓度为1×1019cm-3。
上述本发明的一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器的外延结构，使用MBE设备生长，具体包括以下步骤。
步骤一，衬底的清洁处理。包括：
(1)依次用异丙醇、丙酮、甲醇或乙醇超声清洗三次，去除表面吸附的有机杂质；
(2)用去离子水把衬底清洗干净；
(3)用Br2-CH3OH(0.3%:99.7%)溶液腐蚀Gasb衬底去除衬底表面的损伤层；
(4)用去离子水冲洗约500-100次，在衬底表面形成一层均匀的氧化膜来保护经化学腐蚀后形成的新鲜表面，然后用N2吹干。
步骤二，把衬底固定在钼块上，放进进样室，抽真空。
步骤三，将样品送入预处理室，在400-450℃下进行热处理20分钟，进一步脱去衬底上吸附的水汽。
步骤四，将样品送入生长室。在Gasb衬底温度升至350℃时打开Sb源的快门，保护衬底表面，抑制Gasb衬底表面的Sb脱附。衬底表面的氧化膜加热解吸后产生清晰规则的RHEED衍射斑点。解吸时温度约为580℃。
步骤五，衬底解吸后立即降温至400℃，温度稳定时，打开Ga源和Te源的快门，生长n型GaSb缓冲层。GaSb缓冲层生长温度为400℃，Ga源温度为810℃，Sb源温度为515℃，Te源温度为360℃，V/III束流比为3，生长厚度为0.1μm。
步骤六，缓冲层生长结束后衬底温度提升到480℃，打开Al源和As源的快门，生长1.2μm厚的Al0.9Ga0.1As0.08Sb0.92n型限制层(掺Te:4×1017cm-3)。Al源温度为1190℃，Ga源温度为800℃，As源温度为160℃，Sb源温度为515℃不变，Te源温度为360℃不变，生长速度约为1μm/hr。
步骤七，n型限制层生长结束后，关闭Te源的快门，生长0.5μm厚非掺杂Al0.3Ga0.7As0.02Sb0.98下波导层。Al源温度为1100℃，Ga源温度为810℃，As源温度为160℃不变，Sb源温度为515℃不变，衬底温度为480℃不变。
步骤八，下波导层层生长结束后，生长3个周期的非掺杂In0.19Ga0.81As0.01Sb0.99/Al0.3Ga0.7As0.02Sb0.98量子阱有源区。包括：
(1)打开In源的快门，关闭Al源的快门。衬底温度为460℃，In源温度为900℃，Ga源温度为810℃不变，As源温度为160℃不变，Sb源温度为515℃不变，生长厚度为10nm。
(2)关闭In源的快门，打开Al源的快门。衬底温度为480℃，Al源温度为1100℃，Ga源温度为810℃不变，As源温度为160℃不变，Sb源温度为515℃不变，生长厚度为20nm。
(3)重复进行(1)、(2)和(1)，完成3个周期的非掺杂In0.19Ga0.81As0.01Sb0.99/Al0.3Ga0.7As0.02Sb0.98量子阱有源区生长。
步骤九，有源区生长结束后，关闭In源的快门，打开Al源的快门，生长0.5μm厚非掺杂Al0.3Ga0.7As0.02Sb0.98上波导层。衬底温度为480℃，Al源温度为1100℃，Ga源温度为810℃不变，As源温度为160℃不变，Sb源温度为515℃不变，生长时间约30min。
步骤十，上波导层生长结束后，生长50nm厚的AlxGa1-xAs0.02Sb0.98非掺杂电子阻挡层材料。衬底温度为480℃不变，Ga源温度为800℃，As源温度为160℃不变，Sb源温度为515℃不变。Al源温度从1090℃连续渐变到1190℃，生长梯度Al组分的AlGaAsSb材料，Al组分从0.3到0.9梯度变化。为了有效地阻止导带电子向p型限制层的泄漏，特别是在高温的情况下的泄漏，同时综合材料的热阻及电阻等因素，电子阻挡层的厚度设定为50nm。
步骤十一，电子阻挡层生长结束后，打开Be源的快门，生长1.2μm厚的Al0.9Ga0.1As0.08Sb0.92p型限制层(掺Be:5×1018cm-3)。Be源温度为770℃，Al源温度为1190℃，Ga源温度为800℃，As源温度为160℃不变，Sb源温度为515℃不变，生长速度约为1μm/hr。
步骤十二，最后关闭Al源和As源的快门，生长0.3μm厚的GaSb盖层。衬底温度降至400℃，保持Ga源温度、Sb源温度和Be源温度不变，约20min后完成整个激光器的外延结构的生长。
为展示本发明的效果，利用Crosslight软件模拟了本发明中具有上述外延结构的GaSb基中红外半导体激光器以及现有技术中的GaSb基中红外半导体激光器。模拟的现有技术中的GaSb基中红外半导体激光器不具备电子阻挡层，其它结构与本发明中的上述外延结构相同。模拟结果由图3-10展示。
图3是现有技术中GaSb基中红外半导体激光器的载流子浓度分布图，图4是本发明中一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器的载流子浓度分布图。同现有技术中GaSb基中红外半导体激光器相比，本发明中具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器的p型层中的电子浓度大大降低，几乎为0，消除了导带电子从有源区向p型限制层的泄漏的现象。未掺杂的电子阻挡层与p侧波导层形成了较大的导带带阶，为电子提供了一个更高的势垒，这个势垒有效地抑制电子从量子阱有源区向p侧限制层的泄漏。
图5是现有技术中GaSb基中红外半导体激光器的能带图，图6是本发明中一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器的能带图。从图中可以看到，未掺杂的电子阻挡层与p侧波导层形成了较大的导带带阶，但并未使价带带阶增大，并不阻挡空穴向有源区的注入。因此，电子阻挡层的引入不会引起激光器串联电阻的增加。
图7是本发明中一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器与现有技术中GaSb基中红外半导体激光器的俄歇复合率对比图（图中ESL为电子阻挡层英文缩写）。尽管俄歇复合将产生能量高的热电子，易脱离量子阱的束缚，但电子阻挡层的引入加大了电子从有源区泄漏到p区的难度，有效地减小了阱内的俄歇复合。因而具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器中各个阱的俄歇复合率均小于未引入电子阻挡层的器件。
图8是现有技术中GaSb基中红外半导体激光器在不同温度下的P-I特性曲线图，图9是本发明中一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器在不同温度下的P-I特性曲线图，图10是本发明中一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器与现有技术中GaSb基中红外半导体激光器在300K下的P-I特性曲线对比图（图中ESL为电子阻挡层英文缩写）。这里模拟的激光器条宽为50μm，腔长为1000μm。具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器与现有技术中GaSb基中红外半导体激光器相比，温度敏感特性得到改善，阈值电流明显降低。阈值电流随温度变化的敏感程度主要是由俄歇复合决定的，电子阻挡层有效抑制了量子阱中导带电子向p型限制层的泄漏，使得激光器各个阱内的俄歇复合率大大降低，因而有效地提升了激光器性能。
Claims (8)
1.一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外激光器的外延结构，包括GaSb衬底(1)、缓冲层(2)、n型限制层(3)、下波导层(4)、有源区(5)、上波导层(6)、电子阻挡层(7)和p型限制层(8)，其特征在于所述p型波导层和p型限制层之间存在电子阻挡层。
2.一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外激光器的外延结构，包括GaSb衬底(1)、缓冲层(2)、n型限制层(3)、下波导层(4)、有源区(5)、上波导层(6)、电子阻挡层(7)和p型限制层(8)，其特征在于电子阻挡层导带电势高于p型限制层导带电势。
3.根据专利要求1或2所述的一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外激光器的外延结构，其特征在于缓冲层(2)是和衬底材料晶格常数相等或接近的材料，如GaSb、AlSb等。
4.根据专利要求1或2所述的一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外激光器的外延结构，其特征在于n型限制层(3)、下波导层(4)、上波导层(6)、电子阻挡层(7)、p型限制层(8)是可以和衬底匹配的材料,如AlGaAsSb、AlInGaAsSb等。
5.根据专利要求1或2所述的一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外激光器的外延结构，其特征在于有源区(5)是InGaAsSb/AlGaAsSbI型量子阱、GaAsSb/GaAsII型量子阱或InAs/(In)GaSb破隙型量子阱。
6.根据专利要求1、2或4所述的一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外激光器的外延结构，其特征在于电子阻挡层(7)是非掺杂的。
7.根据专利要求1、2或4所述的一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外激光器的外延结构，其特征在于电子阻挡层(7)的组分是变化的，其中Al组分变化范围是从0到1。
8.根据专利要求7所述的一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外激光器的外延结构，其特征在于电子阻挡层(7)中Al组分沿着从p型波导层到p型限制层的方向增加。
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