CN105977788B - 一种量子点带间级联激光器 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种锑化物量子点带间级联激光器。该激光器是通过在GaSb衬底上，依次制备下限制层、下波导层、级联区、上波导层、上限制层、InAs接触层。本申请公开的这种激光器采用量子点有源区作为该带间级联激光器的有源区，利用量子点材料的特点，有效对载流子的限制和利用，使带间级联激光器具有更低的阈值电流密度及宽的增益谱特性，有效提高带间级联激光器的性能。

Description

一种量子点带间级联激光器
技术领域
本申请涉及半导体激光器领域，特别涉及一种量子点带间级联激光器。
背景技术
3-5μm波段中红外半导体激光器广泛应用于通信、痕量气体监测、电子对抗和环境监控等领域。带间级联激光器(interband cascade lasers，ICLs)能满足此波段的光源需求，它结合了普通的量子阱激光器和量子级联激光器的优点。目前，多采用MBE来生长带间级联激光器芯片，其主要结构分为波导区、级联结构区及光波导限制区。尽管带间级联激光器的研究已取得了很大的进展，但由于它的阈值电流密度仍然很高，严重限制了激光器器件的性能，制约了其在相关领域的应用。
针对上述问题，可以从结构上优化带间级联激光器，主要包括：1、优化波导结构，来达到降低阈值的效果；2、优化载流子注入区，采用缩短注入区设计的带间级联激光器，从而降低阈值电流密度。上述方法可在一定程度上提高带间级联激光器的性能，但其有源区作为带间级联激光器的核心部分，仍存在高能态电子注入效率、寿命低，低能态电子寿命高等问题，限制了带间级联激光器工作性能指标的提高。
发明内容
本发明提出一种锑化物量子点带间级联激光器结构，通过将带间级联激光器有源区结构中二维的量子阱层设计为三维的量子点层，使得带间级联激光器具有更低的阈值电流密度及宽的增益谱特性，有效解决带间级联激光器阈值电流密度高的问题，提高激光器器件的性能。
本发明提出一种量子点带间级联激光器，所述量子点带间级联激光器包括下限制层、下波导层、级联区、上波导层、上限制层和接触层，所述级联区由电子注入区、量子点有源区和电子势垒区构成最小结构单元重复构成。
本发明通过把带间级联激光器有源区的量子阱变为量子点，利用量子点材料的特性，增加了对载流子的限制，极大地降低激光器的阈值电流密度，提高器件性能。
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。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明提出一种锑化物量子点带间级联半导体激光器，所述激光器结构包括下限制层、下波导层、级联区、上波导层、上限制层、接触层，其中电子注入区、量子点有源区和电子势垒区构成级联区的最小重复单元，量子点有源区结构中量子点材料为III-V族锑化物半导体材料，下面以量子点材料为Ga1-xInxSb为例进行详细描述。
如图1所示，该量子点带间级联激光器结构包括衬底1、下限制层2、下波导层3、级联区4、上波导层5、上限制层6、InAs接触层7。其中，衬底1可以为GaSb衬底，本实施例中选择GaSb衬底；下限制层2为GaSb；下波导层3为InAs/AlSb超晶格；级联区4包括GaSb/InAs电子注入区8、InAs/Ga1-xInxSb/InAs量子点有源区9和AlSb/GaSb电子势垒区10，其中电子注入区、量子点有源区和电子势垒区组成最小单元周期重复构成级联区；上波导层5为InAs/AlSb超晶格；上限制层6为GaSb；接触层7为InAs。
具体步骤如下：
步骤一：采用分子束外延技术在GaSb衬底上进行激光器各层材料的外延生长，外延生长的材料厚度约为10μm。
首先，将GaSb衬底固定于专用夹具，将夹具装于导轨小车送入分子束外延设备Load-lock(真空进样室)进行初步除气热处理，Load-lock抽至合适真空后进行加热处理，温度为190～210℃，时间为2～2.5小时；衬底在进样室处理结束后传送至Buffer(缓冲室)进行处理，温度为390～410℃，时间为2～2.5小时；最后，将衬底传送至生长室，在RHEED(反射高能电子衍射仪)监测下进行衬底表面去氧化层处理，处理温度590～610℃，衬底表面氧化层去除后温度降低至540～560℃生长GaSb缓冲层，缓冲层外延生长结束后进行激光器各层材料的外延生长。
步骤二：在GaSb缓冲层上依次生长GaSb下限制层和InAs/AlSb超晶格下波导层，其中InAs/AlSb超晶格波导层厚度约为3μm，具体生长过程如下：
打开In快门，在样品表面沉积一个原子层的In，生长速率为0.2ML/s，所用时间约为5s，关闭In快门，中断5s，然后打开As快门，让样品在As保护下中断0-40s，最后打开In快门，进行InAs层的生长，V/III比为7。InAs层生长结束后打开Sb快门，让样品在Sb保护下中断10s，然后打开Al快门进行AlSb层的生长，V/III比为6。
步骤三：在下波导层上外延生长级联区，首先生长电子注入区，1对电子注入区组成为AlSb/InAs/AlSb/InAs/AlSb，厚度分别为在电子注入区上外延生长量子点有源区，为InAs/Ga1-xInxSb量子点/InAs，厚度分别为量子点有源区可以多次重复；在量子点有源区上外延生长电子势垒区，1对电子势垒区为AlSb/GaSb/AlSb/GaSb/AlSb，厚度分别为级联结构中的InAs层为Si掺杂，掺杂浓度的量纲为1018cm-3。
InAs/Ga1-xInxSb/InAs量子点有源区的生长过程为：先生长厚度为的InAs层，然后在InAs层上沉积Ga1-xInxSb量子点，量子点的高度范围为2～3nm，直径范围为5～8nm，密度范围为109～1010cm-2，生长结束后关闭In源、Ga源，生长停顿期间采用Sb源作为保护气氛，使得量子点迁移、熟化、成点。采用保护气氛的摩尔流量大于0sccm，时间在5min；生长停顿结束后，在Ga1-xInxSb量子点上生长InAs盖层，生长厚度为覆盖Ga1-xInxSb量子点。
重复上述步骤，完成多个级联周期的生长。
步骤四：在级联区上生长InAs/AlSb超晶格上波导层，在上波导层上生长GaSb上限制层。
步骤五：在GaSb上限制层上生长InAs接触层，厚度约为100nm，V/III比为7。
通过以上步骤实现本申请所要求保护的带间级联激光器。由于在级联区结构中采用量子点有源区，替代了传统的量子阱有源区，增加了对载流子的限制，极大地降低激光器的阈值电流密度，实现激光器器件性能的提高。

Claims (5)

1.一种量子点带间级联激光器，该激光器采用分子束外延设备在GaSb衬底上依次外延生长下限制层、下波导层、级联区、上波导层、上限制层、InAs接触层，其特征在于，有源区采用量子点有源区，电子注入区、量子点有源区和电子势垒区构成所述级联区；
量子点有源区所用材料为GaInSb合金量子点，量子点组分为Ga1-xInxSb；所述量子点的直径范围为8nm，高度范围为2～3nm，密度范围为1010cm-2；
电子注入区材料为AlSb/InAs/AlSb/InAs/AlSb，电子势垒区材料为AlSb/GaSb/AlSb/GaSb/AlSb。
2.如权利要求1所述的量子点带间级联激光器，其特征在于，有源区GaInSb采用量子点材料，电子注入区、量子点有源区和电子势垒区组成该激光器的级联区，级联区位于下波导层和上波导层之间，级联区可以多次重复构成激光器发光的核心区域。
3.如权利要求1所述的量子点带间级联激光器，其特征在于，GaInSb量子点可以与InAs材料多层耦合构成量子点有源区，具体为：InAs/Ga1-xInxSb量子点/InAs/Ga1-xInxSb量子点/InAs，多次重复。
4.如权利要求1所述的量子点带间级联激光器，其特征在于，上、下波导层为InAs/AlSb超晶格材料，上、下限制层为GaSb材料。
5.如权利要求1所述的量子点带间级联激光器，其特征在于，接触层为InAs，厚度为级联区的周期为6。
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