CN109149368B - 渐变掺杂宽波导带间级联激光器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种渐变掺杂宽波导带间级联激光器及其制备方法，其中，渐变掺杂宽波导带间级联激光器，包括：衬底；以及自下而上依次外延的下波导包层、下分别限制层、级联区、上分别限制层、上波导包层、以及上接触层；其中，下分别限制层和上分别限制层的厚度为百纳米到微米量级，并且下分别限制层和上分别限制层都是渐变掺杂，使得下分别限制层和上分别限制层的两端掺杂浓度相对较高，中心区域掺杂浓度相对较低。该渐变掺杂宽波导带间级联激光器有效提高了光学限制因子，增加光学增益；有效的降低异质结面的电压降，提高光电效率，减小自由载流子吸收，减小器件的损耗；并能降低工作电压，提高工作效率。

Description

渐变掺杂宽波导带间级联激光器及其制备方法
技术领域
本公开属于中红外半导体激光器领域，涉及一种渐变掺杂宽波导带间级联激光器及其制备方法。
背景技术
在红外线波段中，2μm～5μm波段是非常重要的大气窗口，很多的原子以及分子气体的吸收峰都在这个波段以内，包括水分子、甲烷、氯化氢等气体，诸如水分子的吸收峰位为2.7μm，甲烷的吸收峰位为3.41μm，氯化氢气体的吸收峰位为3.54μm，特别是一些有毒有害气体，诸如CO、CH4、NO2等，在该波段的吸收峰位较强，因此该波段适合用于环境监测。
基于中红外激光器的吸收光谱技术(TDLAS)和光声光谱技术(PAS)在工业气体在线分析、环境监测、呼吸检测等领域都存在广泛的应用前景。除此之外，这个波段的激光器还可以用在自由空间光通信中，自由空间光通信系统利用大气作为传输媒介进行光信号传输，具有高度定向性、高度隐形性、以及高度保密性等优势。中红外半导体激光器由于可以有效的调整激射波长，可以覆盖大气窗口，可作为通信的光源，减小恶劣条件造成的影响，并且这种光通信不需要进行光纤的铺设即可进行长距离通讯。
带间级联激光器作为一种新型的可以实现中红外波段的有效手段，也取得了一定的发展，尤其是在3μm～4μm波段内的作用越来越凸显，一方面，带间级联激光器克服了一类量子阱、一类量子阱级联激光器在长波长波段容易受到俄歇非辐射复合限制的缺点，同时，它也继承了量子级联激光器通过串联各个有源区来提高电子利用效率的优点，并且由于带间级联激光器是双极型器件，其不需要借助快速声子散射，所以带间级联激光器具有较低的阈值电流密度和阈值电压，这使得其在中红外波段有着较大的优势。然而，由于现有的带间级联激光器的级联区是由多层、多种材料构成的，其平均折射率较低，导致在激光器中心处的光学限制不足，光学限制因子较低，不利于激光器性能的提升。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种渐变掺杂宽波导带间级联激光器及其制备方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种渐变掺杂宽波导带间级联激光器，包括：衬底；以及自下而上依次外延的下波导包层、下分别限制层、级联区、上分别限制层、上波导包层、以及上接触层；其中，下分别限制层和上分别限制层的厚度为百纳米到微米量级，并且下分别限制层和上分别限制层都是渐变掺杂，使得下分别限制层和上分别限制层的两端掺杂浓度相对较高，中心区域掺杂浓度相对较低。
在本公开的一些实施例中，衬底的材料为n型的GaSb，掺杂浓度介于1e17～1e18cm-3之间，厚度介于500μm～550μm之间。
在本公开的一些实施例中，下波导包层为n型掺杂的InAs/AlSb超晶格，该InAs/AlSb超晶格的周期为400-700个，掺杂浓度介于1e16～1e18cm-3之间；和/或上波导包层为n型掺杂的InAs/AlSb超晶格，该InAs/AlSb超晶格的周期为200～300个，掺杂浓度介于1e16～1e18cm-3之间。
在本公开的一些实施例中，下分别限制层和上分别限制层均为n型掺杂的GaSb，厚度均介于0.5μm～1.5μm之间，该厚度的数值随级联区厚度的增加而增加；下分别限制层和上分别限制层两端的掺杂浓度均介于5e16～1e18cm-3之间，中心的掺杂浓度介于1e14～1e16cm-3之间。
在本公开的一些实施例中，级联区包含若干周期的级联结构，该级联结构包括：用于二类带间跃迁的W型有源区；用于输运空穴的空穴注入区；以及用于输运电子的电子注入区。
在本公开的一些实施例中，W型有源区为InAs/InGaSb/InAs/AlSb，其中InAs的厚度介于1nm～3nm之间，InGaSb的厚度介于2nm～4nm之间，In组分介于0.25～0.4之间，AlSb的厚度介于2nm～4nm之间。
在本公开的一些实施例中，空穴注入区为GaSb/AlSb超晶格，该GaSb/AlSb超晶格的周期为1～4个，且每个晶格单元中各组分的厚度在不同周期中渐变，GaSb的厚度介于2nm～5nm之间，AlSb的厚度介于1nm～4nm之间。
在本公开的一些实施例中，电子注入区为InAs/AlSb超晶格，该InAs/AlSb超晶格的周期为4～10个，其中InAs的厚度在不同周期中渐变，InAs的厚度介于1nm～5nm之间，AlSb的厚度介于1nm～4nm之间。
在本公开的一些实施例中，下波导包层、下分别限制层、级联区、上分别限制层、上波导包层、以及上接触层中有两个相邻的区域之间存在过渡层。
根据本公开的另一个方面，提供了一种渐变掺杂宽波导带间级联激光器的制备方法，包括：在衬底上依次外延下波导包层、下分别限制层、级联区、上分别限制层、上波导包层、以及上接触层，得到外延片；其中，下分别限制层和上分别限制层的厚度为百纳米到微米量级，并且下分别限制层和上分别限制层采用渐变掺杂，使得下分别限制层和上分别限制层的两端掺杂浓度相对较高，中心区域掺杂浓度相对较低；在外延片上制作波导结构；在波导结构上制作p型正面电极，在衬底的背面制作n型背面电极；将制作完正面电极和背面电极的片子解离呈巴条，并在巴条的解离面上镀膜；以及解离管芯，倒装焊在热沉上，完成渐变掺杂宽波导带间级联激光器的制备。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的渐变掺杂宽波导带间级联激光器及其制备方法，具有以下有益效果：
(1)通过在级联区的两侧引入百纳米到微米级厚度的分别限制层，能够有效提高光学限制因子，增加光学增益；并且对分别限制层采用非均匀掺杂，使得分别限制层的两端掺杂浓度相对较高，分别限制层的中心区域掺杂浓度相对较低，其中，分别限制层的两端掺杂浓度相对较高，可以有效的降低异质结面的电压降，提高光电效率；分别限制层的中心区域掺杂浓度相对较低，减小自由载流子吸收，减小器件的损耗；
(2)非均匀掺杂采用渐变掺杂的方式，其渐变掺杂浓度可以有效的减小体材料由于掺杂浓度不同而导致的在掺杂界面处产生的能带突变，使得这个能带突变得到进一步的平缓，从而降低工作电压，提高工作效率。
附图说明
图1为根据本公开一实施例所示的渐变掺杂宽波导带间级联激光器的外延结构示意图。
图2为根据本公开一实施例所示的渐变掺杂宽波导带间级联激光器的光场分布图。
图3为根据本公开一实施例所示的渐变掺杂宽波导带间级联激光器的电流-电压-功率输出特性曲线。
图4为根据本公开一实施例所示的渐变掺杂宽波导带间级联激光器的激射谱。
图5为根据本公开一实施例所示的渐变掺杂宽波导带间级联激光器的制备方法流程图。
图6为根据本公开一实施例所示的渐变掺杂宽波导带间级联激光器的工艺流程图。
【符号说明】
101-衬底； 102-下波导包层；
103-下分别限制层；
104-级联区；
41-电子注入区； 42-空穴注入区；
43-W型有源区；
105-上分别限制层； 106-上波导包层；
107-上接触层。
具体实施方式
本公开提出一种渐变掺杂宽波导带间级联激光器及其制备方法，通过在级联区的两侧引入微米级厚度的分别限制层，并且对分别限制层采用渐变掺杂，使得两端的掺杂浓度相对较高，中心区域的掺杂浓度相对较低，能有效降低异质结面的电压降，提高光电效率，并且减小串联电阻，减小自由载流子吸收，减小器件的损耗，并使引入分别限制层导致的能带突变得到进一步的平缓，达到降低工作电压，提高工作效率的效果。
为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。本公开中，术语“介于之间”包含端点值。
现有的带间级联激光器的衬底包括GaSb、InAs等，不同衬底的带间级联激光器对应的波段范围存在差异，鉴于GaSb衬底带间级联激光器在3μm～4μm波段内调控作用显著，下面以基于GaSb衬底的带间级联激光器对渐变掺杂宽波导带间级联激光器及其制备方法进行说明。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种基于GaSb衬底的渐变掺杂宽波导带间级联激光器。
图1为根据本公开一实施例所示的渐变掺杂宽波导带间级联激光器的外延结构示意图。
参照图1所示，本公开提出的渐变掺杂宽波导带间级联激光器，包括：衬底101；以及自下而上依次外延的下波导包层102、下分别限制层103、级联区104、上分别限制层105、上波导包层106、以及上接触层107；其中，下分别限制层103和上分别限制层105的厚度为百纳米到微米量级，并且下分别限制层103和上分别限制层105都是渐变掺杂，使得下分别限制层103和上分别限制层105的两端掺杂浓度相对较高，中心区域掺杂浓度相对较低。
该渐变掺杂宽波导带间级联激光器在有源级联区的两端插入了较厚的GaSb分别限制层，由于GaSb分别限制层有较大的折射率，可以提高整个器件中心区域的光场限制，进而提高光学限制因子。在此之上，对GaSb分别限制层进行n型的渐变掺杂，对于分别限制层的两端采用较高的掺杂浓度，而分别限制层的中间采用较低的掺杂浓度，两种掺杂浓度之间为梯度渐变掺杂，这种渐变掺杂的分别限制层可以有效的减小异质结电压降以及长波下的光学损失，并提高光学限制因子，通过计算表明，引入渐变掺杂宽波导可以使光学限制因子从32.4％提高到78.9％，从而提高光学增益，提高器件的工作性能。
下面对本实施例的渐变掺杂宽波导带间级联激光器的各个部分进行详细介绍。
本实施例中，衬底101为n型的GaSb材料，掺杂浓度介于1e17～1e18cm-3之间，厚度介于500μm～550μm之间。
本实施例中，下波导包层102，外延于衬底101之上，为n型掺杂的InAs/AlSb超晶格材料，其与衬底101晶格匹配周期通常为4.73nm，通常为400-700个周期，掺杂浓度介于1e16～1e18cm-3之间。
本实施例中，下分别限制层103，外延于下波导包层102之上，为渐变掺杂的宽波导GaSb分别限制层；其中，下分别限制层103的厚度介于0.5μm～1.5μm之间，其具体厚度的数值视级联区104的厚度而定，并可随级联区104厚度的增加而增加，该下分别限制层103的厚度在百纳米到微米的量级，相对较厚，以此增加光学限制；下分别限制层103为掺Te的n型掺杂，且掺杂浓度梯度渐变，在该下分别限制层103两端的掺杂浓度介于5e16～1e18cm-3之间，而在该下分别限制层103中心的掺杂浓度介于1e14～1e16cm-3之间。
本实施例中，级联区104，外延于下分别限制层103之上，为级联结构，该级联区104包含4-15个周期的级联结构，该级联结构包括：用于二类带间跃迁的W型有源区43；用于输运空穴的空穴注入区42；以及用于输运电子的电子注入区41。
本实施例中，W型有源区43为InAs/InGaSb/InAs/AlSb，其中InAs的厚度介于1nm～3nm之间，InGaSb的厚度介于2nm～4nm之间，In组分介于0.25～0.4之间，AlSb的厚度介于2nm～4nm之间。
本实施例中，空穴注入区42为GaSb/AlSb超晶格，其周期为1～4个周期，且每个晶格单元中各组分的厚度在不同周期中渐变，GaSb的厚度介于2nm～5nm之间，AlSb的厚度介于1nm～4nm之间。在一实例中，空穴注入区42为3个周期的GaSb/AlSb超晶格，其厚度分布如下：
GaSb(2)/AlSb(3)/GaSb(3)/AlSb(3.5)/GaSb(4)/AlSb(4)(nm)。
本实施例中，电子注入区41为InAs/AlSb超晶格，其周期为4～10个周期，其中InAs的厚度在不同周期中渐变，AlSb可略有变化，InAs的厚度介于1nm～5nm之间，AlSb的厚度介于1nm～4nm之间，其中若干个周期的InAs进行重掺杂，掺杂浓度在1018cm-3量级。
本实施例中，上分别限制层105外延于级联区104之上，为渐变掺杂的宽波导GaSb分别限制层；其中，上分别限制层105的厚度介于0.5μm～1.5μm之间，为n型掺杂的GaSb材料，与下分别限制层103对称，其同样为掺Te的n型掺杂，且掺杂浓度梯度渐变，在上分别限制层105两端的掺杂浓度介于5e16～1e18cm-3之间，而在上分别限制层105中心的掺杂浓度介于1e14～1e16cm-3之间。
本实施例中，上波导包层106，外延于上分别限制层105之上，为n型掺杂的InAs/AlSb超晶格材料，其与衬底101的晶格匹配周期通常为4.73nm，相比于下波导包层102更薄，通常为200～300个周期，掺杂浓度介于1e16～1e18cm-3之间。
本实施例中，上接触层107，外延于上波导包层106之上，为n型掺杂的InAs材料，其掺杂浓度介于1e18～1e19cm-3之间，厚度介于20nm～50nm之间。
本实施例中，渐变掺杂宽波导带间级联激光器采用的是双沟道脊型波导结构，但本公开并不以此为限。本领域技术人员应当相当清楚，激光器中波导结构也可以为简单的条形波导结构。本公开实施例中，刻蚀形成的脊型波导结构的深度到达下分别限制层以上任意位置，双沟道脊型波导的宽度可以为窄条型5μm-35μm，对于单一的条形波导结构，可以为宽条型约为100μm-200μm，本领域技术人员应当清楚，此实例中具体的波导结构可以为多种，这里不作赘述。
在一些优选实施例中，可以在渐变掺杂宽波导带间级联激光器的各个不同区域之间插入过渡层，以此降低电压降，这里的不同区域包括：下波导包层102、下分别限制层103、级联区104、上分别限制层105、上波导包层106、以及上接触层107。
图2为根据本公开一实施例所示的渐变掺杂宽波导带间级联激光器的光场分布图。图3为根据本公开一实施例所示的渐变掺杂宽波导带间级联激光器的电流-电压-功率输出特性曲线。图4为根据本公开一实施例所示的渐变掺杂宽波导带间级联激光器的激射谱。
对本实施例的渐变掺杂宽波导带间级联激光器进行了光学、电学测试，如图2所示，采用这种结构的带间级联激光器的光场被有效的限制在其核心区域中间，整个分别限制层与级联区的光学限制因子可以达到78.9％；如图3所示，为采用了渐变掺杂宽波导带间级联激光器的电流-电压-输出功率图，由于此激光器通过采用渐变掺杂宽波导，有效的提高了器件的光学限制，进而增加了器件工作温度，图中为已经实现了室温连续激射的器件IVP曲线。如图4所示，为采用了渐变掺杂宽波导带间级联激光器实现中红外波段的光谱图，其中器件的激射峰位于3.45μm。由此可见：本实施例的渐变掺杂宽波导带间级联激光器，由于引入了较厚(微米级)的分别限制层，能够有效提高光学限制因子，增加光学增益；并且对分别限制层采用非均匀掺杂，使得分别限制层的两端掺杂浓度相对较高，分别限制层的中心区域掺杂浓度相对较低，其中，分别限制层的两端掺杂浓度相对较高，可以有效的降低异质结面的电压降，提高光电效率；分别限制层的中心区域掺杂浓度相对较低，减小自由载流子吸收，减小器件的损耗；而且非均匀掺杂采用渐变掺杂的方式，其渐变掺杂浓度可以有效的减小体材料由于掺杂浓度不同而导致的在掺杂界面处产生的能带突变，使得这个能带突变得到进一步的平缓，从而降低工作电压，提高工作效率。
在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种渐变掺杂宽波导带间级联激光器的制备方法。
图5为根据本公开一实施例所示的渐变掺杂宽波导带间级联激光器的制备方法流程图。图6为根据本公开一实施例所示的渐变掺杂宽波导带间级联激光器的工艺流程图。
结合图1、图5和图6所示，本实施例中，渐变掺杂宽波导带间级联激光器的制备方法，包括：
步骤S502：在衬底上依次外延下波导包层、下分别限制层、级联区、上分别限制层、上波导包层、以及上接触层，得到外延片；
本实施例中，该步骤S502具体操作如下：将GaSb衬底101放在分子束外延设备中，依次制备下波导包层102、下分别限制层103、级联区104、上分别限制层105、上波导包层106、以及上接触层107。在一些实例中，在GaSb衬底101上外延400个周期的掺Si的掺杂浓度为1e18cm-3的InAs/AlSb超晶格下波导包层102；之后外延掺Te的掺杂浓度为1e18cm-3的GaSb下分别限制层103，之后进行渐变掺杂，掺杂到GaSb下分别限制层103的中心，其掺杂浓度为1e14cm-3，之后再进行渐变掺杂，掺杂到GaSb下分别限制层103的两端，其掺杂浓度为1e18cm-3，整个GaSb下分别限制层103中不变掺杂以及渐变掺杂的厚度之和为1.2μm；之后依次外延5个周期的W型有源区43，空穴注入区42以及电子注入区41，其典型的级联区结构为2.5nmAlSb/1.7nm InAs/3.0nm In0.35Ga0.65Sb/1.4nm InAs/1.0nm AlSb/3.0nm GaSb/1.0nmAlSb/4.5nm GaSb/2.5nm AlSb/4.2nm InAs/1.2nm AlSb/3.2nm InAs/1.2nm AlSb/2.5nmInAs/1.2nm AlSb/2.0nm InAs/1.2nm AlSb/1.7nm InAs/1.2nm AlSb/1.7nm InAs；之后外延与下分别限制层103对称的上分别限制层105，同样为1.2μm的两端高掺杂，中间低掺杂的渐变掺杂；之后外延周期数为200的掺Si的InAs/AlSb超晶格上波导包层106；最后外延50nm掺Si且重掺杂浓度为1e19cm-3的InAs上接触层107。
步骤S504：在外延片上制作波导结构；
本实施例中，渐变掺杂宽波导带间级联激光器采用的是双沟道脊型波导结构，可以选用光刻的方法来制作该波导结构，具体操作包括：在上接触层107上旋涂光刻胶，用普通的接触式曝光方法，以光刻板为掩膜，制备出脊型波导的掩膜图形，使整个图形位于器件的上表面；以及用光刻胶做掩膜，用电感耦合等离子体刻蚀的方法或者反应离子刻蚀的方法刻蚀上表面，从而得到脊型波导。
步骤S506：在波导结构上制作p型正面电极，在衬底的背面制作n型背面电极；
本步骤S506中，在波导结构上制作p型正面电极，包括：在制备完脊型波导的外延片表面沉积绝缘层；在对应脊形波导处进行光刻，刻蚀掉绝缘层，得到电极窗口；以及在电极窗口上方制作p型正面电极。
在一实例中，在波导结构上制作p型正面电极，具体包括：利用等离子增强化学气相沉积法沉积250nm-300nm厚的绝缘层，该绝缘层的材料包括：SiO2或SiNx；利用接触式光刻，在脊型波导上方利用光刻板作为掩膜，制备出脊型波导上方的电极窗口图形，然后利用光刻胶作为掩膜，利用ICP刻蚀250nm的绝缘层，使得器件的P型接触层暴露出来，用于之后的金属电极形成欧姆接触；然后在器件的上表面利用磁控溅射方法溅射Ti/Pu/Au厚度为20nm/50nm/300nm，以形成P面的欧姆接触。
本步骤S506中，在衬底的背面制作n型背面电极，包括：对器件的下表面进行减薄抛光，将器件的GaSb衬底减薄至150μm-200μm，并进行抛光；再采用Ni/AuGe/Au形成N面的欧姆接触，厚度分别为5nm/100nm/300nm，之后放入快速热退火设备中进行退火，以此形成N面的欧姆接触。
步骤S508：将制作完正面电极和背面电极的片子解离呈巴条，并在巴条的解离面上镀膜；
本步骤S508中，在巴条的解离面上镀膜包括：在前腔面镀增透膜λ/4的Al2O3，后腔面镀高反膜200nm的Al2O3/100nm的Au。
步骤S510：解离管芯，倒装焊在热沉上，完成渐变掺杂宽波导带间级联激光器的制备。
综上所述，本公开提供了一种渐变掺杂宽波导带间级联激光器及其制备方法，其相比于普通的带间级联激光器来说，区别于普通的带间级联激光器中分别限制层的纳米级厚度，设置分别限制层的厚度为几微米，解决了原来由于带间级联激光器级联区的平均折射率较低，导致的光学限制作用不足的问题，通过增加分别限制层的厚度可以有效的提高光学限制因子，增大光学增益。除此之外，通过引入渐变掺杂，可以保证在分别限制层的两端由于具有较高的掺杂浓度而降低异质结电压降，由于分别限制层的中心区域具有低掺杂浓度，可以有效的减小器件的损耗，提高电子利用效率，此外，渐变掺杂的引入还可以减小由于掺杂突变而导致的能带突变，从而降低器件的工作电压，降低器件的功耗。
需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、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，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种渐变掺杂宽波导带间级联激光器，包括：
衬底；其中，所述衬底的材料为n型的GaSb，掺杂浓度介于1e17～1e18cm-3之间，厚度介于500μm～550μm之间；以及
自下而上依次外延的下波导包层、下分别限制层、级联区、上分别限制层、上波导包层、以及上接触层；
其中，下分别限制层和上分别限制层均为n型掺杂的GaSb，其中，所述下分别限制层和所述上分别限制层的厚度为百纳米到微米量级，并且下分别限制层和上分别限制层都是渐变掺杂，使得下分别限制层和上分别限制层的两端掺杂浓度相对较高，中心区域掺杂浓度相对较低；
其中，所述级联区包含若干周期的级联结构，该级联结构包括：用于二类带间跃迁的W型有源区；用于输运空穴的空穴注入区；以及用于输运电子的电子注入区。
2.根据权利要求1所述的渐变掺杂宽波导带间级联激光器，其中：
所述下波导包层为n型掺杂的InAs/AlSb超晶格，该InAs/AlSb超晶格的周期为400-700个，掺杂浓度介于1e16～1e18cm-3之间；和/或
所述上波导包层为n型掺杂的InAs/AlSb超晶格，该InAs/AlSb超晶格的周期为200～300个，掺杂浓度介于1e16～1e18cm-3之间。
3.根据权利要求1所述的渐变掺杂宽波导带间级联激光器，其中，厚度均介于0.5μm～1.5μm之间，该厚度的数值随级联区厚度的增加而增加；所述下分别限制层和上分别限制层两端的掺杂浓度均介于5e16～1e18cm-3之间，中心的掺杂浓度介于1e14～1e16cm-3之间。
4.根据权利要求1所述的渐变掺杂宽波导带间级联激光器，其中，所述W型有源区为InAs/InGaSb/InAs/AlSb，其中InAs的厚度介于1nm～3nm之间，InGaSb的厚度介于2nm～4nm之间，In组分介于0.25～0.4之间，AlSb的厚度介于2nm～4nm之间。
5.根据权利要求1所述的渐变掺杂宽波导带间级联激光器，其中，所述空穴注入区为GaSb/AlSb超晶格，该GaSb/AlSb超晶格的周期为1～4个，且每个晶格单元中各组分的厚度在不同周期中渐变，GaSb的厚度介于2nm～5nm之间，AlSb的厚度介于1nm～4nm之间。
6.根据权利要求1所述的渐变掺杂宽波导带间级联激光器，其中，所述电子注入区为InAs/AlSb超晶格，该InAs/AlSb超晶格的周期为4～10个，其中InAs的厚度在不同周期中渐变，InAs的厚度介于1nm～5nm之间，AlSb的厚度介于1nm～4nm之间。
7.根据权利要求1至6任一项所述的渐变掺杂宽波导带间级联激光器，其中，所述下波导包层、下分别限制层、级联区、上分别限制层、上波导包层、以及上接触层中有两个相邻的区域之间存在过渡层。
8.一种渐变掺杂宽波导带间级联激光器的制备方法，包括：
在衬底上依次外延下波导包层、下分别限制层、级联区、上分别限制层、上波导包层、以及上接触层，得到外延片；其中，下分别限制层和上分别限制层均为n型掺杂的GaSb，下分别限制层和上分别限制层的厚度为百纳米到微米量级，并且下分别限制层和上分别限制层采用渐变掺杂，使得下分别限制层和上分别限制层的两端掺杂浓度相对较高，中心区域掺杂浓度相对较低；
在外延片上制作波导结构；
在波导结构上制作p型正面电极，在衬底的背面制作n型背面电极；
将制作完正面电极和背面电极的片子解离呈巴条，并在巴条的解离面上镀膜；以及
解离管芯，倒装焊在热沉上，完成渐变掺杂宽波导带间级联激光器的制备。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111431033B (zh) * 2020-04-10 2021-04-09 中国科学院半导体研究所 一种中红外锑化物量子级联激光器及其制备方法
CN111490453B (zh) * 2020-04-24 2021-08-31 中国科学院半导体研究所 含有分步掺杂下波导层的GaN基激光器及其制备方法
CN111987588A (zh) * 2020-09-17 2020-11-24 创兆光有限公司 具有光场集中结构的半导体激光器
CN112582879A (zh) * 2020-12-11 2021-03-30 睿创微纳(无锡)技术有限公司 红外半导体激光器及其制备方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001036192A (ja) * 1999-07-22 2001-02-09 Nec Corp 分布帰還型半導体レーザおよびその製造方法
CN102208757B (zh) * 2011-04-28 2012-10-10 长春理工大学 一种长波长锑化物半导体激光器结构
CN103532008B (zh) * 2013-10-23 2016-04-20 中国科学院半导体研究所 一种低发散角分布反馈量子级联激光器结构及制作方法
CN106532433B (zh) * 2016-12-30 2018-10-19 苏州全磊光电有限公司 一种窄垂直方向远场发散角的激光器及其制备方法
CN108365518A (zh) * 2018-03-13 2018-08-03 中国科学院半导体研究所 差频太赫兹量子级联激光器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"高效率半导体激光器波导层掺杂的优化设计";熊聪 等;《半导体光电》;20100228(第1期);第16页第1段-第19页第6段，图1-5 *

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