CN210838437U - 脊型量子阱/量子点有源区的激光器结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型脊型量子阱/量子点有源区的激光器结构，属于半导体材料技术领域；提供了一种光谱发散角小、电光转换效率效率高的脊型量子阱/量子点有源区的激光器结构及其制备方法；该结构包括偏角衬底以及在偏角衬底上依次设置的缓冲层、N型掺杂的限制层，N型掺杂的波导层，脊型波导层、有源层、P型掺杂的波导层、P型掺杂的限制层、顶层和电极接触层，有源层包括从下到上依次设置的脊型下垒层、量子阱层、量子点盖层和脊型上垒层，在量子阱层的表面上设置有多个量子点；本实用新型可广泛应用于激光器领域。

Description

脊型量子阱/量子点有源区的激光器结构

技术领域

本实用新型脊型量子阱/量子点有源区的激光器结构，属于半导体材料技术领域。

背景技术

传统半导体激光器采用量子阱有源区结构，它是在无偏角衬底上采用金属有机化学气相沉积法生长的量子阱有源区激光外延材料。该材料制备的激光器具有光谱半峰宽较宽、阈值电流高、束缚载流子能力弱、功率低等缺点。传统量子点激光器存在声子瓶颈效应，载流子的注入效率低，严重影响了激光器的电光转化效率。因此，传统的大功率半导体激光器存在电光转换效率和可靠性低等问题。

实用新型内容

本实用新型脊型量子阱/量子点有源区的激光器结构，克服了现有技术存在的不足，提供了一种光谱发散角小、电光转换效率效率高的脊型量子阱/量子点有源区的激光器结构及其制备方法。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种脊型量子阱/量子点有源区的激光器结构，包括偏角衬底以及在偏角衬底上依次设置的缓冲层、N型掺杂的限制层，N型掺杂的波导层，脊型波导层、有源层、P型掺杂的波导层、P型掺杂的限制层、顶层和电极接触层，有源层包括从下到上依次设置的脊型下垒层、量子阱层、量子点盖层和脊型上垒层，在量子阱层的表面上设置有多个量子点。

进一步的，所述偏角衬底所用材料为带有偏角的GaAs衬底，GaAs衬底中的{100}晶面偏向{011}晶面，{100}晶面与{011}晶面之间的夹角为0～6度。

进一步的，所述脊型下垒层、所述量子阱层、所述量子点、所述量子点盖层和所述脊型上垒层形成单个脊型量子阱/量子点层，1～5个脊型量子阱/量子点层层叠形成所述有源层。

进一步的，所述量子点的为球形或半球，其直径为1～3nm。

一种脊型量子阱/量子点有源区的激光器结构的制备方法，包括以下步骤：

清洗偏角衬底步骤：反应室温度为700～740 ℃时，通入氢气并持续5～15分钟，清洗掉GaAs衬底表面颗粒污染物和去除表面氧原子；

缓冲层生长步骤：温度降至650～680 ℃，三甲基镓流量为90 sccm，砷烷流量为440 sccm，硅烷流量为50～100 sccm， N型掺杂浓度大于2×10¹⁸ cm^-3，生长厚度为150～300nm的GaAs缓冲层；

N型掺杂的限制层生长步骤：温度保持不变，三甲基镓流量为55 sccm，三甲基铝流量为125 sccm，砷烷流量为440 sccm，硅烷流量为50～100sccm，N型掺杂浓度为大于2×10¹⁸ cm^-3，生长N-Al_xGa_1-xAs限制层，其中0＜x＜0.5；

N型掺杂的波导层的生长步骤：温度保持不变，三甲基镓流量为90 sccm，三甲基铝流量为40 sccm，砷烷流量为600～1200 sccm，本底掺杂浓度为大于1×10¹⁶ cm^-3，生长N-Al_xGa_1-x As波导层，其中0＜x＜0.2；

脊型波导层的生长步骤：温度升至680～700度，三甲基镓流量为45 sccm，三甲基铝流量为20 sccm，砷烷流量为300～600 sccm，生长AlGaAs脊型波导层；

脊型下垒层的生长步骤：温度保持不变，三甲基镓流量为45 sccm，砷烷流量为800～1500 sccm，磷烷流量为300～500 sccm，持续时间为36秒，生长GaAs_xP_1-x 脊型下垒层，其中0.8＜x＜1；

量子阱层的生长步骤：温度保持不变，三甲基镓流量为64 sccm，三甲基铟流量为240 sccm，砷烷流量为1000～2000 sccm，生长时间为18秒，生长In_xGa_1-xAs量子阱层，，其中0＜x＜0.25；

量子点的生长步骤：温度保持不变，三甲基镓流量为64 sccm，三甲基铟流量为240sccm，砷烷流量为100～200 sccm，持续3秒，接着温度保持不变，停止三甲基镓和三甲基铟流入，持续3秒，形成In_xGa_1-xAs量子点，其中，0.3＜x＜0.5；

量子点盖层的生长步骤：温度保持不变，三甲基镓流量为64 sccm，三甲基铟流量为240 sccm，砷烷流量为1000～2000 sccm，生长时间为5秒，形成In_xGa_1-xAs盖层，其中，0＜x＜0.25；

脊型上垒层的生长步骤：温度保持不变，三甲基镓流量为45 sccm，砷烷流量为800～1500 sccm，磷烷流量为300～500 sccm，生长时间为36秒，生长GaAs_xP_1-x 脊型上垒层，其中0.8＜x＜1；

重复执行脊型下垒层的生长步骤至脊型上垒层的生长步骤0～4次，形成脊型量子阱/量子点有源层；

P型掺杂的波导层的生长步骤：温度降为650～680 ℃，三甲基镓流量为97 sccm，三甲基铝流量为28 sccm，砷烷流量为1160 sccm，本底掺杂浓度小于1×10¹⁶ cm^-3，生长P-Al_xGa_1-xAs波导层，其中0＜x＜0.2；

P型掺杂的限制层的生长步骤：温度保持不变，三甲基镓流量为75 sccm，三甲基铝流量为70 sccm，砷烷流量为1160 sccm，四溴化碳流量为5～20 sccm，P型掺杂浓度大于2×10¹⁷ cm^-3，生长P-Al_xGa_1-xAs限制层，其中0＜x＜0.4；

顶层的生长：温度降至550～650 ℃，三甲基镓流量为90 sccm，砷烷流量为440sccm，四溴化碳流量为10～25 sccm， N型掺杂浓度为大于2×10¹⁹cm^-3，生长厚度为150～300 nm的P-GaAs顶层；

电极接触层的是生长：温度保持不变，三甲基镓流量为90 sccm，砷烷流量为440sccm，四溴化碳流量为10～20 sccm，生长厚度为50～150 nm，N型掺杂浓度为大于1×10²⁰cm^-3，生长厚度为50～150 nm 的P+-GaAs电极接触层；

至此，脊型量子阱/量子点有源区的激光器外延材料生长完成。

本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果。

1.本实用新型采用在偏角GaAs衬底上采用金属有机化学气相沉积法生长脊型量子阱/量子点有源区的激光器。该结构可解决光谱半峰宽较宽、阈值电流高、束缚载流子能力弱、载流子利用效率低等问题，从而获得具有窄的光谱特性、低的阈值电流和高的可靠性和电光转换效率的大功率激光器件。

2.本实用新型脊型量子阱/量子点有源区激光外延结构比传统的量子点激光器结构更有利用载流子从垒层注入到量子点区，实现更高光增益的优点，具有低阈值电流和高电光转换效率，为制备大功率激光芯片的制备提供外延材料，从而实现激光芯片具有低阈值、高输出功率的目的。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供脊型量子阱量子点有源区的激光器结构的示意图。

图2为本实用新型实施例提供脊型量子阱量子点有源区的激光器结构中有源区层局部放大示意图。

图中，1-偏角衬底，2-缓冲层，3-N型掺杂的限制层，4-N型掺杂的波导层，5-脊型波导层，6-有源层，7-P型掺杂的波导层，8-P型掺杂的限制层，9-顶层，10-电极接触层，61-脊型下垒层，62-量子阱层，63-量子点，64-量子点盖层，65-脊型上垒层。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的说明。

如图1、图2所示，本实用新型一种脊型量子阱/量子点有源区的激光器结构，包括偏角衬底1以及在偏角衬底1上依次设置的缓冲层2、N型掺杂的限制层3，N型掺杂的波导层4，脊型波导层5、有源层6、P型掺杂的波导层7、P型掺杂的限制层8、顶层9和电极接触层10，有源层6包括从下到上依次设置的脊型下垒层61、量子阱层62、量子点盖层64和脊型上垒层65，在量子阱层62的表面上设置有多个量子点63。

偏角衬底1所用材料为带有偏角的GaAs衬底，GaAs衬底中的{100}晶面偏向{011}晶面，{100}晶面与{011}晶面之间的夹角为0～6度。

脊型下垒层61、量子阱层62、量子点63、量子点盖层64和脊型上垒层65形成单个脊型量子阱/量子点层，1～5个脊型量子阱/量子点层层叠形成有源层6。

一般来说，量子点63的为球形或半球，其直径为1～3nm。

具体实施时，缓冲层2厚度为150～300 nm，材料为GaAs。N型掺杂的限制层3的材料为N-Al_xGa_1-xAs，其中0＜x＜0.5。N型掺杂的波导层4的材料为N-Al_xGa_1-x As，其中0＜x＜0.2。脊型波导层5近似为三棱柱结构，材料为AlGaAs。脊型下垒层61的材料为GaAs_xP_1-x，其中0.8＜x＜1。量子阱层62的材料为In_xGa_1-xAs，其中0＜x＜0.25。量子点63的材料为In_xGa_{1- x}As，其中，0.3＜x＜0.5。量子点盖层64的材料为In_xGa_1-xAs，其中，0＜x＜0.25。脊型上垒层65的材料为GaAs_xP_1-x，其中0.8＜x＜1。P型掺杂的波导层7的材料为P-Al_xGa_1-xAs，其中0＜x＜0.2。P型掺杂的限制层8的材料为P-Al_xGa_1-xAs，其中0＜x＜0.4。顶层9的厚度为150～300nm，材料为P-GaAs。电极接触层10的厚度为50～150 nm，材料为P+-GaAs。

一种脊型量子阱/量子点有源区的激光器结构的制备方法，包括以下步骤：

清洗偏角衬底步骤：反应室温度为700～740 ℃时，通入氢气并持续5～15分钟，清洗掉GaAs衬底表面颗粒污染物和去除表面氧原子；

缓冲层生长步骤：温度降至650～680 ℃，三甲基镓流量为90 sccm，砷烷流量为440 sccm，硅烷流量为50～100 sccm， N型掺杂浓度大于2×10¹⁸ cm^-3，生长厚度为150～300nm的GaAs缓冲层；

N型掺杂的限制层生长步骤：温度保持不变，三甲基镓流量为55 sccm，三甲基铝流量为125 sccm，砷烷流量为440 sccm，硅烷流量为50～100sccm，N型掺杂浓度为大于2×10¹⁸ cm^-3，生长N-Al_xGa_1-xAs限制层，其中0＜x＜0.5；该层能够提供电子并限制光场分布；

N型掺杂的波导层的生长步骤：温度保持不变，三甲基镓流量为90 sccm，三甲基铝流量为40 sccm，砷烷流量为600～1200 sccm，本底掺杂浓度为大于1×10¹⁶ cm^-3，生长N-Al_xGa_1-x As波导层，其中0＜x＜0.2；该层起光子反射传播的作用；

脊型波导层的生长步骤：温度升至680～700度，三甲基镓流量为45 sccm，三甲基铝流量为20 sccm，砷烷流量为300～600 sccm，生长AlGaAs脊型波导层；

脊型下垒层的生长步骤：温度保持不变，三甲基镓流量为45 sccm，砷烷流量为800～1500 sccm，磷烷流量为300～500 sccm，持续时间为36秒，生长GaAs_xP_1-x 脊型下垒层，其中0.8＜x＜1；该层形成了更加均匀的脊型垒层纳米结构。

量子阱层的生长步骤：温度保持不变，三甲基镓流量为64 sccm，三甲基铟流量为240 sccm，砷烷流量为1000～2000 sccm，生长时间为18秒，生长In_xGa_1-xAs量子阱层，其中0＜x＜0.25；该层即浸润层；

量子点的生长步骤：温度保持不变，三甲基镓流量为64 sccm，三甲基铟流量为240sccm，砷烷流量为100～200 sccm，持续3秒，接着温度保持不变，停止三甲基镓和三甲基铟流入，持续3秒，形成In_xGa_1-xAs量子点，其中，0.3＜x＜0.5；

量子点盖层的生长步骤：温度保持不变，三甲基镓流量为64 sccm，三甲基铟流量为240 sccm，砷烷流量为1000～2000 sccm，生长时间为5秒，形成In_xGa_1-xAs盖层，其中，0＜x＜0.25；

脊型上垒层的生长步骤：温度保持不变，三甲基镓流量为45 sccm，砷烷流量为800～1500 sccm，磷烷流量为300～500 sccm，生长时间为36秒，生长GaAs_xP_1-x 脊型上垒层，其中0.8＜x＜1；

重复执行脊型下垒层的生长步骤至脊型上垒层的生长步骤0～4次，形成脊型量子阱/量子点有源层；有源层也就是量子点的发光层。

P型掺杂的波导层的生长步骤：温度降为650～680 ℃，三甲基镓流量为97 sccm，三甲基铝流量为28 sccm，砷烷流量为1160 sccm，本底掺杂浓度小于1×10¹⁶ cm^-3，生长P-Al_xGa_1-xAs波导层，其中0＜x＜0.2；该层是光子反射传播作用，同时降低温度是为了生长模式的转变，使生长的表面/界面的粗糙度降低。

P型掺杂的限制层的生长步骤：温度保持不变，三甲基镓流量为75 sccm，三甲基铝流量为70 sccm，砷烷流量为1160 sccm，四溴化碳流量为5～20 sccm，P型掺杂浓度大于2×10¹⁷ cm^-3，生长P-Al_xGa_1-xAs限制层，其中0＜x＜0.4；该层提供空穴并限制光场分布，限制光子进入限制层以外的外延层，降低光子损失。

顶层的生长：温度降至550～650 ℃，三甲基镓流量为90 sccm，砷烷流量为440sccm，四溴化碳流量为10～25 sccm， N型掺杂浓度为大于2×10¹⁹cm^-3，生长厚度为150～300 nm的P-GaAs顶层；该层起到电流扩散的作用；

电极接触层的是生长：温度保持不变，三甲基镓流量为90 sccm，砷烷流量为440sccm，四溴化碳流量为10～20 sccm，生长厚度为50～150 nm，N型掺杂浓度为大于1×10²⁰cm^-3，生长厚度为50～150 nm 的P+-GaAs电极接触层；该层是与P电极形成欧姆接触。

至此，脊型量子阱/量子点有源区的激光器外延材料生长完成。

尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本实用新型，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本实用新型的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (4)

1.一种脊型量子阱/量子点有源区的激光器结构，其特征在于：包括偏角衬底（1）以及在偏角衬底（1）上依次设置的缓冲层（2）、N型掺杂的限制层（3），N型掺杂的波导层（4），脊型波导层（5）、有源层（6）、P型掺杂的波导层（7）、P型掺杂的限制层（8）、顶层（9）和电极接触层（10），有源层（6）包括从下到上依次设置的脊型下垒层（61）、量子阱层（62）、量子点盖层（64）和脊型上垒层（65），在量子阱层（62）的表面上设置有多个量子点（63）。

2.根据权利要求1所述的脊型量子阱/量子点有源区的激光器结构，其特征在于：所述偏角衬底（1）所用材料为带有偏角的GaAs衬底，GaAs衬底中的{100}晶面偏向{011}晶面，{100}晶面与{011}晶面之间的夹角为0～6度。

3.根据权利要求1所述的脊型量子阱/量子点有源区的激光器结构，其特征在于：所述脊型下垒层（61）、所述量子阱层（62）、所述量子点（63）、所述量子点盖层（64）和所述脊型上垒层（65）形成单个脊型量子阱/量子点层，1～5个脊型量子阱/量子点层层叠形成所述有源层（6）。

4.根据权利要求1所述的脊型量子阱/量子点有源区的激光器结构，其特征在于：所述量子点（63）的为球形或半球，其直径为1～3nm。

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