一種GaAs基近紅外波段含Sb多層量子點與非對稱量子阱耦合激光器結構制造技術

本發明專利技術是一種GaAs基近紅外波段含Sb多層量子點與非對稱量子阱耦合激光器結構，即采用生長的多層InGaSb量子點與能帶非對稱量子阱耦合結構，來提高激光器材料、器件的性能。這種創意會在很大程度上增大量子點的體密度，增加對載流子的俘獲能力，對量子點分布的均勻性也有所改善，增加量子點的尺寸和引入Sb基量子點，能夠使發光譜峰向通訊波段的長波長移動，波長可以覆蓋1.5μm，從而達到拓展波長、提高激光器特征溫度和降低閾值電流等目的。這一結構再加之GaAs基工藝的成熟性，易于與現有光電子器件集成等特點，GaAs基長波長含Sb量子點激光器將具有十分廣闊的應用前景，對實現性能優異的中紅外半導體激光器將具有重要意義。

【技術實現步驟摘要】
一種GaAs基近紅外波段含Sb多層量子點與非對稱量子阱耦合激光器結構
本專利技術涉及半導體激光器材料
，屬于半導體激光器結構設計和材料外延生長

技術介紹
近紅外波段半導體激光器在通信、測高、測距和遙感等方面有著廣泛的應用。研究位于該波段的低維半導體激光光源已經成為半導體研究領域中的國際前沿和熱點之一。以III-V族化合物為代表的激光器材料是目前研究最為深入和廣泛的材料體系。例如，可見光波段，主要以寬禁帶的GaN材料為主要；近紅外波段，GaAs基材料和InP基材料互為補充，特別是1.3μm和1.55μm兩個重要的通信窗口波段，國際上已有性能優異的商用器件；2μm波段中紅外波段，Sb化物材料具有很大的優勢。目前，大部分帶間躍遷的中紅外波段III-V族材料的研究也多集中于Sb化物材料。目前，在近紅外波段，主要是針對光纖通信系統和半導體光子集成而言，波長范圍在1.5-1.9μm激光器產品主要是InGaAsP/InP基材料體系研究比較成熟，并且在光纖通信、光互連、光存儲以及激光器泵浦等以單元器件為基礎的集成上取得了一定的成功。但是，由于InGaAsP和InP的折射率差異較小，且對有源區載流子的限制不足，導致激光器的溫度穩定性和性能較差。通常，InGaAsP/InP基半導體激光器的特征溫度只有60-70K，過低的溫度特性容易造成激光器的閾值電流升高和微分量子效率下降，進而影響器件的輸出功率。而且，在與以GaAs和Si基為主的、高度發展的微電子大規模集成上兼容性也很差；同時，由于InP基材料折射率差別小，在制備垂直腔面發射激光器等功能單片集成器件方面存在很大困難，限制了其進一步的應用。高應變的In(Al)GaAs材料體系波長雖然可以覆蓋到1.5μm，但波長拓展較為困難。InGaAsN材料體系曾被認為是有望替代InGaAsP材料體系的材料，N的高濃度摻入難度很大，很難獲得高質量的長波長材料，而且將銻引入用來制備長波長材料仍處于實驗室階段。Sb化物材料被認為是第四代半導體材料，許多優異的性能正在逐漸顯現，已經成為半導體材料研究的前沿和熱點領域之一，但從Sb化物研究本身來看，I型InGaAsSb/AlGaAsSb量子阱激光器雖然波長可以覆蓋1.7-3.5μm，研究也取得了很大進步，但在材料外延生長和制備工藝上會遇到許多難點，諸如材料質量不高，工藝復雜、重復性差等問題。雖然經過近20年的發展，器件的性能仍然無法與GaAs基和InP基材料相比；II型的InAs/GalnSb材料至今沒有2μm以下的報道，因此發展一種波長位于1.5μm波段的新型、高效的半導體激光器材料和結構將具有非常重要的意義。這就需要在新型激光器材料結構、激光器制作工藝、外延生長技術等方面有針對性地提出創新思路，以解決不利因素的影響。上世紀七十年代初期，隨著低維半導體結構和超晶格概念的提出，引發了半導體材料和光電器件研究的熱潮。近三十年來，伴隨著金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)和分子束外延(MBE)等薄膜生長制備技術的日益成熟，新型低維半導體結構的研究和應用在理論和實驗上都取得了重大突破，使得這門學科的研究越來越引起世界各國政府、科技界和信息產業界的高度重視。人們也越來越堅信，新型低維半導體結構和新材料的研究必將為其進一步應用發揮出巨大潛力。同時，對這一領域的研究，還揭示出了大量的新的構思和物理效應。“能帶工程”、“納米技術”、“摻雜工程”和“微腔技術”等創新技術的發展和應用對其也產生了重要的影響。量子點因為具有類似于原子的分立能級，以其作為有源區的激光器理論上具有閾值低、光增益大、特征溫度高和調制帶寬范圍大等優點。現今，最廣泛的制備量子點的方法是自組織方法，其優點在于：量子點缺陷少，界面質量好，量子點密度較高等。但是，其缺點是量子點的尺寸分布不均勻、幾何形狀和密度難以控制，且發光波長多集中在1.1-1.3μm附近，在向長波長拓展上遇到了很大困難。如何提高量子點材料的均勻性，有效拓展量子點的發光波長成為重要的研究方向。制備發光波長位于1.5-1.9μm這樣一波段量子點激光器，成為進一步研究量子點激光器所要解決的關鍵問題之一。
技術實現思路
本專利技術專利是一種GaAs基近紅外波段含Sb多層量子點與非對稱量子阱耦合激光器結構，即采用生長的多層InGaSb量子點與量子阱耦合結構，來提高激光器材料、器件的性能。這種創意會在很大程度上增大量子點的體密度，增加對載流子的俘獲能力，對量子點分布的均勻性也有所改善，而且，理論計算也表明，增加量子點的尺寸和引入Sb基量子點，能夠使發光譜峰向通訊波段的長波長移動，波長可以覆蓋1.5-1.9μm，從而達到拓展波長、提高激光器特征溫度和降低閾值電流等目的。這一結構再加之GaAs基工藝的成熟性，易于與現有光電子器件集成等特點，GaAs基長波長含Sb量子點激光器將具有十分廣闊的應用前景，對實現性能優異的中紅外半導體激光器將具有重要意義。本專利技術專利是一種GaAs基近紅外波段含Sb多層量子點與非對稱量子阱耦合激光器結構，具體如下：GaAs襯底1；變Al組分的AlxGal-xAs限制層2；Al0.35Ga0.65As波導層3；In0.18Ga0.82As/In0.30Ga0.70Sb/In0.31Ga0.69As量子點和量子阱耦合層4；Al0.35Ga0.65As波導層5；變Al組分的AlxGal-xAs限制層6；GaAs蓋層7；如圖1所示。其中In0.18Ga0.82As/In0.30Ga0.70Sb/In0.31Ga0.69As量子點和量子阱耦合層4是由5層InGaSb8量子點和量子點底部頂部In0.31Ga0.69As量子阱9和頂部覆蓋的In0.18Ga0.82As量子阱10構成；如圖2所示。因為上下量子阱的組分不同，能帶是非對稱，如圖3所示。附圖說明圖1一種GaAs基近紅外波段含Sb多層量子點與非對稱量子阱耦合激光器結構示意圖。圖2含Sb多層量子點與非對稱量子阱耦合區示意圖。圖3含Sb多層量子點與非對稱量子阱耦合阱能帶結構圖。具體實施方式本專利技術專利是這樣實現的，采用分子束外延設備(MBE)，在GaAs襯底1上，經過560℃充分除氣解吸附；生長變Al組分的AlxGal-xAs限制層2，其中Al組分x＝0.35-0.9，n型摻雜濃度從1.0×1018cm-3漸變到5.0×1017cm-3，厚度1200nm；Al0.35Ga0.65As波導層3，厚度400nm；5對In0.18Ga0.82As/In0.30Ga0.70Sb/In0.31Ga0.69As量子點和量子阱耦合層4，其中In0.18Ga0.82As厚度為6nm，In0.30Ga0.70Sb量子點平均高度12nm，In0.31Ga0.69As厚度為12nm；Al0.35Ga0.65As波導層5，厚度400nm；變Al組分的AlxGal-xAs限制層6，p型摻雜濃度從5.0×1017cm-3漸變到1.0×1018cm-3，厚度1200nm；GaAs蓋層7，摻雜濃度1.0×1019cm-3。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種GaAs基近紅外波段含Sb多層量子點與非對稱量子阱耦合激光器結構，具體為：GaAs襯底(1)；變Al組分的AlxGal?xAs限制層(2)，其中Al組分x＝0.35?0.9，n型摻雜濃度從1.0×1018cm?3漸變到5.0×1017cm?3，厚度1200nm；Al0.35Ga0.65As波導層(3)，厚度400nm；5對In0.18Ga0.82As/In0.30Ga0.70Sb/In0.31Ga0.69As量子點和量子阱耦合層(4)，其中In0.18Ga0.82As厚度為6nm，In0.30Ga0.70Sb量子點平均高度12nm，In0.31Ga0.69As厚度為12nm；Al0.35Ga0.65As波導層(5)，厚度400nm；變Al組分的AlxGal?xAs限制層(6)，p型摻雜濃度從5.0×1017cm?3漸變到1.0×1018cm?3，厚度1200nm；GaAs蓋層(7)，摻雜濃度1.0×1019cm?3。

【技術特征摘要】
1.一種GaAs基近紅外波段含Sb多層量子點與非對稱量子阱耦合激光器結構，具體為：GaAs襯底(1)；變Al組分的AlxGal-xAs限制層(2)，其中Al組分x＝0.35-0.9，n型摻雜濃度從1.0×1018cm-3漸變到5.0×1017cm-3，厚度1200nm；Al0.35Ga0.65As波導層(3)，厚度400nm；5對In0.18Ga0.82As/In0.30Ga0.70Sb/In0.31Ga0.69A...

【專利技術屬性】
技術研發人員：尤明慧，李占國，劉景圣，李士軍，歐仁俠，高欣，樊娟娟，孫啟響，于秀玲，李雪，梁雪梅，史明非，孫連志，
申請(專利權)人：吉林農業大學，
類型：發明
國別省市：吉林;22