雙波長銻化物應變量子阱半導體激光器及其制備方法技術

本發明專利技術公開了一種雙波長銻化物應變量子阱半導體激光器及其制備方法，該激光器由下至上依次包括n型電極、n型襯底、緩沖層、第一n型下限制層、第一下波導層、第一有源區、第一上波導層、第一p型上限制層、隧穿pn結、第二n型下限制層、第二下波導層、第二有源區、第二上波導層、第二p型上限制層、蓋層、SiO2掩膜和p型電極，且該激光器為邊發射的脊型激光器，其中，第一有源區與第二有源區的量子阱波導層與勢壘層均采用非摻雜的低Al組分的Al0.4Ga0.6As0.03Sb0.97材料，限制層均采用高Al組分的Al0.75Ga0.25As0.05Sb0.95材料，p型限制層采用摻雜元素為Be，n型限制層采用的摻雜元素為Te。本發明專利技術提高了雙色激光器的內部量子效率，實現了單一GaSb基激光器芯片室溫下1.83μm與2.0μm波段的連續激射。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于半導體光電
,本專利技術涉及一種波長為1.83 μ m與2.0 μ m的。
技術介紹
2 5μπι波段是極其重要的大氣透射窗口，在這一波段有望實現自由空間通訊；同時非對稱雙原子和多原子分子氣體在2 5 μ m波段下存在強的吸收峰，尤其是大量污染性氣體分子(NH3 (2.1ym), HF(2.5 μ m), CH4 (2.35 μ mand3.3 μ m), HCHO(3.5 μ m),HCl (3.5 μ m)，CO (2.3 μ m))，因而激射波長處于此波段的GaSb基中遠紅外激光器器件在通訊與氣體分子譜方向有著重要的用途。GaSb基I類應變量子阱激光器經過數十年的發展，室溫下的連續激射性能得到了顯著地提升，而且已經將激射波長擴展到了 3.73μπι。1997年麻省理工大學Garbanzo，D.Z.等人首先獲得了 I類GaSb基量子阱激光器波長在2 μ m的室溫連續激射，腔長2_的激光器室溫下連續激射功率達到了1.9W，此后他們又實現了波長為2.3 2.7 μ m波段激光器的室溫下連續激射；2004年紐約大學石溪分校的L.Shterengas等人將λ = 2.4 μ m的激光器室溫連續輸出功率提高的到了 1W，脈沖功率為9W，光電轉換效率高達17.5%，該研究小組將這類激光器的工作波長不斷地延伸到了 3.6 μ m，并且實現了 3μπι以上波段百毫瓦級的室溫連續激射。在GaSb基脊型激光器性能提升的基礎上，各研究小組不僅對激光器的材料生長做了大量研究，實現了高可靠低鋁組分激光器；而且對器件結構進行了拓展設計，制備了 GaSb基的VCSEL、DFB、碟式結構的激光器。
技術實現思路
(一 )要解決的技術問題有鑒于此，本專利技術的主要目的在于提供一種可以實現1.83 μ m與2.0 μ m室溫下連續激射的，以提高雙色激光器的內部量子效率，實現單一 GaSb基激光器芯片室溫下1.83 μ m與2.0 μ m波段的連續激射，提高激光器芯片的集成度。( 二 )技術方案為了實現上述目的，本專利技術提供了一種雙波長銻化物應變量子阱半導體激光器，該激光器由下至上依次包括η型電極1、η型襯底2、緩沖層3、第一 η型下限制層4、第一下波導層5、第一有源區6、第一上波導層7、第一 P型上限制層8、隧穿pn結9、第二 η型下限制層10、第二下波導層11、第二有源區12、第二上波導層13、第二 P型上限制層14、蓋層15、SiO2掩膜16和P型電極17,且該激光器為邊發射的脊型激光器,其中，第一有源區6與第二有源區12的量子阱波導層與勢壘層均采用非摻雜的低Al組分的Ala4Gaa6Asatl3Sba97M料，限制層均米用聞Al組分的Ala75Gaa25Asatl5Sba95材料，ρ型限制層米用慘雜兀素為Be，η型限制層采用的摻雜元素為Te。為了實現上述目的，本專利技術還提供了一種制備雙波長銻化物應變量子阱半導體激光器的方法，包括:步驟1:激光器外延片生長:在襯底上依次生長GaSb緩沖層、第一 η型下限制層、第一下波導層、第一有源區、第一上波導層、第一 P型上限制層、隧穿pn結、第二 η型下限制層、第二下波導層、第二有源區、第二上波導層、第二 P型上限制層和GaSb蓋層；步驟2:光刻脊型波導，在非選擇性濕法刻蝕GaSb蓋層與第二 P型上限制層，形成激光器的脊型波導，采用PECVD方法在形成的脊型波導上淀積SiO2層，采用氫氟酸緩沖溶液(BOE)腐蝕SiO2層，制備電極接觸窗口 ；然后在制備的電極接觸窗口及未被腐蝕的SiO2層之上電子束蒸發淀積P型電極；最后對襯底背面進行減薄，在減薄后的襯底背面制作η型電極；步驟3:解離管芯，將P型電極所在一面向下焊接在鍍In的銅熱沉上，采用TO3管殼進行封裝，完成激光器的制作。(三)有益效果從上述技術方案可以看出，本專利技術具有以下有益效果:1、本專利技術提供的這種可以實現1.83 μ m與2.0 μ m室溫下連續激射的，通過在量子阱之間采用重摻雜GaSb材料隧穿pn結，提高了雙色激光器的內部量子效率，實現了單一 GaSb基激光器芯片室溫下1.83μπι與2.0 μ m波段的連續激射，有效提高了激光器芯片的集成度。2、本專利技術提供的這種可以實現1.83 μ m與2.0 μ m室溫下連續激射的，通過器件結構設計以及工藝步驟改進，在兩個應變量子阱之間生長高摻雜的GaSb材料隧穿pn結，由于外加偏壓的作用，電子由第一有源區通過隧穿結進入第二有源區中，進一步提高了雙色激光器的內部量子效率，實現了單一激光器芯片1.83 μ m與2.0 μ m波長室溫下的連續激射。3、本專利技術提供的這種可以實現1.83 μ m與2.0 μ m室溫下連續激射的，可以應用于污染性氣體檢測設備的信號源、微波信號發生源；同時該結構具備強的波長移植性，通過材料生長技術可有效調控激射波長。附圖說明為進一步說明本專利技術的
技術實現思路
，一下結合實例以及附圖，詳細說明如下，其中:圖1依照本專利技術實施例的雙波長銻化物應變量子阱半導體激光器的結構示意圖；圖2是依照本專利技術實施例的雙波長銻化物應變量子阱半導體激光器的外延材料的結構不意圖；圖3依照本專利技術實施例的雙波長銻化物應變量子阱半導體激光器的重摻雜GaSb隧穿pn結的結構示意圖；圖4依照本專利技術實施例制備的脊型臺面的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。具體實施例方式為使本專利技術的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本專利技術進一步詳細說明。如圖1所示，圖1依照本專利技術實施例的雙波長銻化物應變量子阱半導體激光器的結構示意圖，該激光器由下至上依次包括η型電極1、η型襯底2、緩沖層3、第一 η型下限制層4、第一下波導層5、第一有源區6、第一上波導層7、第一 ρ型上限制層8、隧穿pn結9、第二 η型下限制層10、第二下波導層11、第二有源區12、第二上波導層13、第二 ρ型上限制層14、蓋層15、SiO2掩膜16和ρ型電極17,且該激光器為邊發射的脊型激光器,其中，第一有源區6與第二有源區12的量子阱波導層與勢壘層均采用非摻雜的低Al組分的Ala4Gaa6Asaci3Sba97材料,限制層均采用高Al組分的Ala75Gaa25Asaci5Sba95材料,P型限制層采用摻雜元素為Be, η型限制層采用的摻雜元素為Te。其中，所述η型電極I形成于減薄后的η型襯底2的背面，電極材料為磁控濺射的Au/Ge/Ni。所述η型襯底2采用(001)N型GaSb襯底。所述緩沖層3形成于η型襯底2之上，為η型GaSb材料。所述第一 η型下限制層4生長在緩沖層3上，采用高Al組分的AlGaAsSb材料,摻雜兀素為Te,用于第一有源區6的限制層。所述第一下波導層5生長在第一 η型下限制層4上，采用非摻雜低鋁組分的AlGaAsSb材料。所述第一有源區6生長在第一下波導層5上，有源區材料是非摻雜InGaSb/AlGaAsSb應變量子阱，量子阱中材料為InGaSb，量子阱阱寬為10nm，發光波長2.0 μ m。所述第一上波導層7生長在第一有源區6上，采用非摻雜低鋁組分的AlGaAsSb材料。所述第一 ρ型上限制層8生長在第一上波導層7上，采用高Al組分的AlGaAsSb材料。所述隧穿pn結9生長在第一上波導層8上，其中ρ本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種雙波長銻化物應變量子阱半導體激光器，其特征在于，該激光器由下至上依次包括n型電極(1)、n型襯底(2)、緩沖層(3)、第一n型下限制層(4)、第一下波導層(5)、第一有源區(6)、第一上波導層(7)、第一p型上限制層(8)、隧穿pn結(9)、第二n型下限制層(10)、第二下波導層(11)、第二有源區(12)、第二上波導層(13)、第二p型上限制層(14)、蓋層(15)、SiO2掩膜(16)和p型電極(17)，且該激光器為邊發射的脊型激光器，其中，第一有源區(6)與第二有源區(12)的量子阱波導層與勢壘層均采用非摻雜的低Al組分的Al0.4Ga0.6As0.03Sb0.97材料，限制層均采用高Al組分的Al0.75Ga0.25As0.05Sb0.95材料，p型限制層采用摻雜元素為Be，n型限制層采用的摻雜元素為Te。

【技術特征摘要】
1.一種雙波長銻化物應變量子阱半導體激光器，其特征在于，該激光器由下至上依次包括η型電極(1)、η型襯底(2)、緩沖層(3)、第一 η型下限制層(4)、第一下波導層(5)、第一有源區￠)、第一上波導層(7)、第一 P型上限制層(8)、隧穿pn結(9)、第二 η型下限制層(10)、第二下波導層(11)、第二有源區(12)、第二上波導層(13)、第二 P型上限制層(14)、蓋層(15)、SiO2掩膜(16)和P型電極(17),且該激光器為邊發射的脊型激光器,其中，第一有源區(6)與第二有源區(12)的量子阱波導層與勢壘層均采用非摻雜的低Al組分的Ala4Gaa6Asaci3Sba97材料,限制層均采用高Al組分的Ala75Gaa25Asaci5Sba95材料,P型限制層采用摻雜元素為Be, η型限制層采用的摻雜元素為Te。2.根據權利要求1所述的雙波長銻化物應變量子阱半導體激光器，其特征在于，所述η型電極(I)形成于減薄后的η型襯底(2)的背面，電極材料為磁控濺射的Au/Ge/Ni。3.根據權利要求1所述的雙波長銻化物應變量子阱半導體激光器，其特征在于，所述η型襯底⑵采用(OOl)N型GaSb襯底。4.根據權利要求1所述的雙波長銻化物應變量子阱半導體激光器，其特征在于，所述緩沖層⑶形成于η型襯底⑵之上，為η型GaSb材料。5.根據權利要求1所述的雙波長銻化物應變量子阱半導體激光器，其特征在于，所述第一 η型下限制層(4)生長在緩沖層(3)上，采用高Al組分的AlGaAsSb材料，摻雜元素為Te，用于第一有源區(6)的限制層。6.根據權利要求1所述的雙波長銻化物應變量子阱半導體激光器，其特征在于，所述第一下波導層(5)生長在第一η型下限制層(4)上，采用非摻雜低鋁組分的AlGaAsSb材料。7.根據權利要求1所述的雙波長銻化物應變量子阱半導體激光器，其特征在于，所述第一有源區(6)生長在第一下波導層(5)上，有源區材料是非摻雜InGaSb/AlGaAsSb應變量子講，量子講中材料為I nGaSb,量子講講寬為IOnm,發光波長2.0 μ m。8.根據權利要求1所述的雙波長銻化物應變量子阱半導體激光器，其特征在于，所述第一上波導層(7)生長在第一有源區(6)上，采用非摻雜低鋁組分的AlGaAsSb材料。9.根據權利要求1所述的雙波長銻化物應變量子阱半導體激光器，其特征在于，所述第一 P型上限制層(8)生長在第一上波導層(7)上，采用高Al組分的AlGaAsSb材料。10.根據權利要求1所述的雙波長銻化物應變量子阱半導體激光器，其特征在于，所述隧穿pn結(9)生長在第一上波導層(8)上,其中P區摻雜元素為Be,摻雜濃度IO19CnT3,寬度為40nm ；n區摻雜元素為Te，摻雜濃度3X 1018cm_3，寬度為50nm，實現載流子的帯間隧穿。11.根據權利要求1所述的雙波長銻化物應變量子阱半導體激光器，其特征在于，所述第二 η型下限制層(10)生長在隧穿pn結(9)上，采用高Al組分的AlGaAsSb材料，摻雜元素為Te，用于第二有源區(12)的限制層。12.根據權利要求1所述的雙波長銻化物應變量子阱半導體激...

【專利技術屬性】
技術研發人員：邢軍亮，張宇，王國偉，王娟，王麗娟，任正偉，徐應強，牛智川，
申請(專利權)人：中國科學院半導體研究所，
類型：發明
國別省市：