專利名稱：磷化銦基含砷含磷量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)及不間斷生長法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及低閾值中紅外InP基含砷含磷量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)及其不間斷連續(xù)生長制備方法。屬于半導(dǎo)體光電材料與器件技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
2-14μm中紅外波段由於它含有3-5μm，8-14μm兩個極重要的大氣窗口，在大氣保密通信具有重要的應(yīng)用價值，又由於分子、原子振動、旋轉(zhuǎn)，許多氣體的特征“指紋”吸收譜線落於2-14μm中紅外波段，在痕量氣體檢測、化學(xué)化工生產(chǎn)過程監(jiān)控、醫(yī)學(xué)診斷、生化毒氣監(jiān)控有重要的應(yīng)用價值，因此，工作于2-14μm波段的半導(dǎo)體激光器是應(yīng)用于上述兩個領(lǐng)域的必不可缺的重要光源，對國家安全和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)均有十分重要的意義。
長期來，統(tǒng)治半導(dǎo)體激光領(lǐng)域的經(jīng)典激射理論認(rèn)為半導(dǎo)體激光器的激射由是半導(dǎo)體材料導(dǎo)帶電子與價帶空穴復(fù)合，產(chǎn)生光子的p-n結(jié)雙極型半導(dǎo)體激光器，其激射波長由半導(dǎo)體材料的帶隙決定，然而自然界缺乏帶隙處於中紅外波段的理想半導(dǎo)體激光材料，因而導(dǎo)致中紅外半導(dǎo)體激光器停滯不前的局面。解決難題的唯一出路是從根本上創(chuàng)立新的半導(dǎo)體激光理論，于是1971年蘇聯(lián)科學(xué)家Kazarinov和Suris提出通過量子阱子帶間光躍遷實現(xiàn)光放大的設(shè)想，1988年H.C.Liu提出了采用雙阱耦合串接共振隧穿結(jié)構(gòu)通過帶內(nèi)子帶間光躍遷實現(xiàn)激射的設(shè)想。經(jīng)貝爾實驗室對這些原始物理思想和單原子層分子束外延生長技術(shù)10多年的發(fā)展，終于在1994年發(fā)明了工作於4.26μm中紅外波段的量子級聯(lián)激光器(Quantum Cascade Laser，QCL)。QCL是半導(dǎo)體激光理論與技術(shù)的劃時代發(fā)展，具有如下特點(1)QCL的激射工作原理是基于導(dǎo)帶內(nèi)子帶光躍遷，只有一種載流子(電子)參予光躍遷發(fā)射光子，是種單極型激光器。QCL激射波長是通過改變有源區(qū)激發(fā)態(tài)間的能量差也即通過改變有源區(qū)量子阱層厚決定激射波長，不是由半導(dǎo)體的帶隙決定波長，因此可覆蓋很寬的波長范圍。理論預(yù)計可覆蓋從幾個微米至200μm以上，從而從根本上解決了缺少中遠(yuǎn)紅外波段理想半導(dǎo)體激光材料的難題。但與近紅外半導(dǎo)體激光器相較比，工作於中紅外波段的QCL除工作原理不同外還必須考慮中紅外輻照與自由載流子互作用帶來的新問題。由此可見，QCL結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計是關(guān)鍵；(2)QCL是量子能帶裁剪工程與先進(jìn)的原子層生長技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，而且，量子級聯(lián)激光器的級聯(lián)效應(yīng)允許一個電子產(chǎn)生與級聯(lián)的級數(shù)相同數(shù)目的激射光子，由此帶來高輸出光功率。因此，QCL結(jié)構(gòu)的單原子層生長方法和質(zhì)量控制是器件的基礎(chǔ)和先導(dǎo)；(3)不同的應(yīng)用對QCL器件性能痕量氣體檢測要求具低閾值、單?？烧{(diào)諧，大氣通信和光電對抗則要求工作于室溫、連續(xù)和具符合應(yīng)用要求的光功率、熱穩(wěn)定性好。因此，需發(fā)展器件的新工藝；(4)工作於中紅外波段的QCL具一系列的本征特性和非本征特性，如單級的QCL量子效率較低，閾值電流較大，驅(qū)動電壓較高，需用大電流短脈沖測量系統(tǒng)和較特殊的驅(qū)動條件進(jìn)行激射譜、電流-電壓、電流-光功率測量。
自1994年發(fā)明第一個低溫、脈沖工作的4.6μm多模中紅外QCL以來J.Faist，F(xiàn).Capasso，D.L.Sivco，C.Sirtori，A.L.Hutchinson，and A.Y.Cho，“Quantum cascade laser，”Science 264，553(1994).，短短十年取得了里程碑的突破1998年研制出第一個室溫連續(xù)輸出的9.0μm中紅外QCLM.Beck，D.Hofstetter，T.Aellen，J.Faist，U.Oesterle，M.Ilegams，E.Gini，H.Melchior，“Continuous wave operation of a mid-infrared semiconductor laser at roomtemperature”，Science 295，301(1998).，1997年報導(dǎo)了第一個5.4μm和8μm室溫、脈沖單?？烧{(diào)諧分布反饋QCLJ.Faist，C.Gmachl，F(xiàn).Capasso，C.Sirtori，D.L.Sivco，J.Baillargeon，and A.Y.Cho，“Distributed feedback quantumcascade lasers”，Appl.Phys.Lett 70(20)，2670(1997).，2005年報導(dǎo)了第一個5.4μm室溫、連續(xù)工作的單?？烧{(diào)諧分布反饋QCLS.Blaser，D.A.Yarekha，L.Hvozdara，Y.Bonetti，A.Muller，M.Giovannini and J.Faist，“Room-temperature，continuous-wave，single-mode quantum-cascade lasers atλ～5.4μm”，Appl.Phys.Lett.86(4)，041109(2005).。1998年研制出第一個瓦級功率的室溫脈沖多模QCL①C.Gmachl，A.Tredicucci，F(xiàn).Capasso，A.L.Hutchinson，D.L.Sivco，J.N.Baillargeon，and A.Y.Cho，“Higu-power λ～8μmcascade lasers with near optimum performance”，Appl.Phys.Lett.72，3130(1998).②C.Sirtori，J.Faist，F(xiàn).Capasso，D.L.Sivco，A.L.Hutchinson，and A.Y.Cho，“Mid-infrared(8.5μm)semiconductor lasers operating at room temperre”，IEEE Photonics Technol.Lett.9，294(1997).。目前，用三元系波導(dǎo)材料或二元系波導(dǎo)材料研制的InP基AlInAs/GaInAs量子級聯(lián)激光器已覆蓋了3.5-25μm廣泛的中紅外波段。QCL成為第一個在≥室溫下連續(xù)運轉(zhuǎn)、單?？烧{(diào)的＞4μm中紅外半導(dǎo)體激光器，成為第一個在室溫下連續(xù)運轉(zhuǎn)、瓦級輸出功率的＞5μm中紅外半導(dǎo)體激光器，首進(jìn)入實用化試驗階段，但器件要達(dá)到真正穩(wěn)定、可靠、實用仍有許多制備方法與技術(shù)需要介決和發(fā)展。
現(xiàn)有InAlAs/InGaAs量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)直接生長在襯底上，從InP直接過渡到AlGaInAs，當(dāng)采用InP做上波導(dǎo)包裹層時，則由InGaAsP直接過渡到InP并用InP做帽層，這樣的結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)缺陷增加，歐姆接觸難做好的問題?，F(xiàn)行制備InP基含砷含磷的InAlAs/InGaAs量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)通常采用間斷生長方法(1)先用一臺含固態(tài)砷源的固態(tài)源分子束外延(SSMBE)設(shè)備生長含砷的三元系化合物，再取出放入另一臺含固態(tài)磷源的SSMBE設(shè)備繼續(xù)外延生長含磷的材料?；?2)先用一臺含固態(tài)砷源的固態(tài)源分子束外延(SSMBE)設(shè)備生長含砷的三元系化合物，把外延片從SSMBE設(shè)備取出放入另一臺金屬有機化合物(MOCVD)設(shè)備繼續(xù)外延生長含磷的材料。這種間斷生長法不僅存在界面質(zhì)量、生長背景不同，而且成本加一倍。因此，發(fā)展新結(jié)構(gòu)和制備InP基含砷含磷的InAlAs/InGaAs量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)的不間斷生長法以介決現(xiàn)存問題就是本發(fā)明的目的。應(yīng)用本發(fā)明，已成功地研制出5-10μm波段一系列室溫脈沖和準(zhǔn)連續(xù)AlInAs/GaInAs中紅外波段InP基量子級聯(lián)激光器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供中紅外低閾值電流密度InP基含砷含磷量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)及其不間斷連續(xù)生長制備方法。具體地說，提供四種含砷含磷的中紅外波段InP基InAlAs/InGaAs量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)及其不間斷連續(xù)生長制備方法。
一、InP基含砷含磷量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)1994年發(fā)明的法布里-珀羅(F-P)腔多模中紅外量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是InP襯底上生長InGaAs和AlInAs外延材料。這種經(jīng)典結(jié)構(gòu)除InP襯底，外延層只含砷化物，不存在與V族界面切換的難題，可由固態(tài)源或氣態(tài)源分子束外延方法生長。但由於在這種經(jīng)典結(jié)構(gòu)中AlInAs，InGaAs熱導(dǎo)低而造成QCL器件發(fā)熱嚴(yán)重，熱特性不理想。為改進(jìn)QCL器件熱特性，1997-1998年貝爾實騐室提出了如圖2所示的用熱導(dǎo)率較好的InP替代AlInAs，InGaAs作為上波導(dǎo)包裹層、等離子增強限制層和帽層。1997年之后又研發(fā)了如圖3和圖4所示的三元系波導(dǎo)和二元系波導(dǎo)的單模分布反饋量子級聯(lián)激光器(DFB-QCL)。對于外延層既含砷又含磷的QCL，國際上采用了MBE間斷生長法，在長完含砷的結(jié)構(gòu)后將材料取出放入另一含固態(tài)磷源的MBE設(shè)備中生長，也有人則在用MBE生長完含砷的結(jié)構(gòu)后取出，用金屬有機物化學(xué)氣相沉積方法(MOCVD)在其上繼續(xù)生長InP層。這種間斷生長方法將不僅帶來環(huán)境二次污染，而且由於界面中斷而提高界面態(tài)和降低界面質(zhì)量、使工藝繁復(fù)增加成本。
本發(fā)明針對上述問題，提出了如圖5-8所示的四種含砷含磷的中紅外波段InP基InAlAs/InGaAs量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)，其中圖5、6為Fabry-Peior多模QCL，而圖7、8為單?？烧{(diào)諧分布反饋QCL結(jié)構(gòu)。其特征是(1)圖5、7結(jié)構(gòu)為GaInAs/AlInAs/InP/InP，其特點為含有輕摻硅多功能InP緩沖層，減少來自襯底的影響，降低損耗；在有源區(qū)和注入?yún)^(qū)兩側(cè)有數(shù)字遞變超晶格輔助注入?yún)^(qū)，利于提高注入效率。(2)圖6、8結(jié)構(gòu)為GaInAs/InP/GaInAs/AlInAs/InP/InP，其特點為用窄禁帶InGaAs做帽層，用InP二元系材料做等離子增強限制層、InP上波導(dǎo)包覆層，以及用輕摻硅多功能InP緩沖層，并在有源區(qū)和注入?yún)^(qū)兩側(cè)加入數(shù)字遞變超晶格輔助注入?yún)^(qū)，多模和單模QCL的結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在等離子增強限制層的厚度，單模DFBQCL該層厚度為光柵刻蝕深度(200-300nm)加300-350nm利于提高注入效率。本發(fā)明的四種結(jié)構(gòu)在材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計上具有囲繞提高粒子數(shù)反轉(zhuǎn)主線，降低中紅外輻射、降低非輻射復(fù)合中心、改善材料的熱導(dǎo)和器件熱特性、降低光損耗提高光增益、提高電子注入效率、降低閾值電流密度的特點。圖9為本發(fā)明研究不同施主濃度下GaInAs折射率與波長的關(guān)系，從圖9可見，隨著施主濃度和波長增加和波長，由於自由載流子吸收快速增加導(dǎo)致折射率急需下降。使得光子限制減弱、損耗增加。這個研究結(jié)果已應(yīng)用于本發(fā)明圖5-6參數(shù)選擇和優(yōu)化。
上述本發(fā)明四種結(jié)構(gòu)QCL的特點是(1)每種結(jié)構(gòu)都同時含砷化物、磷化物；(2)采用復(fù)合下波導(dǎo)包裹層；(3)在InP和GaInAs間相互過渡時采用InP/GaInAs或GaInAs/InP數(shù)字遞變超晶格層；(4)在有源區(qū)/注入?yún)^(qū)兩側(cè)加預(yù)注入加強層；(5)在降低波導(dǎo)層損耗和提高光增益時，計入了半導(dǎo)體材料折射率與波長和自由載流子濃度的關(guān)系。(6)只采用硅一種施主摻雜劑。而現(xiàn)有的報道均同時采用硅、錫兩種施主摻雜劑。
二、InP基含砷含磷量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)的不間斷連續(xù)生長制備方法含砷含磷的InAlAs/InGaAs量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)通常采用兩種組合的間斷生長方法(1)第一種間斷組合生長方法是先用一臺含固態(tài)砷源的固態(tài)源分子束外延(SSMBE)設(shè)備生長含砷的三元系化合物，然后降溫停止生長，把外延片從SSMBE設(shè)備取出放入另一臺含固態(tài)磷源的SSMBE設(shè)備繼續(xù)外延生長含磷的材料。(2)第二種間斷組合生長方法是先用一臺含固態(tài)砷源的固態(tài)源分子束外延(SSMBE)設(shè)備生長含砷的三元系化合物，然后降溫停止生長，把外延片從SSMBE設(shè)備取出放入另一臺金屬有機化合物(MOCVD)設(shè)備繼續(xù)外延生長含磷的材料。本發(fā)明采用的是氣態(tài)源分子束外延(GSMBE)不間斷連續(xù)生長方法，其特點是一次完成整個InP基含砷含磷量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)材料生長，保證了由上百層乃至上千層含砷含磷外延層組成的QCL每一層和每個界面都是在相同的本底背景，穩(wěn)定的優(yōu)化條件，穩(wěn)定的生長條件下生長，不會因間斷生長帶來界面質(zhì)量變化。而且只需一臺設(shè)備，資金投入低，質(zhì)量穩(wěn)定、可靠性好。
本發(fā)明所述的不間斷連續(xù)生長制備方法是采用氣態(tài)源分子束外延(GSMBE)不間斷連續(xù)生長InP基含砷含磷量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)材料。所用設(shè)備為圖10所示的由本發(fā)明人自行配置的由英國VG MBE公司生產(chǎn)的V80H GSMBE系統(tǒng)。該系統(tǒng)配置的特點是V族氣態(tài)源為高純度砷烷(AsH3)和磷烷(PH3)，其束流強度控制采用壓力控制和高壓裂解而不是質(zhì)量控制和催化裂解，避免了質(zhì)量流量計死角帶來的對系統(tǒng)和外延層的雜質(zhì)污染和裂解效率退化；鎵和銦的束源爐為特殊設(shè)計的雙加熱區(qū)組成的鉭電阻爐；鋁和摻雜劑的束源爐為標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的鉭電阻爐；鋁、鎵、銦的束流強度由束源爐加熱溫度決定并通過在線測量離子流進(jìn)行監(jiān)控；系統(tǒng)的背景剩余氣體由在線四極質(zhì)譜儀監(jiān)測；襯底和外延層的表面結(jié)構(gòu)用德國Staib Instrucmente公司生產(chǎn)的反射高能電子衍射儀(RHEED)。外延層的結(jié)構(gòu)特性，電學(xué)特性和光學(xué)特性分別由X-ray雙晶衍射，霍爾電學(xué)測試和傅利葉光致發(fā)光方法表征。
QCL結(jié)構(gòu)具體生長工藝外延生長前，銦在890-910℃，鋁在1200-1220℃，鎵在1050-1100℃，硅在1250-1280℃，V族裂解爐在1030-1160分別在生長室除氣15-30分鐘，然后降至生長時所用溫度。開盒即用(英文為epi-ready)的摻硫n型InP單晶襯底(英文為epi-ready substrate)先在預(yù)處理室在200-250℃除氣1-3小時，脫去表面吸附的水氣，然后再傳送至生長室樣品架上，加熱樣品加熱器，升至300℃時，通入PH3至生長室，此時生長室的壓力為3×10-5Torr，以保護(hù)襯底表面和維持化學(xué)計量比。在高能電子衍射儀(RHEED)監(jiān)控下觀察InP襯底升溫過程表面吸附氣體和氧化物的脫附情況。對低阻n型InP襯底而言，通常解吸溫度在460-480℃。當(dāng)表面結(jié)構(gòu)由2×2轉(zhuǎn)為4×2時，表明襯底表面吸附的CO2和磷的氧化物已解吸，在解吸溫度維持2-5分鐘，然后降低襯底溫度約40-70℃或60-90℃，關(guān)閉RHEED，以防止高能電子對襯底表面和外延層的損傷。InP的生長溫度為380-420℃，AlInAs和GaInAs的生長溫度為400-440℃，在生長AlInAs、GaInAs時維持相同的銦束源爐溫度，銦爐快門處于常開狀態(tài)，在切換AlInAs、GaInAs時，只需開/關(guān)鋁爐或鎵爐快門，生長時Si摻雜劑溫度根據(jù)所需摻雜濃度而定，V族裂解爐維持在1000℃，生長室通PH3時，生長室的壓力為2.2-3×10-5Torr，生長室通AsH3時，生長室的壓力為1.5-2×10-5Torr。四種外延材料的生長速率為0.7-1.0μm/小時，生長時樣品架的旋轉(zhuǎn)速度為10轉(zhuǎn)/分。待襯底溫度穩(wěn)定后，按圖5-8的結(jié)構(gòu)層次順序外延生長，外延生長結(jié)束后襯底加熱器降至100℃，Al爐降至900-1000℃In和Ga爐降至650-700℃，V族裂解爐維持在1000℃，以保證系統(tǒng)中剩余的AsH3和PH3充分裂解，不會在片子出爐時進(jìn)入預(yù)處理室。圖5所示的F-P腔InP基AlInAs/GaInAsQCL三元系波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是以摻硫InP為襯底和緩沖層組成下波導(dǎo)包裹層，然后是GaInAs/InP數(shù)字遞變層，改善由InP過渡到GaInAs下限制層的缺陷，在GaInAs/InP數(shù)字遞變層上再生長GaInAs下限制層，其后是預(yù)注入?yún)^(qū)輔助層，防止電子注入有源區(qū)電子擴散，繼之為AlInAs/GaInAs有源區(qū)和注入?yún)^(qū)，其阱和壘的厚度決定了QCL的激射波長。接著生長AlInAs/GaInAs預(yù)注入?yún)^(qū)輔助層，加強電子注入有源區(qū)。然后是GaInAs上限制層(上、下限制層限制有源區(qū)和注入?yún)^(qū)的光子和電子)。再生長GaInAs/AlInAs數(shù)字遞變層，改善由GaInAs過渡到AlInAs的界面。然后生長AlInAs上波導(dǎo)包裹層，再生長AlInAs/GaInAs數(shù)字遞變層，改善由AlInAs過渡到GaInAs的界面，再生長GaInAs等離子增加限制層，最后生長GaInAs帽層。圖6所示的F-P腔多模InP基AlInAs/GaInAsQCL二元系波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是以摻硫InP為襯底和緩沖層組成下波導(dǎo)包裹層，然后是GaInAs/InP數(shù)字遞變層，改善由InP過渡到GaInAs下限制層的缺陷，在GaInAs/InP數(shù)字遞變層上再生長GaInAs下限制層，其后是預(yù)注入?yún)^(qū)輔助層，防止電子注入有源區(qū)電子擴散，繼之為AlInAs/GaInAs有源區(qū)和注入?yún)^(qū)，其阱和壘的厚度決定了QCL的激射波長。接著生長AlInAs/GaInAs預(yù)注入?yún)^(qū)輔助層，加強電子注入有源區(qū)。然后是GaInAs上限制層(上、下限制層限制有源區(qū)和注入?yún)^(qū)的光子和電子)。再生長GaInAs/InP數(shù)字遞變層，改善由GaInAs過渡到InP的界面。然后生長InP上波導(dǎo)包裹層，InP等離子增加限制層，最后生長GaInAs帽層。圖7所示的DFB單模InP基AlInAs/GaInAsQCL三元系波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是以摻硫InP為襯底和緩沖層組成下波導(dǎo)包裹層，然后是GaInAs/InP數(shù)字遞變層，改善由InP過渡到GaInAs下限制層的缺陷，在GaInAs/InP數(shù)字遞變層上再生長GaInAs下限制層，其后是預(yù)注入?yún)^(qū)輔助層，防止電子注入有源區(qū)電子擴散，繼之為有源區(qū)和注入?yún)^(qū)，其阱和壘的厚度決定了QCL的激射波長。接著生長AlInAs/GaInAs預(yù)注入?yún)^(qū)輔助層，加強電子注入有源區(qū)。然后是GaInAs上限制層(上、下限制層限制有源區(qū)和注入?yún)^(qū)的光子和電子)。再生長GaInAs/AlInAs數(shù)字遞變層，改善由GaInAs過渡到AlInAs的界面。然后生長AlInAs上波導(dǎo)包裹層，再生長AlInAs/GaInAs數(shù)字遞變層，改善由AlInAs過渡到GaInAs的界面，再生長GaInAs等離子增加限制層，該層厚度較多膜約少300-350nm，最后生長GaInAs帽層。圖8所示的DFB單模InP基AlInAs/GaInAsQCL二元系波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是以摻硫InP為襯底和緩沖層組成下波導(dǎo)包裹層，然后是GaInAs/InP數(shù)字遞變層，改善由InP過渡到GaInAs下限制層的缺陷，在GaInAs/InP數(shù)字遞變層上再生長GaInAs下限制層，其后是預(yù)注入?yún)^(qū)輔助層，防止電子注入有源區(qū)電子擴散，繼之為AlInAs/GaInAs有源區(qū)和注入?yún)^(qū)，其阱和壘的厚度決定了QCL的激射波長。接著生長AlInAs/GaInAs預(yù)注入?yún)^(qū)輔助層，加強電子注入有源區(qū)。然后是GaInAs上限制層(上、下限制層限制有源區(qū)和注入?yún)^(qū)的光子和電子)。再生長GaInAs/InP數(shù)字遞變層，改善由GaInAs過渡到InP的界面。然后生長InP上波導(dǎo)包裹層，InP等離子增加限制層，該層厚度較多膜的薄300-350nm，最后生長GaInAs帽層。


圖1是文獻(xiàn)報道的經(jīng)典的InP基AlInAs/GaInAs三元系波導(dǎo)F-P腔QCL結(jié)構(gòu)(J.Faist et al，“Quantum cascade laser，”Science 264，553(1994))。
圖2是文獻(xiàn)報道的經(jīng)典的InP基AlInAs/GaInAs二元系波導(dǎo)F-P腔QCL結(jié)構(gòu)(C.Sirtori et al，IEEE Photonics Technol.Lett.9，294(1997))。
圖3是文獻(xiàn)報道的經(jīng)典的InP基AlInAs/GaInAs三元系波導(dǎo)DFB-QCL結(jié)構(gòu)(J.Faist et al，Appl.Phys.Lett 70(20)，2670(1997))。
圖4是文獻(xiàn)報道的經(jīng)典的DFB InP基AlInAs/GaInAs QCL二元系波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(J.Faist et al，IEEE Journal of Quantum Electronics，34(2)，336(1998))。
圖5是本發(fā)明提供的多模F-P腔InP基AlInAs/GaInAs QCL三元系波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
圖6是本發(fā)明提供的InP基AlInAs/GaInAs多模F-P腔二元系波導(dǎo)QCL結(jié)構(gòu)。
圖7是本發(fā)明提供的InP基AlInAs/GaInAs三元系波導(dǎo)DFB-QCL結(jié)構(gòu)。
圖8是本發(fā)明提供的單模DFB InP基AlInAs/GaInAs QCL二元系波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
圖9(a)GaInAs，AlInAs，InP的折射率隨波長的變化；(b)在不同載流子濃度下GaInAs的折射率隨波長的變化。
圖10是用于生長InP基含砷含磷量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)材料的V80H氣態(tài)源分子束外延系統(tǒng)。
圖11(a)為用本發(fā)明圖5GaInAs/GaInAs/AlInAs/InP/InP三阱耦合QCL結(jié)構(gòu)及不間斷連續(xù)生長制備方法生長的GSMBE材料研制的量子級聯(lián)激光器的激射譜圖；(b)為柵長為2mm、脊寬為20微米的QCL裸管器件在室溫下的電流-光功率特性。
圖12(a)為用本發(fā)明圖6GaInAs/InP/GaInAs/AlInAs/InP/InP三阱耦QCL結(jié)構(gòu)及其不間斷連續(xù)生長制備方法生長的GSMBE材料研制的F-P腔量子級聯(lián)激光器的激射譜圖；(b)為柵長為2mm、脊寬為18微米的QCL裸管器件在室溫下QCL器件的電流-光功率特性與占空比的關(guān)系。
圖13(a)為用本發(fā)明研制的三阱耦合單模反布反饋量子級聯(lián)激光器DFB-QCL的激射譜圖；(b)為柵長為2mm、脊寬為20微米的DFB-QCL裸管器件在不同溫度下QCL器件的電流-光功率特性。
具體實施例方式
下面通過實施例結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的實質(zhì)性特點和顯著的進(jìn)步，但絕非限制本發(fā)明，也即本發(fā)明絕非僅局限于實施例。
InP基含砷含磷量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)具體生長的步驟是1.將裝在鉬托上的開盒即用(epi-ready)的摻硫n型InP單晶襯底裝進(jìn)GSMBE系統(tǒng)的進(jìn)樣室。用渦輪分子泵抽真空。
2.InP襯底除氣待進(jìn)樣室真空度達(dá)10-6Torr時，將摻硫n型InP單晶襯底傳遞至GSMBE系統(tǒng)預(yù)處理室的加熱臺上，在預(yù)處理室在200-250℃除氣1-3小時，脫去表面吸附的水氣，然后降至50-100℃。
3.束源除氣InP襯底在預(yù)處理室除氣的同時，生長室束源材料必須在外延生長前除氣完畢銦在890-910℃，鋁在1200-1220℃，鎵在1050-1100℃，硅在1250-1280℃，V族裂解爐在1030-1160分別在生長室除氣15-30分鐘，然后降至生長時所用溫度。
4.外延生長將除完氣的InP襯底傳遞至GSMBE系統(tǒng)生長室的樣品加熱臺上，當(dāng)加熱樣品加熱器溫度升至300℃時，通入PH3至生長室，此時生長室的壓力為3×10-5Torr，以保護(hù)襯底表面和維持化學(xué)計量比。在高能電子衍射儀(RHEED)監(jiān)控下觀察InP襯底升溫過程表面吸附氣體和氧化物的脫附情況。對低阻n型InP襯底而言，通常解吸溫度在460-480℃。當(dāng)表面結(jié)構(gòu)由2×2轉(zhuǎn)為4×2時，表明襯底表面吸附的CO2和磷的氧化物已解吸，在解吸溫度維持2-5分鐘，然后降低襯底溫度約40-70℃或60-90℃，關(guān)閉RHEED，以防止高能電子對襯底表面和外延層的損傷。InP的生長溫度為380-420℃，AlInAs和GaInAs的生長溫度為400-440℃，在生長AlInAs、GaInAs時維持相同的銦束源爐溫度，銦爐快門處于常開狀態(tài)，在切換AlInAs、GaInAs時，只需開/關(guān)鋁爐或鎵爐快門，生長時Si摻雜劑溫度根據(jù)所需摻雜濃度而定，V族裂解爐維持在1000℃，生長室通PH3時，生長室的壓力為2.2-3×10-5Torr，生長室通AsH3時，生長室的壓力為1.5-2×10-5Torr。三種外延材料的生長速率為0.7-1.0μm/小時。待襯底溫度穩(wěn)定后，按圖4-6的結(jié)構(gòu)層次順序外延生長，生長時樣品架的旋轉(zhuǎn)速度為10轉(zhuǎn)/分。外延生長結(jié)束后襯底加熱器降至100℃，Al爐降至900-1000℃，In和Ga爐降至650-700℃，V族裂解爐維持在1000℃，以保證系統(tǒng)中剩余的AsH3和PH3充分裂解，不會在片子出爐時進(jìn)入預(yù)處理室。
5.將QCL外延片從生長室依序傳遞至預(yù)處理室，關(guān)閉生長室與預(yù)處理室間的主閥門；將V族裂解爐從1000℃降至600℃；將QCL外延片再傳遞至進(jìn)樣室，取出外延片，進(jìn)行表面形貌觀察和QCL器件制備與測試。
表明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)及其不間斷連續(xù)生長制備方法在制備幾百至上千層中紅外QCL材料和低閾值電流密度QCL器件的可行性。
實施例1圖11(a)為用本發(fā)明圖5GaInAs/GaInAs/AlInAs/InP/InP三阱耦合QCL結(jié)構(gòu)及不問斷連續(xù)生長制備方法生長的GSMBE材料研制的量子級聯(lián)激光器的激射譜圖，從圖可見其激射波長為8.0微米。圖11b為柵長為2mm、脊寬為20微米的QCL裸管器件在室溫下的電流-光功率特性，從圖11b可見閾值電流密度僅1.75KA/cm-3。
實施例2圖12(a)為用本發(fā)明圖6GaInAs/InP/GaInAs/AlInAs/InP/InP三阱耦QCL結(jié)構(gòu)及其不間斷連續(xù)生長制備方法生長的GSMBE材料研制的F-P腔量子級聯(lián)激光器的激射譜圖，從圖12a可見室溫下其激射波長為7.6微米。圖12b為柵長為2mm、脊寬為18微米的QCL裸管器件在室溫下QCL器件的電流-光功率特性與占空比的關(guān)系，從圖12b可見閾值電流密度僅1.75KA/cm-3。
實施例3圖13(a)為用本發(fā)明研制的三阱耦合單模反布反饋量子級聯(lián)激光器DFB-QCL的激射譜圖，從圖12a可見在80K下其激射波長為7.6微米。圖13b為柵長為2mm、脊寬為20微米的DFB-QCL裸管器件在不同溫度下QCL器件的電流-光功率特性，從圖13b可見閾值電流密度僅574A/cm-3。顯示出低閾值電流密度特性。
權(quán)利要求
1.磷化銦基含砷含磷量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于(1)每種結(jié)構(gòu)都同時含砷化物、磷化物；(2)采用復(fù)合下波導(dǎo)包裹層；(3)在InP和GaInAs間相互過渡時采用InP/GaInAs或GaInAs/InP數(shù)字遞變超晶格層；(4)在有源區(qū)/注入?yún)^(qū)兩側(cè)有預(yù)注入加強層；(5)只采用硅一種施主摻雜劑。
2.按權(quán)利要求1所述的磷化銦基含砷含磷量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的F-P腔InP基AlInAs/GaInAsQCL三元系波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是以摻硫InP為襯底和緩沖層組成下波導(dǎo)包裹層，然后是GaInAs/InP數(shù)字遞變層，以改善由InP過渡到GaInAs下限制層的缺陷；在GaInAs/InP數(shù)字遞變層上再生長GaInAs下限制層，其后是預(yù)注入?yún)^(qū)輔助層，防止電子注入有源區(qū)電子擴散，繼之為AlInAs/GaInAs有源區(qū)和注入?yún)^(qū)，其阱和壘的厚度決定了QCL的激射波長；接著生長AlInAs/GaInAs預(yù)注入?yún)^(qū)輔助層，加強電子注入有源區(qū)；然后是GaInAs上限制層，再生長GaInAs/AlInAs數(shù)字遞變層，改善由GaInAs過渡到AlInAs的界面；然后生長AlInAs上波導(dǎo)包裹層，再生長AlInAs/GaInAs數(shù)字遞變層，改善由AlInAs過渡到GaInAs的界面，再生長GaInAs等離子增加限制層，最后生長GaInAs帽層。
3.按權(quán)利要求1所述的磷化銦基含砷含磷量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的F-P腔多模InP基AlInAs/GaInAsQCL二元系波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是以摻硫InP為襯底和緩沖層組成下波導(dǎo)包裹層，然后是GaInAs/InP數(shù)字遞變層，以改善由InP過渡到GaInAs下限制層的缺陷，在GaInAs/InP數(shù)字遞變層上再生長GaInAs下限制層，其后是預(yù)注入?yún)^(qū)輔助層，防止電子注入有源區(qū)電子擴散，繼之為AlInAs/GaInAs有源區(qū)和注入?yún)^(qū)，其阱和壘的厚度決定了QCL的激射波長；接著生長AlInAs/GaInAs預(yù)注入?yún)^(qū)輔助層，加強電子注入有源區(qū)；然后是GaInAs上限制層，再生長GaInAs/InP數(shù)字遞變層，以改善由GaInAs過渡到InP的界面；然后生長InP上波導(dǎo)包裹層，InP等離子增加限制層，最后生長GaInAs帽層。
4.按權(quán)利要求1所述的磷化銦基含砷含磷量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的DFB單模InP基AlInAs/GaInAsQCL三元系波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是以摻硫InP為襯底和緩沖層組成下波導(dǎo)包裹層，然后是GaInAs/InP數(shù)字遞變層，以改善由InP過渡到GaInAs下限制層的缺陷，在GaInAs/InP數(shù)字遞變層上再生長GaInAs下限制層，其后是預(yù)注入?yún)^(qū)輔助層，防止電子注入有源區(qū)電子擴散，繼之為有源區(qū)和注入?yún)^(qū)，其阱和壘的厚度決定了QCL的激射波長；接著生長AlInAs/GaInAs預(yù)注入?yún)^(qū)輔助層，加強電子注入有源區(qū)；然后是GaInAs上限制層，再生長GaInAs/AlInAs數(shù)字遞變層，改善由GaInAs過渡到AlInAs的界面；然后生長AlInAs上波導(dǎo)包裹層，再生長AlInAs/GaInAs數(shù)字遞變層，改善由AlInAs過渡到GaInAs的界面，再生長GaInAs等離子增加限制層，該層厚度較多膜約少300-350nm，最后生長GaInAs帽層。
5.按權(quán)利要求1所述的磷化銦基含砷含磷量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的DFB單模InP基AlInAs/GaInAsQCL二元系波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是以摻硫InP為襯底和緩沖層組成下波導(dǎo)包裹層，然后是GaInAs/InP數(shù)字遞變層，改善由InP過渡到GaInAs下限制層的缺陷，在GaInAs/InP數(shù)字遞變層上再生長GaInAs下限制層，其后是預(yù)注入?yún)^(qū)輔助層，防止電子注入有源區(qū)電子擴散，繼之為AlInAs/GaInAs有源區(qū)和注入?yún)^(qū)，其阱和壘的厚度決定了QCL的激射波長；接著生長AlInAs/GaInAs預(yù)注入?yún)^(qū)輔助層，加強電子注入有源區(qū)；然后是GaInAs上限制層，再生長GaInAs/InP數(shù)字遞變層，改善由GaInAs過渡到InP的界面；然后生長InP上波導(dǎo)包裹層，InP等離子增加限制層，該層厚度較多膜的薄300-350nm，最后生長GaInAs帽層。
6.按權(quán)利要求2、3、4或5中任意一項權(quán)利要求所述的磷化銦基含砷含磷量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的上、下限制層限制有源區(qū)和注入?yún)^(qū)的光子和電子。
7.制備如權(quán)利要求1-5中任意一項權(quán)利要求所述的磷化銦基含砷含磷量子級聯(lián)激光器的不間斷生長方法，其特征在于只用一臺氣態(tài)源分子束外延系統(tǒng)完成整個InP基含砷含磷量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)的不間斷連續(xù)生長；其具體生長工藝外延生長前，銦在890-910℃，鋁在1200-1220℃，鎵在1050-1100℃，硅在1250-1280℃，V族裂解爐在1030-1160分別在生長室除氣15-30分鐘，然后降至生長時所用溫度；開盒即用的摻硫n型InP單晶襯底先在預(yù)處理室在200-250℃除氣1-3小時，脫去表面吸附的水氣，然后再傳送至生長室樣品架上，加熱樣品加熱器，升至300℃時，通入PH3至生長室，此時生長室的壓力為3×10-5Torr，以保護(hù)襯底表面和維持化學(xué)計量比；在高能電子衍射儀監(jiān)控下觀察InP襯底升溫過程表面吸附氣體和氧化物的脫附情況；對低阻n型InP襯底而言，通常解吸溫度在460-480℃；當(dāng)表面結(jié)構(gòu)由2×2轉(zhuǎn)為4×2時，表明襯底表面吸附的CO2和磷的氧化物己解吸，在解吸溫度維持2-5分鐘，然后降低襯底溫度約40-70℃或60-90℃，關(guān)閉高能電子衍射儀，InP的生長溫度為380-420℃，AlInAs和GaInAs的生長溫度為400-440℃，在生長AlInAs、GaInAs時維持相同的銦束源爐溫度，銦爐快門處于常開狀態(tài)，在切換AlInAs、GaInAs時，只需開/關(guān)鋁爐或鎵爐快門，生長時Si摻雜劑溫度根據(jù)所需摻雜濃度而定，V族裂解爐維持在1000℃，生長室通PH3時，生長室的壓力為2.2-3×10-5Torr，生長室通AsH3時，生長室的壓力為1.5-2×10-5Torr；四種外延材料的生長速率為0.7-1.0μm/小時，生長時樣品架的旋轉(zhuǎn)速度為10轉(zhuǎn)/分；待襯底溫度穩(wěn)定后，按圖5-8的結(jié)構(gòu)層次順序外延生長，外延生長結(jié)束后襯底加熱器降至100℃，A1爐降至900-1000℃，In和Ga爐降至650-700℃，V族裂解爐維持在1000℃，以保證系統(tǒng)中剩余的AsH3和PH3充分裂解，將QCL外延片從生長室依序傳遞至預(yù)處理室，關(guān)閉生長室和預(yù)處理室間的主閥門，將V族裂解爐從1000℃降至600℃，將QCL外延片再傳遞至進(jìn)樣室，取出外延片，進(jìn)行器件的制備。
8.按權(quán)利要求7所述的磷化銦基含砷含磷的量子級聯(lián)激光器的不間斷生長法，其特征在于鎵和銦的束源爐為雙加熱區(qū)組成的鉭電阻爐；鋁和摻雜劑的束源爐為標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的鉭電阻爐；鋁、鎵、銦的束流強度由束源爐加熱溫度決定并通過在線測量離子流進(jìn)行監(jiān)控；系統(tǒng)的背景剩余氣體由在線四極質(zhì)譜儀監(jiān)測。
全文摘要
本發(fā)明涉及中紅外低閾值電流密度InP基含砷含磷量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)及其不間斷連續(xù)生長制備方法。其特征是(1)四種中紅外InP基含砷含磷量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)。這四種QCL結(jié)構(gòu)的特點是(a)都包括了InP基含砷含磷GaInAs/AlInAs/GaInAs/InP/InP或GaInAs/InP/ GaInAs/AlInAs/ InP/InP；(b)只采用硅一種施主摻雜劑；(c)采用InP/InP復(fù)合下波導(dǎo)包裹層；在InP和GaInAs間相互過渡時采用InP/GaInAs或GaInAs/InP數(shù)字遞變超晶格層；(d)在有源區(qū)/注入?yún)^(qū)兩側(cè)加預(yù)注入加強層。(2)中紅外InP基含砷含磷量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)不間斷連續(xù)生長方法的特點是只用一臺氣態(tài)源分子束外延系統(tǒng)完成整個InP基含砷含磷量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)的不不間斷連續(xù)生長，所研制的QCL器件具有低閾值電流密度的特點。
文檔編號H01S5/323GK1731638SQ20051002927
公開日2006年2月8日 申請日期2005年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月31日
發(fā)明者李愛珍, 陳建新, 李華, 徐剛毅, 張永剛, 林春, 楊全魁, 李存才, 胡建 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所