專(zhuān)利名稱(chēng)：采用InGaSb柱形量子點(diǎn)實(shí)現(xiàn)高效率1.5μm通訊波段激光器結(jié)構(gòu)的外延生長(zhǎng)設(shè)計(jì)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體激光器材料技術(shù)領(lǐng)域，屬于半導(dǎo)體激光器新型材料的外延生長(zhǎng)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
以半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)為有源區(qū)的激光器，理論上具有更低的閾值電流密度、更高的光增益、 更高的特征溫度和更寬的調(diào)制帶寬等優(yōu)點(diǎn)。
近幾年，雖然通過(guò)采用低溫外延生長(zhǎng)技術(shù)，AlGaAsSb緩沖層以及GaAsSb或高銦組分 InGaAs蓋層降低應(yīng)變技術(shù)等，GaAs基上InGaAs量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的室溫發(fā)光波長(zhǎng)已經(jīng)覆蓋了 1.3pm和1.5pm這兩個(gè)重要的通訊窗口，但對(duì)于1.5pm高效率半導(dǎo)體激光器的突破性研究仍 然有限。
III-V族銻化物以其特有的晶格參數(shù)、能帶結(jié)構(gòu)特性，在近、中紅外半導(dǎo)體器件方面顯示 出越來(lái)越重要得研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。銻化物以其特有的窄帶隙、電子有效質(zhì)量小等特點(diǎn)成 為近年來(lái)中紅外波段研究的熱點(diǎn)材料，GaAs基1.5pm的Sb基量子點(diǎn)激光器的研制將替代 InP基材料器件,克服InP基材料難以高密度集成，溫度穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，為光通訊提供一種 價(jià)格低廉、功耗小、性能優(yōu)良的新光源選擇。
InGaSb量子點(diǎn)的研究是在近幾年才開(kāi)始研究的，2004年報(bào)道了 1.3pm和1.55|am InGaSb 量子點(diǎn)激光器的相關(guān)研究情況。
本專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)岢鲆灾蜪nGaSb量子點(diǎn)為核心發(fā)光結(jié)構(gòu)，研制GaAs基1.55pm發(fā)光波長(zhǎng) 的InGaSb柱形量子點(diǎn)激光器結(jié)構(gòu)的外延生長(zhǎng)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種以柱形InGaSb量子點(diǎn)為有核心發(fā)光結(jié)構(gòu)的高效率1.5nm通訊波段激光器 結(jié)構(gòu)的外延生長(zhǎng)方法。由于柱形增大了量子點(diǎn)大尺寸，本身相對(duì)具有尺寸規(guī)則、均勻，其發(fā) 射效率、光增益都強(qiáng)于傳統(tǒng)的自組織生長(zhǎng)的量子點(diǎn)；周?chē)B層浸潤(rùn)層對(duì)電子的俘獲能力、反 射率和光限制能力也要強(qiáng)于單層浸潤(rùn)層的量子點(diǎn)。
我們發(fā)明了一種以柱形InGaSb量子點(diǎn)為發(fā)光核心的高效率1.5pm通訊波段激光器結(jié)構(gòu) 的外延生長(zhǎng)方法。本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，見(jiàn)圖1所示，柱形InGaSb量子點(diǎn)激光器的外延結(jié)構(gòu) 包括GaAs襯底(l)， GaAs緩沖層(2)， AlSb/GaSb超晶格緩沖層(3)， AlQ.gGacnSb下限制層(4)，八10.3030.781)下波導(dǎo)層(5)，柱形InGaSb量子點(diǎn)層(6)， Ala3Gao.7Sb上波導(dǎo)層(7)， Alo.9Gao.!Sb上 限制層(8)， GaSb歐姆層(9)。所采用的設(shè)備為分子束外延設(shè)備(MBE)。
本發(fā)明的技術(shù)效果在于量子點(diǎn)與量子阱的耦合與發(fā)光結(jié)構(gòu)的結(jié)合技術(shù)，可有效提高半導(dǎo) 體激光器的性能。
本發(fā)明可以使半導(dǎo)體激光器的閾值電流和最大光功率輸出得到有效改善，提高激光器的 電光轉(zhuǎn)換效率，從而提高激光器的整體性能。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，InGaSb柱形量子點(diǎn)高效率1.5|am通訊波段激光器結(jié)構(gòu)包括n型GaAs襯 底(l)， n型GaAs緩沖層(2)， n型AlSb/GaSb超晶格緩沖層(3)， n型A^Ga^Sb下限制層(4)， Al0.3Gao.7Sb下波導(dǎo)層(5)，柱形InGaSb量子點(diǎn)層(6), A10.3Ga0.7Sb上波導(dǎo)層(7)， p型Alo.9Gao.!Sb 上限制層(8)， p型GaSb歐姆層(9)。襯底(l)為材料外延生長(zhǎng)的基底，采用Si摻雜的GaAs 襯底；生長(zhǎng)0.5jim的GaAs緩沖層(2);生長(zhǎng)0.2pm AlSb/GaSb超晶格緩沖層(3);下限制為厚 度為1.2拜，Al含量0.9的Alo.9Gao.，Sb層(4);下波導(dǎo)層為厚度為0.35pm， Al含量0.3的 Ala3Gao.7Sb層(5);有源區(qū)為利用10-15個(gè)周期GaSb/GalnSb超晶格生長(zhǎng)的柱形InGaSb量子 點(diǎn)層(6);上波導(dǎo)層為厚度為0.35pm， Al含量0.3的Ala3Gao.7Sb層(7);上限制層為厚度為 1.2nm， Al含量0.9的Al^GaojSb層(8);歐姆接觸層為200nm的p型GaSb層(9)。 下面結(jié)合實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明，采用的設(shè)備為分子束外延設(shè)備(MBE)。 襯底(1)為(100)偏〈111>4°取向、Si摻雜濃度1 2xlO"cn^的GaAs晶體材料； GaAs緩沖層(2)，生長(zhǎng)溫度58(TC， n(Si)摻雜2xl018cnf3，厚度0.5拜； AlSb/GaSb超晶格緩沖層(3)，生長(zhǎng)溫度540'C。
Alo.9Ga(nSb下限制層(4)，生長(zhǎng)溫度540'C， Te摻雜，濃度為5xl018cm—3，生長(zhǎng)1.2nm; Al0.3Gao.7Sb下波導(dǎo)層(5),生長(zhǎng)溫度540。C,生長(zhǎng)0.35fim; 柱形InGaSb量子點(diǎn)層(6)，生長(zhǎng)溫度42CTC; Al0.3Gao.7Sb上波導(dǎo)層(7)，生長(zhǎng)溫度540°C
Al0.9Gao.iSb上限制層(8)，生長(zhǎng)溫度54(TC， Be摻雜，濃度為5xl018cm-3，厚度為1.2nm; 歐姆接觸層為200nm的p型GaSb層(9)，生長(zhǎng)溫度54(TC， Be摻雜，濃度為2xl019cm'3。 采用MBE方法，在(100)偏<111〉4°取向、Si摻雜濃度1 2xlO"cm-3的GaAs襯底1上 依次生長(zhǎng)
厚度0.5pm、 GaAs緩沖層，n(Si)摻雜2xl018cm^生長(zhǎng)溫度580。C; AlSb/GaSb超晶格緩沖層(3)，生長(zhǎng)溫度540。C。
Alo.9Gao.,Sb下限制層(4)，生長(zhǎng)溫度540。C， Te摻雜，濃度為5xl018cm'3，生長(zhǎng)1.2,; Al0.3Gao.7Sb下波導(dǎo)層(5)，生長(zhǎng)溫度54(TC，生長(zhǎng)0.35fmi;
圖1為InGaSb柱形量子點(diǎn)激光器結(jié)構(gòu)示意圖。
權(quán)利要求
1、采用InGaSb柱形量子點(diǎn)實(shí)現(xiàn)高效率1.5μm通訊波段激光器結(jié)構(gòu)的外延生長(zhǎng)設(shè)計(jì)及方法，其外延結(jié)構(gòu)包括GaAs襯底(1)，GaAs緩沖層(2)，A1Sb/GaSb超晶格緩沖層(3)，Al0.9Ga0.1Sb下限制層(4)，Al0.3Ga0.7Sb下波導(dǎo)層(5)，10-15個(gè)周期GaSb/GaInSb超晶格生長(zhǎng)的柱形InGaSb量子點(diǎn)層(6)，Al0.3Ga0.7Sb上波導(dǎo)層(7)，Al0.9Ga0.1Sb上限制層(8)，GaSb歐姆層(9)。采用MBE方法，在(100)偏<111>4°取向、Si摻雜濃度1～2×1018cm-3的GaAs襯底(1)上依次生長(zhǎng)厚度0.5μm、的GaAs緩沖層，n(Si)摻雜2×1018cm-3，生長(zhǎng)溫度580℃；AlSb/GaSb超晶格緩沖層(3)，生長(zhǎng)溫度540℃。Al0.9Ga0.1Sb下限制層(4)，生長(zhǎng)溫度540℃，Te摻雜，濃度為5×1018cm-3，生長(zhǎng)1.2μm；Al0.3Ga0.7Sb下波導(dǎo)層(5)，生長(zhǎng)溫度540℃，生長(zhǎng)0.35μm；10-15個(gè)周期GaSb/GaInSb超晶格生長(zhǎng)的柱形InGaSb量子點(diǎn)層(6)，生長(zhǎng)溫度420℃，量子點(diǎn)尺寸(縱橫比)大于1；Al0.3Ga0.7Sb上波導(dǎo)層(7)，生長(zhǎng)溫度540℃Al0.9Ga0.1Sb上限制層(8)，生長(zhǎng)溫度540℃，Be摻雜，濃度為5×1018cm-3，厚度為1.2μm；歐姆接觸層為200nm的p型GaSb層(9)，生長(zhǎng)溫度540℃，Be摻雜，濃度為2×1019cm-3。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的InGaSb柱形量子點(diǎn)高效率l. 5m通訊波段激光器結(jié)構(gòu)，其特 征在于，緩沖層(1)生長(zhǎng)溫度58(TC， n(Si)摻雜2xl018cm—3，厚度為0.5(im:。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的InGaSb柱形量子點(diǎn)高效率1.5Wn通訊波段激光器結(jié)構(gòu)，其特 征在于，AlSb/GaSb超晶格緩沖層(3)，生長(zhǎng)溫度540'C。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的InGaSb柱形量子點(diǎn)高效率1.5Mffl通訊波段激光器結(jié)構(gòu)，其特 征在于，Alo.9Gao.iSb下限制層(4)，生長(zhǎng)溫度54(TC, Te摻雜，濃度為5xl018cnf3，生長(zhǎng) 1.2jxm 。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的InGaSb柱形量子點(diǎn)高效率1.5剛通訊波段激光器結(jié)構(gòu)，其特 征在于，Al03Ga0.7Sb下波導(dǎo)層(5)，生長(zhǎng)溫度540。C，生長(zhǎng)0.35pm。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的InGaSb柱形量子點(diǎn)高效率1.5m通訊波段激光器結(jié)構(gòu)，其特 征在于，10-15個(gè)周期GaSb/GalnSb超晶格生長(zhǎng)的柱形InGaSb量子點(diǎn)層(6)，生長(zhǎng)溫度420 。C，量子點(diǎn)尺寸(縱橫比)大于l， GaSb/GalnSb超晶格周期數(shù)為10-15個(gè)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的InGaSb柱形量子點(diǎn)高效率1.5Wn通訊波段激光器結(jié)構(gòu)，其特 征在于，Ala3GaQ.7Sb上波導(dǎo)層(5)，生長(zhǎng)溫度540。C，生長(zhǎng)0.35pm 。
8、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的InGaSb柱形量子點(diǎn)高效率1.5陶通訊波段激光器結(jié)構(gòu)，其特 征在于，Alo.9Ga^Sb上限制層(4)，生長(zhǎng)溫度54(TC， Te摻雜，濃度為5xl018cm—3，生長(zhǎng)
9、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的InGaSb柱形量子點(diǎn)高效率1.5Mm通訊波段激光器結(jié)構(gòu)，其特 征在于，歐姆接觸層為200nm的p型GaSb層(9)，生長(zhǎng)溫度540°C， Be摻雜，濃度為 2xl019cm-3。
全文摘要
III-V族銻化物以其特有的晶格參數(shù)、能帶結(jié)構(gòu)特性，在近、中紅外半導(dǎo)體器件方面顯示出越來(lái)越重要得研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。GaAs基1.5μm的Sb基量子點(diǎn)激光器的研制將提供替代InP基材料器件的可能，克服InP基材料其間難以高密度集成，溫度穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，為光通訊提供一種價(jià)格低廉、功耗小、性能優(yōu)良的新光源選擇。本發(fā)明是關(guān)于采用InGaSb柱形量子點(diǎn)實(shí)現(xiàn)高效率1.5μm通訊波段激光器結(jié)構(gòu)的外延生長(zhǎng)設(shè)計(jì)及方法的，能夠?qū)崿F(xiàn)銻化物體系的低維外延生長(zhǎng)的研制，將為替代InP基材料器件，克服InP基材料其間難以高密度集成，溫度穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，為光通訊提供一種價(jià)格低廉、功耗小、性能優(yōu)良的新光源選擇。
文檔編號(hào)H01S5/30GK101626143SQ20091006679
公開(kāi)日2010年1月13日 申請(qǐng)日期2009年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月10日
發(fā)明者喬忠良, 劉國(guó)軍, 尤明慧, 林 李, 梅 李, 李占國(guó), 李聯(lián)合, 勇 王, 王曉華, 趙英杰, 昀 鄧 申請(qǐng)人:長(zhǎng)春理工大學(xué)