含有空穴阻擋層的銻化鎵基量子阱激光器的外延生長方法與流程

文檔序號：12372197閱讀：530來源：國知局

本發(fā)明涉及一種激射波長在2-4μm的鋁鎵砷銻（AlGaAsSb）/銦鎵砷銻（InGaAsSb）/銦磷銻（InPSb）/銻化鎵（GaSb）量子阱激光器結構及其外延生長方法，特別是含空穴阻擋層銦磷銻（InPSb）的量子阱結構的外延生長方法。

背景技術：

2-4μm波段包含非常重要的大氣窗口，包含了許多氣體分子的特征譜線，可以廣泛應用于大氣污染監(jiān)測、氣體檢測等民用項目；這是因為非對稱雙原子和多原子分子氣體（如CH4，CO，H2，SO2，NO 和CO2）等都有吸收紅外輻射能量的性質(zhì)，吸收紅外光的波長很大一部分在2-4μm。這種性質(zhì)是具有紅外活性物質(zhì)本身固有的一種屬性，如同人類的指紋，具有唯一性，不會因環(huán)境、溫度等條件的改變而改變，因此可以利用這一特性來對物質(zhì)進行定性和定量分析，與傳統(tǒng)的檢測手段相比，紅外光譜的檢測方法更具有快速、可實時檢測、可遠距離檢測、對待測物體不產(chǎn)生破壞等優(yōu)點。

在瓦斯、大氣污染物和溫室氣體等氣體檢測的民用領域，氣體檢測設備必須具有可在惡劣環(huán)境中工作、實時檢測、選擇性好、穩(wěn)定性好、工作壽命長、成本低等特點。針對這些市場需求特點，對紅外激光器提出了以下要求：

1）工作溫度為室溫或略高于室溫

2）低頻脈沖或連續(xù)工作

3）多波長、窄線寬

4）波長隨溫度變化偏移較小

5）閾值電流低

6）輸出功率要求低，達到mW量級即可

而銻化物紅外半導體激光器完全可以滿足以上市場要求。

在2-4μm中紅外波段，GaSb 基材料有先天的優(yōu)勢，與襯底晶格匹配的四元銻化物GaInAsSb/AlGaAsSb，根據(jù)材料組分的不同，禁帶寬度可以覆蓋從1.7 到4.4μm的波段。因此，大部分帶間躍遷的中紅外波段Ⅲ-Ⅴ族系材料的研究多集中于銻化物材料。在1.7-3.5μm，主要是GaSb 基材料體系；在大于3.5μm 波段時，GaSb 基激光器性能急劇下降，其主要原因是量子阱與壘之間價帶帶階隨波長變長而變小造成的。

對于激光器結構來說，量子阱帶階是一個關鍵的參數(shù)。量子阱帶階越大，勢壘對勢阱載流子的限制就越強，載流子的泄露就越小，激光器的特征溫度就越高。導帶帶階是勢壘與勢阱導帶底的差值，價帶帶階是勢壘與勢阱價帶頂?shù)牟钪怠?/p>

對于InGaAsSb /AlGaAsSb量子阱體系，InGaAsSb作為勢阱，選取Al_0.35GaAs_0.02Sb 作為勢壘，對勢阱與勢壘的導帶帶階進行計算發(fā)現(xiàn)，隨著In 組分的增加，導帶帶階基本是線性增加；As 組分的增加對導帶帶階的影響比較小一些。對于發(fā)光波長為2-4μm 的量子阱，導帶帶階超過0.5eV，勢壘對勢阱導帶中的電子限制比較大，電子不會泄露出來。

InGaAsSb/AlGaAsSb 量子阱價帶帶階的計算結果表明，與導帶帶階相比，價帶帶階要小得多，即使是GaSb/AlGaAsSb 的帶階也不會超過0.15eV。隨著In組分的增加到0.2，價帶帶階迅速減小，然后在較大In 組分范圍內(nèi)保持穩(wěn)定；而As 組分的增加使價帶帶階急劇下降。對于發(fā)光波長為2μm的量子阱，In 組分為0.18 左右，晶格匹配時所需的As 組分為0.16，這時價帶帶階為-0.096eV，仍可較好的限制空穴。但是隨著波長的增加，In 組分必須增加，而As 組分也要隨之增加，這會使價帶帶階進一步變小，激光器難以激射。

價帶帶階過小導致勢壘對空穴限制較差的問題是激光器在2μm 以上波長激光器激射的主要障礙。目前國際上主要采取兩種手段：一是通過引入一定量的壓應變。為保持量子阱的發(fā)光波長不變，In 組分不變，采取減小As 組分的方法，提高價帶帶階。但是過大的壓應變，當應變量子阱厚度超過臨界厚度時，會在量子阱中引入缺陷，破壞量子阱質(zhì)量；同時較大的應變會使激光器激射波長藍移，不利于更長波長的激射。

二是通過引入五元AlGaInAsSb 材料。五元材料的引入，為量子阱能帶設計帶來了更大的自由度。通過合理選擇AlGaInAsSb 的組分，可以解決價帶帶階過小、對空穴限制弱的缺點。但材料質(zhì)量難以提高，光損耗和焦耳熱現(xiàn)象比較嚴重，激光器性能大大下降。

本發(fā)明，提出了第三種方法，引入薄層InPSb的材料體系在量子阱的電子注入一側。由于P材料的加入，基本上不改變導帶的帶階結構，但可以迅速地增加價帶帶階。所以可以有效地阻擋來自于p型摻雜的空穴向n型摻雜區(qū)的泄露。同時對電子的注入基本上不太影響。由此提高了量子阱的發(fā)光效率，降低了激光激射閾值。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，提出了一種含有空穴阻擋層的銻化鎵基2-4um量子阱激光器結構的外延生長方法，可以有效增加量子阱價帶帶階，提高了量子阱的發(fā)光效率，降低了激光激射閾值。

本發(fā)明提出一種含有空穴阻擋層的銻化鎵基2-4um量子阱激光器結構的外延生長方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1：先在N型GaSb襯底上以較高溫度生長N型GaSb緩沖層和N型AlGaAsSb覆蓋層；

步驟2：降溫后以較低溫度依次生長AlGaAsSb下波導層、AlGaAsSb下勢壘層、InPSb空穴阻擋層、InGaAsSb量子層、AlGaAsSb上勢壘層、AlGaAsSb上波導層；

步驟3：升溫后以較高溫度依次生長P型AlGaAsSb覆蓋層和P型GaSb歐姆接觸層；

步驟4：退火處理，完成外延生長。

附圖說明

本發(fā)明為量子阱激光器結構的分子束外延生長方法，以及一個實施例，包含外延技術。其中：

圖1是激光器結構（層狀）圖。

具體實施方式

請參閱圖1所示，本發(fā)明提出一種含有空穴阻擋層的銻化鎵基2-4um量子阱激光器結構，該結構為多層結構，包括：