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含有空穴阻挡层的锑化镓基量子阱激光器外延生长方法

阅读:5发布:2020-09-06

专利汇可以提供含有空穴阻挡层的锑化镓基量子阱激光器外延生长方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且一种含有空穴阻挡层的锑化镓基2-4um 量子阱 激光器 结构,该结构为多层结构,其特征在于,包括:一N 型GaSb衬底;一N型GaSb 缓冲层 ,该缓冲层生长在衬底上;一N型AlGaAsSb 覆盖 层 ,该覆盖层生长在N型GaSb缓冲层上;一AlGaAsSb下 波导 层,该下波导层生长在N型AlGaAsSb覆盖层上;一AlGaAsSb下势垒层,该下势垒层生长在AlGaAsSb下波导层上;一InPSb空穴阻挡层,该空穴阻挡层生长在AlGaAsSb下势垒层上;一InGaAsSb量子阱层,该量子阱层生长在InPSb空穴阻挡层上;一AlGaAsSb上势垒层,该上势垒层生长在InGaAsSb量子阱层上;一AlGaAsSb上波导层,该上波导层生长在AlGaAsSb上势垒层上;一P型AlGaAsSb覆盖层,该覆盖层生长在AlGaAsSb上波导层上;一P型GaSb欧姆 接触 层,该接触层生长在P型AlGaAsSb覆盖层上。,下面是含有空穴阻挡层的锑化镓基量子阱激光器外延生长方法专利的具体信息内容。

1.一种含有空穴阻挡层锑化镓基量子阱激光器外延生长方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:先在N型GaSb衬底上以较高温度生长N型GaSb缓冲层和N型AlGaAsSb覆盖层;
步骤2:降温后以较低温度依次生长AlGaAsSb下波导层、AlGaAsSb下势垒层、InPSb空穴阻挡层、InGaAsSb量子层、AlGaAsSb上势垒层、AlGaAsSb上波导层;
步骤3:升温后以较高温度依次生长P型AlGaAsSb覆盖层和P型GaSb欧姆接触层;
步骤4:退火处理,完成外延生长。
2.按权利要求1所述的锑化镓基量子阱激光器的外延生长方法,其特征在于,在较高温度生长N型GaSb缓冲层和N型AlGaAsSb覆盖层。
3.按权利要求1所述的锑化镓基量子阱激光器的外延生长方法,其特征在于,量子阱区和覆盖层生长温度不同。
4.按权利要求1所述的锑化镓基量子阱激光器的外延生长方法,其特征在于,量子阱区插入一层空穴阻挡层,其厚度为4-8nm。
5.按权利要求1所述的锑化镓基量子阱激光器的外延生长方法,其特征在于,需退火处理。
6.按权利要求2所述的在较高温度生长N型GaSb缓冲层和N型AlGaAsSb覆盖层,其特征在于,温度范围为500℃到600℃,优选的500℃到550℃。
7.按权利要求3所述的量子阱区和覆盖层生长温度不同,其特征在于,量子阱区的生长温度为400℃到500℃。

说明书全文

含有空穴阻挡层的锑化镓基量子阱激光器外延生长方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种激射波长在2-4μm的镓砷锑(AlGaAsSb)/铟镓砷锑(InGaAsSb)/铟磷锑(InPSb)/锑化镓(GaSb)量子阱激光器结构及其外延生长方法,特别是含空穴阻挡层铟磷锑(InPSb)的量子阱结构的外延生长方法。

背景技术

[0002] 2-4μm波段包含非常重要的大气窗口,包含了许多气体分子的特征谱线,可以广泛应用于大气污染监测、气体检测等民用项目;这是因为非对称双原子和多原子分子气体(如CH4,CO,H2,SO2,NO 和CO2)等都有吸收红外辐射能量的性质,吸收红外光的波长很大一部分在2-4μm。这种性质是具有红外活性物质本身固有的一种属性,如同人类的指纹,具有唯一性,不会因环境、温度等条件的改变而改变,因此可以利用这一特性来对物质进行定性和定量分析,与传统的检测手段相比,红外光谱的检测方法更具有快速、可实时检测、可远距离检测、对待测物体不产生破坏等优点。
[0003] 在瓦斯、大气污染物和温室气体等气体检测的民用领域,气体检测设备必须具有可在恶劣环境中工作、实时检测、选择性好、稳定性好、工作寿命长、成本低等特点。针对这些市场需求特点,对红外激光器提出了以下要求:1)工作温度为室温或略高于室温
2)低频脉冲或连续工作
3)多波长、窄线宽
4)波长随温度变化偏移较小
5)阈值电流
6)输出功率要求低,达到mW量级即可
而锑化物红外半导体激光器完全可以满足以上市场要求。
[0004] 在2-4μm中红外波段,GaSb 基材料有先天的优势,与衬底晶格匹配的四元锑化物GaInAsSb/AlGaAsSb,根据材料组分的不同,禁带宽度可以覆盖从1.7 到4.4μm的波段。因此,大部分带间跃迁的中红外波段Ⅲ-Ⅴ族系材料的研究多集中于锑化物材料。在1.7-3.5μm,主要是GaSb 基材料体系;在大于3.5μm 波段时,GaSb 基激光器性能急剧下降,其主要原因是量子阱与垒之间价带带阶随波长变长而变小造成的。
[0005] 对于激光器结构来说,量子阱带阶是一个关键的参数。量子阱带阶越大,势垒对势阱载流子的限制就越强,载流子的泄露就越小,激光器的特征温度就越高。导带带阶是势垒与势阱导带底的差值,价带带阶是势垒与势阱价带顶的差值。
[0006] 对于InGaAsSb /AlGaAsSb量子阱体系,InGaAsSb作为势阱,选取Al0.35GaAs0.02Sb 作为势垒,对势阱与势垒的导带带阶进行计算发现,随着In 组分的增加,导带带阶基本是线性增加;As 组分的增加对导带带阶的影响比较小一些。对于发光波长为2-4μm 的量子阱,导带带阶超过0.5eV,势垒对势阱导带中的电子限制比较大,电子不会泄露出来。
[0007] InGaAsSb/AlGaAsSb 量子阱价带带阶的计算结果表明,与导带带阶相比,价带带阶要小得多,即使是GaSb/AlGaAsSb 的带阶也不会超过0.15eV。随着In组分的增加到0.2,价带带阶迅速减小,然后在较大In 组分范围内保持稳定;而As 组分的增加使价带带阶急剧下降。对于发光波长为2μm的量子阱,In 组分为0.18 左右,晶格匹配时所需的As 组分为0.16,这时价带带阶为-0.096eV,仍可较好的限制空穴。但是随着波长的增加,In 组分必须增加,而As 组分也要随之增加,这会使价带带阶进一步变小,激光器难以激射。
[0008] 价带带阶过小导致势垒对空穴限制较差的问题是激光器在2μm 以上波长激光器激射的主要障碍。目前国际上主要采取两种手段:一是通过引入一定量的压应变。为保持量子阱的发光波长不变,In 组分不变,采取减小As 组分的方法,提高价带带阶。但是过大的压应变,当应变量子阱厚度超过临界厚度时,会在量子阱中引入缺陷,破坏量子阱质量;同时较大的应变会使激光器激射波长蓝移,不利于更长波长的激射。
[0009] 二是通过引入五元AlGaInAsSb 材料。五元材料的引入,为量子阱能带设计带来了更大的自由度。通过合理选择AlGaInAsSb 的组分,可以解决价带带阶过小、对空穴限制弱的缺点。但材料质量难以提高,光损耗和热现象比较严重,激光器性能大大下降。
[0010] 本发明,提出了第三种方法,引入薄层InPSb的材料体系在量子阱的电子注入一侧。由于P材料的加入,基本上不改变导带的带阶结构,但可以迅速地增加价带带阶。所以可以有效地阻挡来自于p型掺杂的空穴向n型掺杂区的泄露。同时对电子的注入基本上不太影响。由此提高了量子阱的发光效率,降低了激光激射阈值。

发明内容

[0011] 本发明的目的在于,提出了一种含有空穴阻挡层的锑化镓基2-4um量子阱激光器结构的外延生长方法,可以有效增加量子阱价带带阶,提高了量子阱的发光效率,降低了激光激射阈值。
[0012] 本发明提出一种含有空穴阻挡层的锑化镓基2-4um量子阱激光器结构的外延生长方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤1:先在N型GaSb衬底上以较高温度生长N型GaSb缓冲层和N型AlGaAsSb覆盖层
步骤2:降温后以较低温度依次生长AlGaAsSb下波导层、AlGaAsSb下势垒层、InPSb空穴阻挡层、InGaAsSb量子层、AlGaAsSb上势垒层、AlGaAsSb上波导层;
步骤3:升温后以较高温度依次生长P型AlGaAsSb覆盖层和P型GaSb欧姆接触层;
步骤4:退火处理,完成外延生长。
附图说明
[0013] 本发明为量子阱激光器结构的分子束外延生长方法,以及一个实施例,包含外延技术。其中:图1是激光器结构(层状)图。

具体实施方式

[0014] 请参阅图1所示,本发明提出一种含有空穴阻挡层的锑化镓基2-4um量子阱激光器结构,该结构为多层结构,包括:一N型衬底101,起到支撑和N型电极接触层的作用;
一N型缓冲层102,生长在衬底101上,起到平整衬底损伤,平滑表面的作用;
一N型AlGaAsSb覆盖层103,生长在N型缓冲层102上,起到覆盖波导的作用;
一AlGaAsSb下波导层104,生长在N型AlGaAsSb覆盖层103上,起导引光的作用;
一AlGaAsSb下势垒层105,生长在AlGaAsSb下波导层104上,起量子阱势垒的作用;
一InPSb空穴阻挡层106,生长在AlGaAsSb下势垒层105上,起阻挡空穴的作用,也是本发明的核心内容;
一InGaAsSb量子阱层107,生长在InPSb空穴阻挡层106上,起量子阱的作用;
一AlGaAsSb上势垒层108,生长在InGaAsSb量子阱层107上,起量子阱势垒的作用;
一AlGaAsSb上波导层109,生长在AlGaAsSb上势垒层108上,起导引光的作用;
一P型AlGaAsSb覆盖层110,生长在AlGaAsSb上波导层109上,起到覆盖波导的作用;
一P型GaSb欧姆接触层111,生长在P型AlGaAsSb覆盖层110上,起到P型欧姆接触层的作用。
[0015] 在结合图1所示,本发明提出了一种含有空穴阻挡层的锑化镓基2-4um量子阱激光器结构的外延生长方法,包括如下步骤:步骤1:先在N型GaSb衬底上以520℃生长N型GaSb缓冲层600nm和N型AlGaAsSb覆盖层
1500nm;
步骤2:降温后以440℃依次生长AlGaAsSb下波导层200nm、AlGaAsSb下势垒层20nm、InPSb空穴阻挡层6nm、InGaAsSb量子层10nm、AlGaAsSb上势垒层20nm、AlGaAsSb上波导层
200nm;
步骤3:升温后以520℃依次生长P型AlGaAsSb覆盖层1500nm和P型GaSb欧姆接触层
300nm;
步骤4:退火处理,完成外延生长。
[0016] 表一所示为具体实施例,包括组分、厚度、掺杂、生长温度等参数
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