采用InGaSb柱形量子点实现高效率1.5μm通讯波段激光器结构的外延生长设计及方法

摘要

III－V族锑化物以其特有的晶格参数、能带结构特性，在近、中红外半导体器件方面显示出越来越重要得研究价值和应用价值。GaAs基1.5μm的Sb基量子点激光器的研制将提供替代InP基材料器件的可能，克服InP基材料其间难以高密度集成，温度稳定性差等缺点，为光通讯提供一种价格低廉、功耗小、性能优良的新光源选择。本发明是关于采用InGaSb柱形量子点实现高效率1.5μm通讯波段激光器结构的外延生长设计及方法的，能够实现锑化物体系的低维外延生长的研制，将为替代InP基材料器件，克服InP基材料其间难以高密度集成，温度稳定性差等缺点，为光通讯提供一种价格低廉、功耗小、性能优良的新光源选择。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体激光器材料技术领域，属于半导体激光器新型材料的外延生长技术领 域。

背景技术

以半导体低维结构为有源区的激光器，理论上具有更低的阈值电流密度、更高的光增益、 更高的特征温度和更宽的调制带宽等优点。

近几年，虽然通过采用低温外延生长技术，AlGaAsSb缓冲层以及GaAsSb或高铟组分 InGaAs盖层降低应变技术等，GaAs基上InGaAs量子点结构的室温发光波长已经覆盖了 1.3μm和1.5μm这两个重要的通讯窗口，但对于1.5μm高效率半导体激光器的突破性研究仍 然有限。

III-V族锑化物以其特有的晶格参数、能带结构特性，在近、中红外半导体器件方面显示 出越来越重要得研究价值和应用价值。锑化物以其特有的窄带隙、电子有效质量小等特点成 为近年来中红外波段研究的热点材料，GaAs基1.5μm的Sb基量子点激光器的研制将替代 InP基材料器件，克服InP基材料难以高密度集成，温度稳定性差等缺点，为光通讯提供一种 价格低廉、功耗小、性能优良的新光源选择。

InGaSb量子点的研究是在近几年才开始研究的，2004年报道了1.3μm和1.55μm InGaSb 量子点激光器的相关研究情况。

本专利申请提出以柱形InGaSb量子点为核心发光结构，研制GaAs基1.55μm发光波长 的InGaSb柱形量子点激光器结构的外延生长。

发明内容

本发明是一种以柱形InGaSb量子点为有核心发光结构的高效率1.5μm通讯波段激光器 结构的外延生长方法。由于柱形增大了量子点大尺寸，本身相对具有尺寸规则、均匀，其发 射效率、光增益都强于传统的自组织生长的量子点；周围叠层浸润层对电子的俘获能力、反 射率和光限制能力也要强于单层浸润层的量子点。

我们发明了一种以柱形InGaSb量子点为发光核心的高效率1.5μm通讯波段激光器结构 的外延生长方法。本发明是这样实现的，见图1所示，柱形InGaSb量子点激光器的外延结构 包括GaAs衬底(1)，GaAs缓冲层(2)，AlSb/GaSb超晶格缓冲层(3)，Al_0.9Ga_0.1Sb下限制层(4)， Al_0.3Ga_0.7Sb下波导层(5)，柱形InGaSb量子点层(6)，Al_0.3Ga_0.7Sb上波导层(7)，Al_0.9Ga_0.1Sb上 限制层(8)，GaSb欧姆层(9)。所采用的设备为分子束外延设备(MBE)。

本发明的技术效果在于量子点与量子阱的耦合与发光结构的结合技术，可有效提高半导 体激光器的性能。

本发明可以使半导体激光器的阈值电流和最大光功率输出得到有效改善，提高激光器的 电光转换效率，从而提高激光器的整体性能。

具体实施方式

如图1所示，InGaSb柱形量子点高效率1.5μm通讯波段激光器结构包括：n型GaAs衬 底(1)，n型GaAs缓冲层(2)，n型AlSb/GaSb超晶格缓冲层(3)，n型Al_0.9Ga_0.1Sb下限制层(4)， Al_0.3Ga_0.7Sb下波导层(5)，柱形InGaSb量子点层(6)，Al0.3Ga0.7Sb上波导层(7)，p型Al_0.9Ga_0.1Sb 上限制层(8)，p型GaSb欧姆层(9)。衬底(1)为材料外延生长的基底，采用Si掺杂的GaAs 衬底；生长0.5μm的GaAs缓冲层(2)；生长0.2μm AlSb/GaSb超晶格缓冲层(3)；下限制为厚 度为1.2μm，Al含量0.9的Al_0.9Ga_0.1Sb层(4)；下波导层为厚度为0.35μm，Al含量0.3的 Al_0.3Ga_0.7Sb层(5)；有源区为利用10-15个周期GaSb/GaInSb超晶格生长的柱形InGaSb量子 点层(6)；上波导层为厚度为0.35μm，Al含量0.3的Al_0.3Ga_0.7Sb层(7)；上限制层为厚度为 1.2μm，Al含量0.9的Al_0.9Ga_0.1Sb层(8)；欧姆接触层为200nm的p型GaSb层(9)。

下面结合实例说明本发明，采用的设备为分子束外延设备(MBE)。

衬底(1)为(100)偏<111>4°取向、Si掺杂浓度1～2×10¹⁸cm^-3的GaAs晶体材料；

GaAs缓冲层(2)，生长温度580℃，n(Si)掺杂2×10¹⁸cm^-3，厚度0.5μm；

AlSb/GaSb超晶格缓冲层(3)，生长温度540℃。

Al_0.9Ga_0.1Sb下限制层(4)，生长温度540℃，Te掺杂，浓度为5×10¹⁸cm^-3，生长1.2μm；

Al_0.3Ga_0.7Sb下波导层(5)，生长温度540℃，生长0.35μm；

柱形InGaSb量子点层(6)，生长温度420℃；

Al_0.3Ga_0.7Sb上波导层(7)，生长温度540℃

Al_0.9Ga_0.1Sb上限制层(8)，生长温度540℃，Be掺杂，浓度为5×10¹⁸cm^-3，厚度为1.2μm；

欧姆接触层为200nm的p型GaSb层(9)，生长温度540℃，Be掺杂，浓度为2×10¹⁹cm^-3。

采用MBE方法，在(100)偏<111>4°取向、Si掺杂浓度1～2×10¹⁸cm^-3的GaAs衬底1上 依次生长：

厚度0.5μm、GaAs缓冲层，n(Si)掺杂2×10¹⁸cm^-3，生长温度580℃；

AlSb/GaSb超晶格缓冲层(3)，生长温度540℃。

Al_0.9Ga_0.1Sb下限制层(4)，生长温度540℃，Te掺杂，浓度为5×10¹⁸cm^-3，生长1.2μm；

Al_0.3Ga_0.7Sb下波导层(5)，生长温度540℃，生长0.35μm；

附图说明：

图1为InGaSb柱形量子点激光器结构示意图。