中红外超晶格带间跃迁激光器及其制备方法与流程

本公开涉及中红外半导体激光器领域，尤其涉及一种中红外超晶格带间跃迁激光器及其制备方法。

背景技术

2-5μm波段包含非常重要的大气窗口，非对称原子和多原子分子气体在2-5um波段下存在强的吸收峰，比如水分子就在2.7um处有较强的吸收峰，甲烷ch4在3.41um有吸收峰，氯化氢气体hcl在3.54um处有吸收峰，这种特性是具有红外活性物质本身固有的一种属性。比如在2-2.5μm的波段，水蒸气吸收特别弱，而一些污染气体，如c0，ch4，no2，这些气体的吸收特别强，所以极为适合环境监测。中红外激光气体检测技术与其他气体检测技术相比，具有一系列优势：测量范围广，波长覆盖中红外波段；探测精度高；响应速度快，可实现实时在线测量；选择性好，输出波长单一，调谐精度高，不受背景气体干扰；可实现长光程开放式测量。基于中红外激光器的吸收光谱技术(tdlas)和光声光谱技术(pas)在工业气体在线分析、环境监测、呼吸检测等领域都存在广泛的应用前景。除此之外，在军事领域，目前的红外制导导弹已经从第一代的寻的制导向第四代2-5um波段中红外波段凝视成像制导发展，该技术大大提高了红外制导导弹的灵敏度和抗干扰能力，使其获得了更远的攻击距离，并使一些传统的红外对抗手段如闪光灯、红外干扰弹等效能大减，在战争中威胁极大。对付其最有效的方法，就是基于2-5μm中红外半导体激光对抗武器系统，可以使得制导系统中焦平面阵列探测器致盲失效，甚至完全物理摧毁。除此之外，这个波段的激光器还可以用在自由空间光通信中，自由空间光通信系统利用大气作为传输媒介进行光信号传输，具有高度定向性、高度隐形性、高度保密性。中远红外半导体激光器的激射射波长覆盖2-5μm和8-13μm这两个大气窗口，可作为光发射机进行通信，大大减小雾霾等恶劣天气的影响，提高稳定性。同时自由空间通讯无需铺设光纤网络，就可以长距离通讯，星地通讯。

目前可以实现中红外波段的激光器主要有gasb基一类量子阱激光器，gasb基一类量子阱级联激光器以及gasb基带间级联激光器这三种，普通的一类量子阱激光器由于在长波长波段容易受到俄歇复合的限制，较难实现较长波段的激射，而带间级联激光器由于采用w型有源区结构，较难实现粒子数反转，并且其本身对于电子和空穴的限制作用不强导致其较难实现短波长的工作。

公开内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种中红外超晶格带间跃迁激光器及其制备方法，以缓解现有技术中量子阱激光器长波长波段容易受到俄歇复合的限制的问题，以及带间级联激光器由于采用w型有源区结构，导致其增益较小，并且其本身对于电子和空穴的限制作用不强导致其较难实现短波长工作等技术问题。

(二)技术方案

本公开提供一种中红外超晶格带间跃迁激光器，包括：衬底，为n型镓锑材料；下限制层，制备于衬底上，为n型掺杂的algaassb；下波导层，制备于下限制层上，为非掺杂的algainassb；有源区，制备于下波导层上，为超晶格带间跃迁有源区，包括：输运电子的inas/alsb超晶格；以及输运空穴的ingasb/a1sb超晶格；上波导层，制备于有源区上，为非掺杂的a1gainassb；上限制层，制备于上波导层上，p型掺杂的algaassb；以及上接触层，制备于上限制层上，为p型掺杂的gasb。

在本公开实施例中，所述输运电子的inas/alsb超晶格周期在3-9个周期，inas的厚度在超晶格中渐变，厚度在1-3.5nm，a1sb的厚度为1-2nm。

在本公开实施例中，所述输运空穴的ingasb/alsb超晶格，其中ingasb和a1sb的厚度渐变，其周期为1-4个周期，其中ingasb空穴阱中in组分为0.25-0.4之间，所述ingasb空穴阱的厚度为1-4nm，alsb的厚度为1-2nm。

在本公开实施例中，所述下限制层为n型掺杂的铝镓砷锑材料，其组分比例为al0.6-0.9gaas0.02-0.04sb，碲掺杂浓度为1e¹⁷-1e¹⁸em^-3，厚度为1.0μm-2μm。

在本公开实施例中，所述下波导层为非掺杂铝镓铟砷锑材料，组分比例为al0.1-0.3gain0.2-0.4as0.15-0.35sb，厚度为300nm-600nm。

在本公开实施例中，所述上波导层为p型掺杂的铝镓铟砷锑材料，其组分比例为al0.1-0.3gain0.2-0.4as0.15-0.35sb，厚度为300nm-600nm。

在本公开实施例中，所述上限制层为p型掺杂的铝镓砷锑材料，其组分比例为al0.3-0.9gaas0.02-0.04sb，铍掺杂浓度为1e¹⁸-1e¹⁹cm^-3，厚度为1.0μm-2μm。

在本公开实施例中，所述上接触层为p型掺杂的镓锑材料，铍掺杂浓度为1e¹⁹-8e¹⁹cm^-3，厚度为250nm-500nm。

在本公开的另一方面，提供一种制备方法，用于制备上述任一项所述的中红外超晶格带间跃迁激光器，包括：步骤a：制备中红外超晶格带间跃迁激光器所用的外延片；步骤b：在步骤a的所制备外延片上制备出激光器的脊型波导；步骤c：在步骤b制备完脊型波导的外延片表面淀积绝缘层；步骤d：在步骤c的基础之上，在对应脊条上方刻蚀绝缘层，制备电极窗口；步骤e、在步骤d所制备电极窗口上方制备p型正面电极；

步骤f、在衬底的背面制备n型背面电极；步骤g、将片子解离成巴条，并在巴条的解离面上镀膜；以及步骤h、解离管芯，倒装焊在热沉上，从而制得中红外超晶格带间跃迁激光器。

在本公开实施例中，步骤c中所述绝缘层的材料包括：sio2或si3n4。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开中红外超晶格带间跃迁激光器及其制备方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)电子的跃迁发生在两种超晶格的带间跃迁中，这种机制可以保证在偏压下，产生巨大的粒子数反转；

(2)由于超晶格本身的限制作用，将对电子和空穴都有很强的限制，可以保证电子和空穴的有效利用；

(3)超晶格带间跃迁机制由于近似于带间辐射复合，在中红外的较长波的波段可以有效的减小俄歇复合的产生；

(4)可以有效的提高有源区的增益；

(5)通过改变超晶格中阱的宽度可以有效的调节波长。

附图说明

图1是本公开实施例中红外超晶格带间跃迁激光器的外延结构示意图；

图2是本公开实施例中红外超晶格带间跃迁激光器的超晶格带间跃迁有源区的能带图。

图3是本公开实施例中红外超晶格带间跃迁激光器的超晶格带间跃迁有源区的光致荧光谱(pl谱)。

图4是本公开实施例中红外超晶格带间跃迁激光器的工艺流程图。

图5是本公开实施例中红外超晶格带间跃迁激光器的制备方法步骤示意图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

100-衬底；200-下限制层；300-下波导层；

400-有源区；

410-inas/alsb超晶格；420-ingasb/alsb超晶格；

500上波导层；600-上限制层；700-上接触层。

具体实施方式

本公开提供了一种中红外超晶格带间跃迁激光器及其制备方法，所述激光器采用在超晶格中传输的电子跃迁到另一种超晶格中的空穴态的带间跃迁机制，这种带间跃迁的方法可以有效的增加有源区的粒子数反转，增加激光器的增益，还可以通过调整超晶格中阱的宽度来调整器件的激射波长，此外还可以有效的抑制在长波下的俄歇复合的产生，使得器件可以在较大的波长范围内工作，实现中红外波段的工作，采用这种结构可以极大的提高有源区增益和激光器性能。

在本公开实施例中，所述中红外超晶格带间跃迁激光器是通过超晶格中的电子跃迁到空穴中复合发光，这种激光器可以通过调节超晶格中inas层的厚度来改变波长，并且超晶格结构本身对于电子具有强的限制，在偏压下超晶格中形成微带可以保证电子的几乎无阻碍的传输，这有利于实现粒子数的反转。此外，采用带间跃迁的二类超晶格的结构可以有效的降低俄歇复合率。因此本公开的中红外超晶格带间跃迁结构激光器可以有效的提高有源区的增益，方便的调节激光器工作的波长，具有较高的激光器的性能。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开中，提供一种中红外超晶格带间跃迁激光器，图1为所述激光器的外延结构示意图，如图1所示，所述中红外超晶格带间跃迁激光器的外延结构，包括：

衬底100，为n型镓锑材料；

下限制层200，制备于衬底100上，为n型掺杂的algaassb；

下波导层300，制备于下限制层200上，为非掺杂的algainassb；

有源区400，制备于下波导层300上，为超晶格带间跃迁有源区；

上波导层500，制备于有源区400上，为非掺杂的algainassb；

上限制层600，制备于上波导层500上，p型掺杂的algaassb；以及

上接触层700，制备于上限制层600上，为p型掺杂的gasb。

在本公开实施例中，图2为中红外超晶格带间跃迁激光器的超晶格带间跃迁有源区的能带图，如图2所示，所述有源区400，包括：输运电子的inas/alsb超晶格410；以及输运空穴的ingasb/alsb超晶格420。

所述输运电子的inas/alsb超晶格410中，inas厚度渐变，厚度大约在1-3.5nm，而alsb的厚度大约1-2nm。

在本公开实施例中，所述输运电子的inas/alsb超晶格410基本在3-9个周期，inas的厚度在超晶格中渐变，以此保证在电压下超晶格的微带保持水平，通过调节inas的厚度可以实现中红外波段2-5um的激光器。

在本公开实施例中，所述输运空穴的ingasb/alsb超晶格420，其中ingasb和alsb的厚度渐变，以此保证在电压下空穴能级保持水平，其周期为1-4个周期，其中ingasb空穴阱中in组分为0.25-0.4之间，以保证有足够的空穴限制，其中，所述ingasb空穴阱的厚度为1-4nm，所述alsb的厚度大约在1-2nm，可以通过调整ingasb空穴阱以及in组分来调整激射波长。

在本公开实施例中，所述下限制层200为n型掺杂的铝镓砷锑材料，其组分比例为al0.6-0.9gaas0.02-0.04sb，碲掺杂浓度为1e¹⁷-1e¹⁸cm^-3，厚度为1.0μm-2μm。

在本公开实施例中，所述下波导层300为非掺杂铝镓铟砷锑材料，组分比例为al0.1-0.3gain0.2-0.4as0.15-0.35sb，厚度为300nm-600nm。

在本公开实施例中，所述上波导层500为p型掺杂的铝镓铟砷锑材料，其组分比例为al0.1-0.3gain0.2-0.4as0.15-0.35sb，厚度为300nm-600nm。

在本公开实施例中，所述上限制层600为p型掺杂的铝镓砷锑材料，其组分比例为al0.3-0.9gaas0.02-0.04sb，铍掺杂浓度为1e¹⁸-1e¹⁹cm^-3，厚度为1.0μm-2μm。

在本公开实施例中，所述上接触层700为p型掺杂的镓锑材料，铍掺杂浓度为1e¹⁹-8e¹⁹cm^-3，厚度为250nm-500nm。

在本公开实施例中，所述中红外超晶格带间跃迁激光器，其有源区采用一种新型的跃迁机制，这种跃迁机制有别于普通激光器中的一类或者二类量子阱跃迁，这种跃迁是在束缚电子的超晶格inas/alsb与束缚空穴的超晶格ingasb/alsb中完成的，由于这种跃迁不是在一种材料中进行的，所以其实质上是一种带间跃迁，图2为中红外超晶格带间跃迁激光器的超晶格带间跃迁有源区的能带图，如图2所示，有源区包括输运电子的超晶格inas/alsb，此超晶格中inas厚度渐变，厚度大约在1-3.5nm，而aisb的厚度大约1-2nm，此超晶格基本在3-9个周期，inas的厚度在超品格中渐变，以此保证在电压下超晶格的微带保持水平，通过调节inas的厚度可以实现中红外波段2-5um的激光器，量子阱中输运空穴的超晶格ingasb/alsb超晶格也同样为厚度渐变的超晶格，以此保证在电压下空穴能级保持水平，其周期为1-4个周期，其中ingasb空穴阱中in组分为0.25-0.4之间，以保证有足够的空穴限制，其中ingasb空穴阱的厚度为1-4nm，其中alsb的厚度大约在1-2nm，可以通过调整ingasb空穴阱以及in组分来调整激射波长，inas/a1sb超晶格主要为电子上能态ee，ingasb/a1sb超晶格为空穴的下能态eh，电子与空穴的复合发生于两种超晶格之前，为带间的斜跃迁。这种带间跃迁机制可以有效的抑制在较长波段的俄歇复合率。本公开提出的这种带间跃迁机制可以有效的利用pn结的正向偏压产生粒子数反转，增大增益。并可以方便的调节整个中红外波段的波长。具有较好的器件性能，如图3所示，为中红外超晶格带间跃迁激光器有源区在中红外3621nm的光致荧光谱。

在本公开实施例中，所述中红外超晶格带间跃迁激光器采用的脊型波导结构，但本公开并不以此为限。本领域技术人员应当相当清楚，激光器中波导结构也可以为双沟道脊型波导结构。本公开实施例中，刻蚀形成的脊型波导结构的深度可以为a1gaassb上限制层上表面以下以及a1gainassb上波导层下表面以上任意位置，双沟道脊型波导的宽度可以为窄条型5-35um，对于单一结构的条形波导结构，可以为宽条型约为100-200um，本领域技术人员应当清楚，此实例中具体的波导结构可以为多种，并不以此为主要讨论重点。

在本公开中，还提供一种制备方法，用于制备所述中红外超晶格带间跃迁激光器，图4为所述制备方法的工艺流程图，图5为所述制备方法步骤示意图，结合图4和图5所示，所述制备方法包括：

步骤a：制备中红外超晶格带间跃迁激光器所用的外延片；

具体为将gasb衬底放在分子束外延设备中，依次制备下限制层、下波导层、超晶格带间跃迁有源区、上波导层、上限制层，上接触层，即在gasb衬底上外延掺te的掺杂浓度为5e¹⁷的al0.85ga0.15as0.07sb0.93下限制层200，厚度约为1.5um；之后外延不掺杂的al0.20ga0.55in0.25as0.33sb0.67下波导层300，厚度约为400nm；接着外延5对的inas/a1sb，4对的in0.35ga0.65sb/a1sb超晶格带间跃迁有源区；之后外延不掺杂400nm的al0.20ga0.55in0.25as0.33sb0.67上波导层；以及掺be且掺杂浓度为5e¹⁷的al0.85ga0.15as0.07sb0.93上限制层；最后外延掺be且重掺杂浓度为5e¹⁸的gasb上接触层。

步骤b：在步骤a的所制备外延片上制备出激光器的脊型波导，包括：

子步骤b1：在上接触层上旋涂光刻胶，用普通的接触式曝光方法，用光刻板做掩膜，制备出脊型波导的掩膜图形，整个图形位于器件的上表面；以及

子步骤b2：用光刻胶做掩膜，用电感耦合等离子体(icp)方法刻蚀上表面，从而得到脊型波导。

步骤c：在制备完脊型波导的外延片表面淀积绝缘层；

利用等离子增强化学气相沉积(pecvd)法沉积250-300nm厚的绝缘层，所述绝缘层的材料包括：sio2或si3n4；

步骤d：在步骤c的基础之上，在对应脊条上方刻蚀绝缘层，制备电极窗口。

利用接触式光刻，在脊型波导上方利用光刻板做掩膜，制备出脊型波导上方的电极窗口图形，然后利用光刻胶做掩膜，利用icp刻蚀250nm的绝缘层，使得器件p型接触层暴露出来用于之后的金属电极形成欧姆接触。

步骤e、在步骤d所制备电极窗口上方制备p型正面电极。

在器件的上表面利用磁控溅射方法溅射ti/pu/au厚度为20/50/300nm，以形成p面的欧姆接触。

步骤f、在衬底的背面制备n型背面电极。

对器件的下表面进行减薄抛光，将器件的gasb衬底减薄至150-200um，并进行抛光；再采用ni/auge/au形成n面的欧姆接触，厚度为5/100/300nm，之后放入快速热退火(rtp)设备中进行退火，以此形成n面的欧姆接触。

步骤g、将片子解离成巴条，并在巴条的解离面上镀膜；

前腔面镀增透膜λ/4的al2o3，后腔面镀高反膜200nm的al2o3/100nm的au。

步骤h、解离管芯，倒装焊在热沉上，从而制得中红外超晶格带间跃迁激光器。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)电感耦合等离子体(icp)还可以用反应离子刻蚀(rie)方法来替代；

(2)sio2绝缘层可以用作sinx替代；

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开中红外超晶格带间跃迁激光器及其制备方法有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种中红外超晶格带间跃迁激光器及其制备方法，采用一种超晶格带间跃迁的方法，这种带间跃迁的方法可以有效的增加有源区的粒子数反转，增加激光器的增益，还可以通过调整超晶格中阱的宽度来调整器件的激射波长，此外由于采用类似于带间跃迁的机制可以有效的抑制在长波下的俄歇复合的产生，使得器件可以在较大的波长范围内工作，因此激光器可以覆盖整个中红外2-5um波段，实现中红外波段的工作，采用这种结构可以极大的提高有源区增益和激光器性能。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。