Ga In比例渐变的W型锑基半导体激光器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种Ga In比例渐变的W型锑基半导体激光器，在GaInSb层的生长过程中，逐步改变Ga In比例，相比现已技术，GaInSb层的厚度能够得到提高，从而提高W型锑基半导体激光器的输出功率，属于半导体激光器技术领域。
【背景技术】
[0002]大气监测、红外成像用到包括2?2.5 μ m近红外和3?5 μ m中红外在内的2?5μπι波段大气窗口，因此，该波段直接与传感技术、遥感、光电对抗等领域具有重要联系。2?5μπι波段还包含许多重要的分子特征谱线，各种分子特征谱线都有其特征吸收峰，所述的分子及其特征吸收峰如CH4 (3.281 μ m)、CO2 (1.957 μ m，2.779 μ m，
4.235 μ m)、Ν20 (1.953 μ m，2.257 μ m，4.468 μ m)、C0 (2.333 μ m)、SO2 (4 μ m)、HCH0 (3.5 μ m)、HCl (3.5 μm)以及C2H6(3.35 μm)等。这使得该波段在环境监测、瓦斯探测、油气资源探测、医学诊断等具体的民用/军用领域具有极为重要的应用价值。在化学战和生物战等军事领域也用到痕量气体检测技术，许多有毒气体、液体在大气中的特征谱线都位于2?5 ym波段。激光制导主要的工作波段有I?3μπι、3?5μηι和8?12μηι，可见，也与2?5 μ m波段有较宽的重叠。
[0003]与2?5 μ m波段有关的红外激光光源首推InAs/GalnSb W型锑基半导体激光器，这种激光器有着3?5 μ m波段的激光输出。这种激光器其结构为，如图1所示，自下而上依次为GaSb衬底UGaSb缓冲层2、P型GaSb接触层3、P型量子阱4、本征量子阱5、N型量子阱6和N型InAs接触层7，各量子阱具有多周期结构，例如，所述P型量子阱4为60 X (AlSb/InAs/GaInSb:Be/InAs)，所述本征量子阱 5 为 40 X (AlSb/InAs/GalnSb/InAs)，所述 N 型量子阱6为20 X (AlSb/InAs: Si/GalnSb/InAs: Si) ο所述量子阱其单周期能带及结构为W型，如图2所示，图中CB指导带，VB指价带。每个单周期量子阱的结构为由双InAs电子量子阱8夹GaInSb空穴量子阱9的三明治结构，外层是一对AlSb合金限制层10，如图2、图3所示。所述InAs电子量子讲8为17ML(原子层，下同)厚的InAs层，所述GaInSb空穴量子讲9 为 6ML 厚的 Gaa75Ina25Sb 层，该层 Ga:1n = 0.75:0.25，所述 AlSb 合金限制层 10 为 100ML厚的AlSb层。这一结构可从根本上将激光器激射波长向长波方向扩展，实现3?5 μπι波段发光全覆盖。
[0004]然而，现有InAs/GalnSb W型锑基半导体激光器很难实现室温(300K)发光，低温(73K)发光的输出功率也很小，如140毫瓦。其原因在于，由于Ga与In的原子数比例固定，如Ga:1n = 0.75:0.25，且Ga的比例过小，In的比例过大，致使在InAs/GalnSb层间存在较大的晶格失配，产生两个不利后果，一是产生较大的应力，导致GaInSb层的临界断裂厚度很薄，如小于2nm，GaInSb层的厚度则应当小于2nm，如1.8nm，如此薄的GaInSb空穴量子阱9为激光器提供的空穴载流子严重不足，从而复合时产生的光子就很少；二是在InAs/GaInSb界面处存在缺陷，由此形成载流子复合中心，在此发生无辐射跃迀，使得原本有限的载流子会被大量无为消耗。两个后果合一表现为激光输出功率低，几乎不能在室温下形成稳定的激光输出。
【发明内容】
[0005]为了提高InAs/GalnSb W型锑基半导体激光器的激光输出功率，获得室温下的稳定激光输出，我们发明了一种Ga In比例渐变的W型锑基半导体激光器。
[0006]本发明之Ga In比例渐变的W型锑基半导体激光器，自下而上依次为GaSb衬底1、GaSb缓冲层2、P型GaSb接触层3、P型量子阱4、本征量子阱5、N型量子阱6和N型InAs接触层7，如图1所示，所述P型量子阱4、本征量子阱5、N型量子阱6具有多周期结构，所述多周期结构中的每个单周期量子阱的结构为由双InAs电子量子阱8夹GaInSb空穴量子阱9的三明治结构，外层是一对AlSb合金限制层10，如图2、图3所示；其特征在于，所述GaInSb空穴量子阱9由3?9层Ga1^xInxSb层构成，x = 0.05?0.35，如图4所示，中间的Ga1^xInxSb层的x的值最大，两边的Ga1-JnxSb层自中间向两边呈I?4级分布，同级的两个Ga1^xInxSb层的x的值相同，自中间向两边各级Ga1-JnxSb层的x的值逐渐减小。
[0007]本发明其技术效果在于，本发明将Ga1-JnxSb层一分为多，并且，自中间向两边各Ga1JnxSb层中的Ga:1n渐变，In所占比例逐渐减小，这使得在量子阱结构的生长过程中，InAs/GalnSb层间的晶格失配得到缓解，GaInSb层中的应力减小，临界断裂厚度增加，实际生长的GaInSb空穴量子阱9的厚度允许提高。例如，将Ga1-JnxSb层一分为五，中间为17ML厚Gaa75Ina25Sb层，第I级为两个2ML厚的Gaa9InaiSb层，第2级为两个2ML厚的Gaa95Inatl5Sb层，Ga1JnxSb层的总厚度达到25ML，是现有技术6ML的四倍多，也就是将现有技术的1.8nm的Ga1JnxSb层提高到7.5nm厚，提供的空穴数目也提高三倍以上。实际上本发明能够将GapxInxSb层的厚度最高提高到理论厚度上限10nm，最佳值为8?9nm。另外，本发明能够减少InAs/GalnSb界面处的缺陷，从而减少载流子复合中心，减少无福射跃迀，在一定程度上避免载流子的无为消耗。当P型量子阱4的周期为60，本征量子阱5的周期为40，N型量子阱6的周期为20，最终的效果表现为本发明之Ga In比例渐变的W型锑基半导体激光器能够在室温(300K)下形成200毫瓦稳定的激光输出，而现有技术的参数仅有140 晕瓦(78K) ο
【附图说明】
[0008]图1是InAs/GalnSb W型锑基半导体激光器结构示意图。图2是InAs/GalnSb W型锑基半导体激光器中的单周期量子阱能带及结构示意图。图3是现有InAs/GalnSb W型锑基半导体激光器单周期量子阱结构示意图，图中以断开的方式表示AlSb合金限制层10。图4是本发明之Ga In比例渐变的W型锑基半导体激光器中的单周期量子阱的结构示意图，图中以断开的方式表示AlSb合金限制层10，该图同时作为摘要附图；在该图中，GaInSb空穴量子阱9由五层Ga In比例渐变的GaInSb层构成。
【具体实施方式】
[0009]实施例1:
[0010]本发明之Ga In比例渐变的W型锑基半导体激光器，自下而上依次为GaSb衬底1、GaSb缓冲层2、P型GaSb接触层3、P型量子阱4、本征量子阱5、N型量子阱6和N型InAs接触层7，如图1所示，所述P型量子阱4、本征量子阱5、N型量子阱6具有多周期结构，所述多周期结构中的每个单周期量子阱的结构为由双InAs电子量子阱8夹GaInSb空穴量子阱9的三明治结构，外层是一对AlSb合金限制层10，如图2、图3所示；所述GaInSb空穴量子阱9由3层Ga1JnxSb层构成，中间为17ML厚的Gaa8Ina2Sb层，第I级为两个4ML厚的Gaa9InaiSb 层，Ga1^xInxSb 层的总厚度达到 25ML。
[0011]实施例2:
[0012]本发明之Ga In比例渐变的W型锑基半导体激光器，自下而上依次为GaSb衬底1、GaSb缓冲层2、P型GaSb接触层3、P型量子阱4、本征量子阱5、N型量子阱6和N型InAs接触层7，如图1所示，所述P型量子阱4、本征量子阱5、N型量子阱6具有多周期结构，所述多周期结构中的每个单周期量子阱的结构为由双InAs电子量子阱8夹GaInSb空穴量子阱9的三明治结构，外层是一对AlSb合金限制层10，如图2、图3所示；所述GaInSb空穴量子阱9由5层Ga1JnxSb层构成，如图4所示，中间为17ML厚Gaa75Ina25Sb层，第I级为两个2ML厚的Gaa9InaiSb层，第2级为两个2ML厚的Gaa95Ina05Sb层，Ga1-JnxSb层的总厚度达到25ML。
[0013]实施例3:
[0014]本发明之Ga In比例渐变的W型锑基半导体激光器，自下而上依次为GaSb衬底1、GaSb缓冲层2、P型GaSb接触层3、P型量子阱4、本征量子阱5、N型量子阱6和N型InAs接触层7，如图1所示，所述P型量子阱4、本征量子阱5、N型量子阱6具有多周期结构，所述多周期结构中的每个单周期量子阱的结构为由双InAs电子量子阱8夹GaInSb空穴量子阱9的三明治结构，外层是一对AlSb合金限制层10，如图2、图3所示；所述GaInSb空穴量子阱9由9层Ga1JnxSb层构成，中间为17ML厚的Gaa65Ina35Sb层，第I级为两个IML厚的Ga0.75InQ.25Sb层，第2级为两个IML厚的Gaa85In0.15Sb层，第3级为两个IML厚的Gaa9In0.层，第4级为两个IML厚的Gaa95Inatl5Sb层，Ga1^xInxSb层的总厚度达到25ML。
【主权项】
1.一种Ga In比例渐变的W型锑基半导体激光器，自下而上依次为GaSb衬底(I) ,GaSb缓冲层(2)、P型GaSb接触层(3)、P型量子阱(4)、本征量子阱(5)、N型量子阱(6)和N型InAs接触层(7)，所述P型量子阱(4)、本征量子阱(5)、N型量子阱(6)具有多周期结构，所述多周期结构中的每个单周期量子阱的结构为由双InAs电子量子阱(8)夹GaInSb空穴量子阱(9)的三明治结构，外层是一对AlSb合金限制层(10);其特征在于，所述GaInSb空穴量子阱(9)由3?9层Ga1-JnxSb层构成，x = 0.05?0.35，中间的Ga1-JnxSb层的x的值最大，两边的Ga1-JnxSb层自中间向两边呈I?4级分布，同级的两个GahInxSb层的x的值相同，自中间向两边各级Ga1-JnxSb层的x的值逐渐减小。
2.根据权利要求1所述的GaIn比例渐变的W型锑基半导体激光器，其特征在于，所述GaInSb空穴量子阱(9)由3层Ga1JnxSb层构成，中间为17ML厚的Gaa8Ina2Sb层，第I级为两个4ML厚的Gaa9InaiSb层，Ga1^xInxSb层的总厚度达到25ML。
3.根据权利要求1所述的GaIn比例渐变的W型锑基半导体激光器，其特征在于，所述GaInSb空穴量子阱(9)由5层Ga1-JnxSb层构成，中间为17ML厚Ga。.75InQ.25Sb层，第I级为两个2ML厚的Gaa9InaiSb层，第2级为两个2ML厚的Gaa9SInatl5Sb层，Ga1JnxSb层的总厚度达到25ML。
4.根据权利要求1所述的GaIn比例渐变的W型锑基半导体激光器，其特征在于，所述GaInSb空穴量子阱(9)由9层Ga1JnxSb层构成，中间为17ML厚的Gaa65Ina35Sb层，第I级为两个IML厚的Gaa75Ina25Sb层，第2级为两个IML厚的Gaa85Inai5Sb层，第3级为两个IML厚的Gaa9InaiSb层，第4级为两个IML厚的Gaa95Ina05Sb层，Ga1-JnxSb层的总厚度达到25ML。
【专利摘要】Ga In比例渐变的W型锑基半导体激光器属于半导体激光器技术领域。现有InAs/GaInSb W型锑基半导体激光器很难实现室温发光，低温(73K)发光的输出功率也很小。本发明自下而上依次为GaSb衬底、GaSb缓冲层、P型GaSb接触层、P型量子阱、本征量子阱、N型量子阱和N型InAs接触层，所述P型量子阱、本征量子阱、N型量子阱具有多周期结构，所述多周期结构中的每个单周期量子阱的结构为由双InAs电子量子阱夹GaInSb空穴量子阱的三明治结构，外层是一对AlSb合金限制层；其特征在于，所述GaInSb空穴量子阱由3～9层Ga1-xInxSb层构成，x＝0.05～0.35，中间的Ga1-xInxSb层的x的值最大，两边的Ga1-xInxSb层自中间向两边呈1～4级分布，同级的两个Ga1-xInxSb层的x的值相同，自中间向两边各级Ga1-xInxSb层的x的值逐渐减小。
【IPC分类】H01S5-343
【公开号】CN104638517
【申请号】CN201510111618
【发明人】唐吉龙, 魏志鹏, 方铉, 房丹, 高娴, 牛守柱, 王菲, 马晓辉, 王晓华
【申请人】长春理工大学
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年3月13日