一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外激光器的外延结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体激光器外延技术领域，特别是一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器的外延结构。
【背景技术】
[0002]GaSb基中红外半导体激光器在医疗保健、激光光通讯、激光雷达及痕量气体监测等领域中有着重要的应用，受到人们广泛关注。通过调节有源区量子阱材料InGaAsSb中的In组分，可使其发光波长覆盖1.3 μπι (GaAsSb)到远红外12 μπι (InAsSb)光谱领域。对于该波段的激光器，有源区量子阱内容易发生Auger复合。Auger复合所造成的高能载流子在限制层内的泄露是影响激光器阈值电流及特征温度的主要因素。同时，与其他半导体材料相比，锑化物电子迁移率较高，在P型限制层泄漏现象更为明显。另外，电子在P型限制层内的泄漏产生的热量将使激光器的结温升高，严重影响器件寿命。因此，如何改善有源区量子阱内Auger复合所造成的高能电子在限制层内泄漏是提高GaSb基中红外半导体激光器转换效率和稳定性的主要问题。
[0003]现有技术中，采用增加量子阱阱数的方法抑制电子在p型限制层泄漏。量子阱阱数增多可提高阱内对电子的束缚能力。但是阱数过多，不仅会造成外延材料浪费，同时也增加了器件的内损耗，使得激光器室温阈值电流变大，输出效率降低，器件性能反而下降。
[0004]鉴于此，有必要提供一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器的外延结构克服上述缺点。
【发明内容】
[0005]本发明目的是提供一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器的外延结构。它能够减少量子阱内的Auger复合，抑制量子阱中导带电子向p型限制层的溢出，从而有效降低器件的阈值电流，提高特征温度。
[0006]为了达到上述发明目的，本发明的技术方案以如下方式实现:
一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器的外延结构，包括GaSb衬底、缓冲层、η型限制层、η型波导层、有源区、ρ型波导层、电子阻挡层和ρ型限制层，所述电子阻挡层位于Ρ型波导层和Ρ型限制层之间。
[0007]在上述一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器的外延结构中，所述电子阻挡层导带电势高于P型限制层导带电势。
[0008]在上述一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器的外延结构中，所述缓冲层是和衬底材料晶格常数相等或接近的材料，如GaSb、AlSb等。
[0009]在上述一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器的外延结构中，所述η型限制层、下波导层、上波导层、电子阻挡层、ρ型限制层是可以和衬底匹配的材料，如AlGaAsSb、A1 InGaAsSb 等。
[0010]在上述一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器的外延结构中，所述有源区是 InGaAsSb/AlGaAsSb I 型量子阱、GaAsSb/GaAs II 型量子阱或 InAs/(In)GaSb 破隙型量子阱。
[0011]在上述一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器的外延结构中，所述电子阻挡层是非掺杂的。
[0012]在上述一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器的外延结构中，所述电子阻挡层的组分是变化的，其中A1组分变化范围是从0到1。
[0013]在上述一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器的外延结构中，所述电子阻挡层中A1组分沿着从ρ型波导层到ρ型限制层的方向增加。
[0014]同现有技术相比，本发明通过在ρ型波导层和ρ型限制层之间设置电子阻挡层，抑制量子阱内的Auger复合，阻止减少量子阱中导带电子向ρ型限制层的泄漏，降低激光器阈值电流，提高激光器特征温度。电子阻挡层采用组分渐变可降低异质结界面上的电压降，避免突变波导中界面带来的损耗；同时减少外延层中的晶体缺陷，提高异质结界面质量，保证器件性能。
【附图说明】
[0015]图1是本发明中一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器的外延结构的示意图。
[0016]图2是本发明中一种GaSb基中红外半导体激光器的结构示意图。
[0017]图3是现有技术中GaSb基中红外半导体激光器的载流子浓度分布图。
[0018]图4是本发明中一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器的载流子浓度分布图。
[0019]图5是现有技术中GaSb基中红外半导体激光器的能带图。
[0020]图6是本发明中一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器的能带图。
[0021]图7是本发明中一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器与现有技术中GaSb基中红外半导体激光器的俄歇复合率对比图。
[0022]图8是现有技术中GaSb基中红外半导体激光器在不同温度下的P_I特性曲线图。
[0023]图9是本发明中一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器在不同温度下的p-Ι特性曲线图。
[0024]图10是本发明中一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器与现有技术中GaSb基中红外半导体激光器在300 K的P-Ι特性曲线对比图。
【具体实施方式】
[0025]本发明所述的一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器的外延结构，包括GaSb衬底、缓冲层、η型限制层、下波导层、有源区、上波导层、电子阻挡层和ρ型限制层和盖层。
[0026]上述缓冲层是和衬底材料晶格常数相等或接近的材料，如GaSb、AlSb等；上述η型限制层、下波导层、上波导层、电子阻挡层、ρ型限制层是可以和衬底匹配的材料，如AlGaAsSb、A1 InGaAsSb 等；上述有源区是 InGaAsSb/AlGaAsSb I 型量子讲、GaAsSb/GaAs II型量子阱或InAs/(In)GaSb破隙型量子阱。
[0027]上述电子阻挡层是非掺杂的，电子阻挡层的组分是变化的，其中A1组分沿着从ρ型波导层到P型限制层的方向线性增加，A1组分变化范围是0到1。
[0028]上述GaSb衬底、缓冲层和η型限制层是η型掺杂的，掺杂元素是Te、Si等η型掺杂剂，掺杂浓度是0到102° cm3 ;上述下波导层、有源区和上波导层是非掺杂的；上述电子阻挡层和P型限制层和盖层是P型掺杂的，掺杂元素是Be、Zn等ρ型掺杂剂，掺杂浓度是0到1020 cm3。
[0029]为了本发明的目的、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，对本发明作进一步的详细说明。
[0030]如图2所示，本发明中一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器的外延结构，从上到下依次包括GaSb衬底、GaSb缓冲层、η型AlGaAsSb限制层、AlGaAsSb下波导层、InGaAsSb/AlGaAsSb有源区、AlGaAsSb上波导层、AlGaAsSb电子阻挡层和ρ型AlGaAsSb限制层和GaSb盖层。
[0031]上述GaSb衬底为η型，掺杂元素为Te，掺杂浓度为IX 1019 cm3。缓冲层材料为GaSb,厚度为0.1 μ m,掺杂元素为Te,掺杂浓度为1X1018 cm3。η型限制层材料为AlQ.9GaQ1AsaQSSbQ92，厚度为1.2 μ m，掺杂元素为Te，掺杂浓度为4X1017 cm3。AlGaAsSb下波导层材料为非掺杂Ala3Gaa7Asa(]2Sba9S，厚度为0.5 μ m。有源区是非掺杂Inai9GaQ.slAsQ.Q1Sba99/Ala3Gaa7AsQ.Q2Sba9S 量子讲，势阱厚度为 10 nm，势垒厚度为 20nm，生长3个周期。々16&4#13上波导层材料为非掺杂41。.36&。./8。.。2313。.98，厚度为0.5 μπι。电子阻挡层材料为非掺杂AlxGai xAs0.02Sb0.98,厚度为50 nm, A1组分从0.9到0.3梯度变化。ρ型限制层材料为41。.抑。.#。。8313。.92，厚度为1.2 μ m，掺杂元素为Be，掺杂浓度为5X1018 cm3。盖层材料为GaSb,厚度为0.3 μ m,掺杂元素为Be,掺杂浓度为1 X 1019 cm 3。
[0032]上述本发明的一种具有电子阻挡层的GaSb基中红外半导体激光器的外延结构，使用MBE设备生长，具体包括以下步骤。
[0033]步骤一，衬底的清洁处理。包括:
(1)依次用异丙醇、丙酮、甲醇或乙醇超声清洗三次，去除表面吸附的有机杂质；
(2)用去离子水把衬底清洗干净；
(3)用Br2-CH30H(0.3%: 99.7%)溶液腐蚀Gasb衬底去除衬底表面的损伤层；
(4)用去离子水冲洗约500-100次，在衬底表面形成一层均匀的氧化膜来保护经化学腐蚀后形成的新鲜表面，然后用N2吹干。
[0034]步骤二，把衬底固定在钥块上，放进进样室，抽真空。
[0035]步骤三，将样品送入预处理室，在400-450 °C下进行热处理20分钟，进一步脱去衬底上吸附的水汽。
[0036]步骤四，将样品送入生长室。在Gasb衬底温度升至350 °C时打开Sb源的快门，保护衬底表面，抑制Gasb衬底表面的Sb脱附。衬底表面的