一種具有電子阻擋層的GaSb基中紅外激光器的外延結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體激光器外延技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種具有電子阻擋層的GaSb基中紅外半導(dǎo)體激光器的外延結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]GaSb基中紅外半導(dǎo)體激光器在醫(yī)療保健、激光光通訊、激光雷達(dá)及痕量氣體監(jiān)測等領(lǐng)域中有著重要的應(yīng)用，受到人們廣泛關(guān)注。通過調(diào)節(jié)有源區(qū)量子阱材料InGaAsSb中的In組分，可使其發(fā)光波長覆蓋1.3 μπι (GaAsSb)到遠(yuǎn)紅外12 μπι (InAsSb)光譜領(lǐng)域。對于該波段的激光器，有源區(qū)量子阱內(nèi)容易發(fā)生Auger復(fù)合。Auger復(fù)合所造成的高能載流子在限制層內(nèi)的泄露是影響激光器閾值電流及特征溫度的主要因素。同時，與其他半導(dǎo)體材料相比，銻化物電子遷移率較高，在P型限制層泄漏現(xiàn)象更為明顯。另外，電子在P型限制層內(nèi)的泄漏產(chǎn)生的熱量將使激光器的結(jié)溫升高，嚴(yán)重影響器件壽命。因此，如何改善有源區(qū)量子阱內(nèi)Auger復(fù)合所造成的高能電子在限制層內(nèi)泄漏是提高GaSb基中紅外半導(dǎo)體激光器轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性的主要問題。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中，采用增加量子阱阱數(shù)的方法抑制電子在p型限制層泄漏。量子阱阱數(shù)增多可提高阱內(nèi)對電子的束縛能力。但是阱數(shù)過多，不僅會造成外延材料浪費，同時也增加了器件的內(nèi)損耗，使得激光器室溫閾值電流變大，輸出效率降低，器件性能反而下降。
[0004]鑒于此，有必要提供一種具有電子阻擋層的GaSb基中紅外半導(dǎo)體激光器的外延結(jié)構(gòu)克服上述缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的是提供一種具有電子阻擋層的GaSb基中紅外半導(dǎo)體激光器的外延結(jié)構(gòu)。它能夠減少量子阱內(nèi)的Auger復(fù)合，抑制量子阱中導(dǎo)帶電子向p型限制層的溢出，從而有效降低器件的閾值電流，提高特征溫度。
[0006]為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案以如下方式實現(xiàn):
一種具有電子阻擋層的GaSb基中紅外半導(dǎo)體激光器的外延結(jié)構(gòu)，包括GaSb襯底、緩沖層、η型限制層、η型波導(dǎo)層、有源區(qū)、ρ型波導(dǎo)層、電子阻擋層和ρ型限制層，所述電子阻擋層位于Ρ型波導(dǎo)層和Ρ型限制層之間。
[0007]在上述一種具有電子阻擋層的GaSb基中紅外半導(dǎo)體激光器的外延結(jié)構(gòu)中，所述電子阻擋層導(dǎo)帶電勢高于P型限制層導(dǎo)帶電勢。
[0008]在上述一種具有電子阻擋層的GaSb基中紅外半導(dǎo)體激光器的外延結(jié)構(gòu)中，所述緩沖層是和襯底材料晶格常數(shù)相等或接近的材料，如GaSb、AlSb等。
[0009]在上述一種具有電子阻擋層的GaSb基中紅外半導(dǎo)體激光器的外延結(jié)構(gòu)中，所述η型限制層、下波導(dǎo)層、上波導(dǎo)層、電子阻擋層、ρ型限制層是可以和襯底匹配的材料，如AlGaAsSb、A1 InGaAsSb 等。
[0010]在上述一種具有電子阻擋層的GaSb基中紅外半導(dǎo)體激光器的外延結(jié)構(gòu)中，所述有源區(qū)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]在上述一種具有電子阻擋層的GaSb基中紅外半導(dǎo)體激光器的外延結(jié)構(gòu)中，所述電子阻擋層是非摻雜的。
[0012]在上述一種具有電子阻擋層的GaSb基中紅外半導(dǎo)體激光器的外延結(jié)構(gòu)中，所述電子阻擋層的組分是變化的，其中A1組分變化范圍是從0到1。
[0013]在上述一種具有電子阻擋層的GaSb基中紅外半導(dǎo)體激光器的外延結(jié)構(gòu)中，所述電子阻擋層中A1組分沿著從ρ型波導(dǎo)層到ρ型限制層的方向增加。
[0014]同現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過在ρ型波導(dǎo)層和ρ型限制層之間設(shè)置電子阻擋層，抑制量子阱內(nèi)的Auger復(fù)合，阻止減少量子阱中導(dǎo)帶電子向ρ型限制層的泄漏，降低激光器閾值電流，提高激光器特征溫度。電子阻擋層采用組分漸變可降低異質(zhì)結(jié)界面上的電壓降，避免突變波導(dǎo)中界面帶來的損耗；同時減少外延層中的晶體缺陷，提高異質(zhì)結(jié)界面質(zhì)量，保證器件性能。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明中一種具有電子阻擋層的GaSb基中紅外半導(dǎo)體激光器的外延結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0016]圖2是本發(fā)明中一種GaSb基中紅外半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖3是現(xiàn)有技術(shù)中GaSb基中紅外半導(dǎo)體激光器的載流子濃度分布圖。
[0018]圖4是本發(fā)明中一種具有電子阻擋層的GaSb基中紅外半導(dǎo)體激光器的載流子濃度分布圖。
[0019]圖5是現(xiàn)有技術(shù)中GaSb基中紅外半導(dǎo)體激光器的能帶圖。
[0020]圖6是本發(fā)明中一種具有電子阻擋層的GaSb基中紅外半導(dǎo)體激光器的能帶圖。
[0021]圖7是本發(fā)明中一種具有電子阻擋層的GaSb基中紅外半導(dǎo)體激光器與現(xiàn)有技術(shù)中GaSb基中紅外半導(dǎo)體激光器的俄歇復(fù)合率對比圖。
[0022]圖8是現(xiàn)有技術(shù)中GaSb基中紅外半導(dǎo)體激光器在不同溫度下的P_I特性曲線圖。
[0023]圖9是本發(fā)明中一種具有電子阻擋層的GaSb基中紅外半導(dǎo)體激光器在不同溫度下的p-Ι特性曲線圖。
[0024]圖10是本發(fā)明中一種具有電子阻擋層的GaSb基中紅外半導(dǎo)體激光器與現(xiàn)有技術(shù)中GaSb基中紅外半導(dǎo)體激光器在300 K的P-Ι特性曲線對比圖。
【具體實施方式】
[0025]本發(fā)明所述的一種具有電子阻擋層的GaSb基中紅外半導(dǎo)體激光器的外延結(jié)構(gòu)，包括GaSb襯底、緩沖層、η型限制層、下波導(dǎo)層、有源區(qū)、上波導(dǎo)層、電子阻擋層和ρ型限制層和蓋層。
[0026]上述緩沖層是和襯底材料晶格常數(shù)相等或接近的材料，如GaSb、AlSb等；上述η型限制層、下波導(dǎo)層、上波導(dǎo)層、電子阻擋層、ρ型限制層是可以和襯底匹配的材料，如AlGaAsSb、A1 InGaAsSb 等；上述有源區(qū)是 InGaAsSb/AlGaAsSb I 型量子講、GaAsSb/GaAs II型量子阱或InAs/(In)GaSb破隙型量子阱。
[0027]上述電子阻擋層是非摻雜的，電子阻擋層的組分是變化的，其中A1組分沿著從ρ型波導(dǎo)層到P型限制層的方向線性增加，A1組分變化范圍是0到1。
[0028]上述GaSb襯底、緩沖層和η型限制層是η型摻雜的，摻雜元素是Te、Si等η型摻雜劑，摻雜濃度是0到102° cm3 ;上述下波導(dǎo)層、有源區(qū)和上波導(dǎo)層是非摻雜的；上述電子阻擋層和P型限制層和蓋層是P型摻雜的，摻雜元素是Be、Zn等ρ型摻雜劑，摻雜濃度是0到1020 cm3。
[0029]為了本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0030]如圖2所示，本發(fā)明中一種具有電子阻擋層的GaSb基中紅外半導(dǎo)體激光器的外延結(jié)構(gòu)，從上到下依次包括GaSb襯底、GaSb緩沖層、η型AlGaAsSb限制層、AlGaAsSb下波導(dǎo)層、InGaAsSb/AlGaAsSb有源區(qū)、AlGaAsSb上波導(dǎo)層、AlGaAsSb電子阻擋層和ρ型AlGaAsSb限制層和GaSb蓋層。
[0031]上述GaSb襯底為η型，摻雜元素為Te，摻雜濃度為IX 1019 cm3。緩沖層材料為GaSb,厚度為0.1 μ m,摻雜元素為Te,摻雜濃度為1X1018 cm3。η型限制層材料為AlQ.9GaQ1AsaQSSbQ92，厚度為1.2 μ m，摻雜元素為Te，摻雜濃度為4X1017 cm3。AlGaAsSb下波導(dǎo)層材料為非摻雜Ala3Gaa7Asa(]2Sba9S，厚度為0.5 μ m。有源區(qū)是非摻雜Inai9GaQ.slAsQ.Q1Sba99/Ala3Gaa7AsQ.Q2Sba9S 量子講，勢阱厚度為 10 nm，勢壘厚度為 20nm，生長3個周期?！?6&4#13上波導(dǎo)層材料為非摻雜41。.36&。./8。.。2313。.98，厚度為0.5 μπι。電子阻擋層材料為非摻雜AlxGai xAs0.02Sb0.98,厚度為50 nm, A1組分從0.9到0.3梯度變化。ρ型限制層材料為41。.抑。.#。。8313。.92，厚度為1.2 μ m，摻雜元素為Be，摻雜濃度為5X1018 cm3。蓋層材料為GaSb,厚度為0.3 μ m,摻雜元素為Be,摻雜濃度為1 X 1019 cm 3。
[0032]上述本發(fā)明的一種具有電子阻擋層的GaSb基中紅外半導(dǎo)體激光器的外延結(jié)構(gòu)，使用MBE設(shè)備生長，具體包括以下步驟。
[0033]步驟一，襯底的清潔處理。包括:
(1)依次用異丙醇、丙酮、甲醇或乙醇超聲清洗三次，去除表面吸附的有機(jī)雜質(zhì)；
(2)用去離子水把襯底清洗干凈；
(3)用Br2-CH30H(0.3%: 99.7%)溶液腐蝕Gasb襯底去除襯底表面的損傷層；
(4)用去離子水沖洗約500-100次，在襯底表面形成一層均勻的氧化膜來保護(hù)經(jīng)化學(xué)腐蝕后形成的新鮮表面，然后用N2吹干。
[0034]步驟二，把襯底固定在鑰塊上，放進(jìn)進(jìn)樣室，抽真空。
[0035]步驟三，將樣品送入預(yù)處理室，在400-450 °C下進(jìn)行熱處理20分鐘，進(jìn)一步脫去襯底上吸附的水汽。
[0036]步驟四，將樣品送入生長室。在Gasb襯底溫度升至350 °C時打開Sb源的快門，保護(hù)襯底表面，抑制Gasb襯底表面的Sb脫附。襯底表面的