一种GaAs基带栅电极的宽光谱晶闸管激光器制造技术

本发明专利技术公开了一种GaAs基带栅电极的宽光谱晶闸管激光器，涉及半导体光电子器件技术领域。本发明专利技术结合了传统激光器的PiN结构和传统晶闸管的PNPN结构，提出了以GaAs基的新型PNPiN结构晶闸管激光器，包括：量子阱有源区层、p型栅电极、GaAs隧道结等，通过在GaAs隧道结中引入超薄的重掺杂n型层与重掺杂p型层，结合量子阱有源区层结构，在保证器件稳定性获得高功率的同时实现了宽光谱的激射；同时，引入p型栅电极，更进一步增强了器件的可控性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体光电子器件
，尤其涉及一种GaAs基宽光谱晶闸管激光器。
技术介绍
随着超宽光谱技术的迅速发展，宽谱光源越来越受到人们的关注，在国内外都有着广泛研究与应用。因为宽谱光源具有宽光谱，高强度，高空间相干度等优点而被应用于频率时钟、相位稳定与控制、光学相干成像、超短脉冲压缩、光通信、宽谱激光雷达、大气科学、光控制、阿秒脉冲产生、相干控制以及光学计量等领域，应用范围非常广泛。不过，传统宽谱光源以大功率固体锁模激光器为代表，虽然具有宽光谱，大功率，短脉冲等优良特性，但因其体积庞大，且需要复杂的制冷和供电保障系统，极大地限制了其应用范围；同时因其受制于材料波长，固体锁模激光器一般无法直接覆盖红外的长波长通信波段，所以，发展基于半导体技术的高功率宽谱光源十分重要。基于半导体技术的宽谱光源具有光谱宽、成本低、体积小的特点，可代替复杂的多波长激光器系统以及放大自发辐射(AmplifiedSpontaneousEmission，ASE)、氙灯等常用的宽谱光源。现有的基于半导体技术的宽谱光源主要有基于超辐射技术的发光二极管(SuperluminescentDiode，SLD)，量子点(Quantumdot)/量子棒(Quantumdash)激光器，啁啾量子阱超辐射发光二极管(ChirpQuantumWellSLD)等。不过，受制于材料特性与器件结构，现有技术普遍存在以下几点不足：一是功率太小，特别是单位谱密度功率太小，面对多种应用场合，都有较大的制约；二是器件稳定性较差，可控性低，对其实际应用产生了很大影响。综上所述，发展高功率、稳定性好的半导体宽谱光源具有十分重要的实用价值。晶闸管是一种在晶体管基础上发展起来的一种大功率半导体器件，它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域，晶闸管具有单向导电性，导通时间可控，主要用于电力电子领域中的整流、逆变、调压及开关等方面。半导体激光器具有体积小，效率高，功率大的特点，但如果不外加控制，一般只能实现直流连续激射。将晶闸管与半导体激光器结合在一起构成的晶闸管激光器，通过栅电极的控制，实现高功率，短脉冲，高重频的脉冲激光输出，具有十分重要的实用价值。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题基于半导体技术的宽谱激光器虽然解决了传统宽谱激光器的体积过大，适用范围较窄等问题，但仍然受制于以下问题：1)器件功率过小，特别是单位谱密度功率太小，面对多种应用场合，都有较大的制约；2)器件稳定性较差，可控性低，对其实际应用产生了很大影响。因此，通过本专利技术提出的GaAs基宽光谱晶闸管激光器以实现高功率的可控脉冲宽光谱激光输出具有非常重要的实际意义。(二)技术方案为解决上述问题，本专利技术提出了一种宽光谱晶闸管激光器，激光器具备PNPN晶闸管结构，自上而下依次包括：上P型区、上N型区、下P型区、下N型区，其中还有一个i型区位于下P型区和下N型区之间，从而整体上构成PNPiN结构。其中，i型区具备量子阱有源区层，用于载流子受激辐射产生激光；下P型区包括：p型栅电极，用于宽光谱晶闸管激光器实现脉冲电流触发导通，降低了器件的转折电压，增强了器件的可控性和稳定性。上N型区和下P型区之间通过GaAs隧道结层过渡，用于提供能级拉伸作用使得有源区的量子阱发生倾斜，导致量子阱中的能级发生分裂，进而激发出宽光谱产生的激光，同时通过应用GaAs隧道结过渡，可以降低器件的转折电压，利于器件快速启动。GaAs隧道结自上而下依次包括：重掺杂n型层和重掺杂p型层，用于降低隧道结的反向击穿电压以便器件快速开启，重掺杂n型层属于上N型区，重掺杂p型层属于所述的下P型区，用于满足隧道结隧穿特性所必需的“厚度薄，重掺杂”的要求，使隧道结的反向击穿电压显著降低，有利于器件快速开启。重掺杂n型层和重掺杂p型层组成材料分别为n-GaAs材料和p-GaAs材料，所述的重掺杂n型层厚度为10nm～15nm，所述的重掺杂p型层厚度为8nm～15nm。量子阱有源区层包括至少1个量子阱结构，用于实现宽光谱光波的激射。量子阱结构包括：量子阱层和势垒层，当所述量子阱层的组成材料为InGaAs材料时，所述的势垒层组成材料为GaAs材料，当所述的量子阱层的组成材料为GaAs材料时，所述的势垒层组成材料为AlGaAs材料。量子阱层的组成材料为InGaAs材料且其个数为n时，所述的势垒层位于相邻的所述量子阱层之间，即所述势垒层的个数为n-1个；当所述的量子阱层的组成材料为GaAs材料且其个数为n时，所述的量子阱层位于相邻的所述势垒层之间，即所述势垒层的个数为n+1。p型栅电极的组成材料为GaAs材料，其厚度为150nm～200nm。上P型区自上而下依次还包括：p型顶电极层、p-GaAs接触层、p-AlGaAs盖层；上N型区还包括：n-AlGaAs渐变过渡层；下P型区自上而下依次还包括：i-GaAs间隔层、p型栅电极接触层；i型区自上而下依次还包括：i-AlGaAs上限制层、i-GaAs上波导层、i-GaAs下波导层、i-AlGaAs下限制层；下N型区自上而下依次还包括：n-AlGaAs盖层、n-GaAs缓冲层、n型GaAs衬底、n型背电极。i-GaAs间隔层与所述的GaAs隧道结的重掺杂p型层相接触，n-AlGaAs渐变过渡层与所述的GaAs隧道结的重掺杂n型层相接触；i型间隔层用于将GaAs隧道结的重掺杂p型区与p型栅电极接触层隔开，保证隧道结的重掺杂p型区的界面清晰，厚度准确；n-AlGaAs渐变过渡层对隧道结起到能带衔接与电学特性转变的作用，将能带较宽，电性为p型的p-AlGaAs盖层材料平稳过渡到能带较窄，电性为n型的GaAs隧道结重掺杂n型层。i-GaAs间隔层由GaAs材料构成，厚度为30nm～50nm；n-AlGaAs渐变过渡层由AlGaAs材料构成，其中Al组分为0.2～0.5之间的线性变化值，厚度设置在30nm～50nm之间。i-GaAs下波导层与所述的量子阱有源区层下表面接触，i-GaAs上波导层与量子阱有源区层上表面接触，其中i-GaAs上波导层与i-GaAs下波导层共同组成大光腔非对称波导结构，用于保证从量子阱有源区层辐射出的激光在垂直方向基横模激射，同时把激光的光场向衬底方向下拉，减小光场与p型栅电极接触层的交叠，降低内部损耗，提高输出功率。并且，大光腔的结构降低了激光出射端面处的高光功率密度引起的端面灾变性烧毁，提升了宽光谱晶闸管激光器工作的可靠性。i-GaAs下波导层组成材料为GaAs材料，厚度为500nm～800nm；i-GaAs上波导层组成材料为GaAs材料，厚度为200nm～500nm。绝缘层具有刻蚀窗口，p型栅电极通过刻蚀窗口与所述的p型栅电极接触层上表面相接触。(三)有益效果本专利技术提出了一种结合传统激光器的PiN结构和传统晶闸管的PNPN结构的GaAs基新型PNPiN结构晶闸管激光器，保证了激光器结构的稳定性和可靠性；同时，通过在GaAs隧道结中引入超薄的重掺杂n型层与重掺杂p型层，结合量子阱有源区层结构，实现了高功率宽光谱的可控脉冲激光输出；另外，引入可控制器件开启/关断的p型栅电极，更进一步地增强了器件的可控性和稳定性。附图说明图1是根据本专利技术提出的PNPiN结构宽光谱晶闸管激光器具体实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种宽光谱晶闸管激光器，所述的激光器具备PNPN晶闸管结构，自上而下依次包括：上P型区、上N型区、下P型区、下N型区，其特征在于，还包括一个i型区，其位于所述的下P型区和下N型区之间，整体上构成PNPiN结构，所述的i型区具备量子阱有源区层，用于产生激光；所述的下P型区包括p型栅电极，用于实现器件的可控性和稳定性；所述的上N型区和下P型区之间通过GaAs隧道结层过渡，用于激发出宽光谱的激光。

【技术特征摘要】
1.一种宽光谱晶闸管激光器，所述的激光器具备PNPN晶闸管结构，自上而下依次包括：上P型区、上N型区、下P型区、下N型区，其特征在于，还包括一个i型区，其位于所述的下P型区和下N型区之间，整体上构成PNPiN结构，所述的i型区具备量子阱有源区层，用于产生激光；所述的下P型区包括p型栅电极，用于实现器件的可控性和稳定性；所述的上N型区和下P型区之间通过GaAs隧道结层过渡，用于激发出宽光谱的激光。2.根据权利要求1所述的宽光谱晶闸管激光器，其特征在于，所述的GaAs隧道结自上而下依次包括：重掺杂n型层和重掺杂p型层，用于降低隧道结的反向击穿电压以便器件快速开启；所述的重掺杂n型层属于所述的上N型区，所述的重掺杂p型层属于所述的下P型区。3.根据权利要求2所述的宽光谱晶闸管激光器，其特征在于，所述的重掺杂n型层和重掺杂p型层组成材料分别为n-GaAs材料和p-GaAs材料，所述的重掺杂n型层厚度为10nm～15nm，所述的重掺杂p型层厚度为8nm～15nm。4.根据权利要求1所述的宽光谱晶闸管激光器，其特征在于，所述的量子阱有源区层包括至少1个量子阱结构，用于实现宽光谱光波的激射。5.根据权利要求4所述的宽光谱晶闸管激光器，其特征在于，所述的量子阱结构包括：量子阱层和势垒层，当所述量子阱层的组成材料为InGaAs材料时，所述的势垒层组成材料为GaAs材料，当所述的量子阱层的组成材料为GaAs材料时，所述的势垒层组成材料为AlGaAs材料。6.根据权利要求5所述的宽光谱晶闸管激光器，其特征在于，当所述量子阱层的组成材料为InGaAs材料且其个数为n时，所述的势垒层位于相邻的所述量子阱层之间，即所述势垒层的个数为n-1个；当所述的量子阱层的组成材料为GaAs材料且其个数为n时，所述的量子阱层位于相邻的所述势垒层之间，即所述势垒层的个数为n+1。7.根据权利要求1所述的宽光谱晶闸管激光器，其特征在于，所述的p型栅电极的组成材料为GaAs材料，其厚度为150nm～200nm。8.根据权利要求1所述的宽光谱晶闸管激光器，其特征在于，所述的上P型区自上而下依次还包括：p型顶电极层、、p-GaAs接触层、p-AlGaAs盖层...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘震，王嘉琪，于红艳，周旭亮，李召松，王圩，潘教青，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11