中红外超晶格带间跃迁激光器及其制备方法技术

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，所述有源区包括：输运电子的InAs/AlSb超晶格；以及输运空穴的InGaSb/AlSb超晶格；上波导层，制备于有源区上，为非掺杂的AlGaInAsSb；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；所述激光器能够缓解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。

【技术实现步骤摘要】
中红外超晶格带间跃迁激光器及其制备方法
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。
技术介绍
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，使得器件可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种中红外超晶格带间跃迁激光器，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，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)；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。

【技术特征摘要】
1.一种中红外超晶格带间跃迁激光器，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，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)；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。2.根据权利要求1所述的中红外超晶格带间跃迁激光器，其中，所述输运电子的InAs/AlSb超晶格(410)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，AlSb的厚度为1-2nm。3.根据权利要求1所述的中红外超晶格带间跃迁激光器，其中，所述输运空穴的InGaSb/AlSb超晶格(420)，其中InGaSb和AlSb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。4.根据权利要求1所述的中红外超晶格带间跃迁激光器，其中，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。5.根据权利要求1所述的中红外超晶格带间跃迁...

【专利技术属性】
技术研发人员：张一，牛智川，张宇，徐应强，杨成奥，谢圣文，邵福会，尚金铭，
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