带间级联激光器外延结构、激光器、芯片及制备方法技术

本公开提供了一种带间级联激光器外延结构，所述带间级联激光器外延结构包括在衬底上依次生长的缓冲层、下超晶格包层、下分别限制层、有源层、上分别限制层、上超晶格包层和盖层，所述盖层采用厚度大于10nm，且与所述衬底材料晶格匹配的单一成分的材料。本公开还提供了一种带间级联激光器及其制备方法、带间级联激光器芯片及其制备方法。激光器芯片及其制备方法。激光器芯片及其制备方法。

【技术实现步骤摘要】
带间级联激光器外延结构、激光器、芯片及制备方法


[0001]本公开涉及半导体
，更具体地，涉及一种带间级联激光器外延结构、带间级联激光器及其制备方法和带间级联激光器芯片及其制备方法。

技术介绍

[0002]带间级联激光器(Interband Cascade Laser，ICL)是3
‑
4微米波段中红外半导体激光器，现有带间级联激光器采用的外延结构以GaSb为衬底，并采用InAs盖层，利用InAs盖层中易实现重掺杂的特性，保证顶部电极的欧姆特性。
[0003]但是，由于InAs盖层与GaSb衬底之间存在晶格失配，导致InAs盖层的临界厚度为10nm，这个厚度远小于表面光栅所需的厚度，因此带间级联激光器的表面光栅只能刻蚀在InAs/AlSb超晶格上包层中，具有工艺可控性低且成本高的问题。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本公开的实施例提供了一种带间级联激光器外延结构、带间级联激光器及其制备方法和带间级联激光器芯片及其制备方法。
[0005]根据本公开的第一方面，提供了一种带间级联激光器外延结构，包括在衬底上依次生长的缓冲层、下超晶格包层、下分别限制层、有源层、上分别限制层、上超晶格包层和盖层，所述盖层采用厚度大于10nm，且与所述衬底材料晶格匹配的单一成分的材料。
[0006]根据本公开的实施例，所述衬底采用GaSb材料，所述盖层采用的与所述衬底材料晶格匹配的单一成分的材料为GaSb材料。
[0007]根据本公开的实施例，所述盖层的厚度为100～500nm。
[0008]根据本公开的实施例，所述盖层的掺杂类型为n型掺杂，掺杂浓度为2
×
10
17
～2
×
10
18
cm
‑3。
[0009]根据本公开的实施例，所述缓冲层采用与所述衬底材料晶格匹配的单一成分的GaSb材料，所述缓冲层的厚度为100～500nm。
[0010]根据本公开的实施例，所述缓冲层的掺杂类型为n型掺杂，掺杂浓度为2
×
10
17
～2
×
10
18
cm
‑3。
[0011]根据本公开的实施例，所述下超晶格包层的折射率和所述上超晶格包层的折射率小于所述有源层的折射率。
[0012]根据本公开的实施例，所述下超晶格包层的厚度为500～2000nm；所述上超晶格包层的厚度为500～2000nm。
[0013]根据本公开的实施例，所述下分别限制层的折射率和所述上分别限制层的折射率大于所述有源层的折射率。
[0014]根据本公开的实施例，所述下分别限制层的厚度为100～800nm；所述上分别限制层的厚度为100～800nm。
[0015]根据本公开的实施例，所述下分别限制层为n型掺杂，掺杂浓度为2
×
10
16
～2
×
10
17
cm
‑3；所述上分别限制层为n型掺杂，掺杂浓度为2
×
10
16
～2
×
10
17
cm
‑3。
[0016]根据本公开的第二方面，提供了一种带间级联激光器，基于上述任一项所述的带间级联激光器外延结构制备而成，所述带间级联激光器包括：在衬底上依次生长的缓冲层、下超晶格包层、下分别限制层、有源层、上分别限制层、上超晶格包层和第一光栅层，其中，所述第一光栅层是通过对所述带间级联激光器外延结构中的盖层刻蚀形成的，所述第一光栅层采用与所述衬底材料晶格匹配的单一成分的材料。
[0017]根据本公开的实施例，所述衬底采用GaSb材料，所述第一光栅层采用的与所述衬底材料晶格匹配的单一成分的材料为GaSb材料。
[0018]根据本公开的实施例，所述第一光栅层的周期为900～1300nm，深度为50～500nm。
[0019]根据本公开的第三方面，提供了一种带间级联激光器的制备方法，包括：在衬底上依次外延生长缓冲层、下包层、下分别限制层、有源层、上分别限制层、上包层和盖层，其中，所述盖层采用厚度大于10nm，且与所述衬底材料晶格匹配的单一成分的材料；和对盖层进行腐蚀形成第一光栅层。
[0020]根据本公开的实施例，所述在衬底上依次外延生长缓冲层、下包层、下分别限制层、有源层、上分别限制层、上包层和盖层的步骤中，所述外延生长缓冲层和盖层的温度范围为400～500℃，其余层外延生长的温度范围为350～400℃。
[0021]根据本公开的实施例，所述对盖层进行腐蚀形成第一光栅层的步骤中，采用湿法腐蚀或干法腐蚀。
[0022]根据本公开的第四方面，提供了一种带间级联激光器芯片，包括：上述任一项所述的带间级联激光器，其中，所述带间级联激光器的有源层、上分别限制层、上超晶格包层和第一光栅层形成脊型波导结构；底部电极，形成于所述带间级联激光器的衬底远离缓冲层的背面；介质绝缘层，形成于所述脊型波导结构的顶部和两侧侧壁，其中，所述脊型波导结构顶部的介质绝缘层的表面具有刻蚀形成的窗口；以及第二光栅层，形成于所述介质绝缘层表面的窗口中，与所述带间级联激光器的第一光栅层接触，所述第一光栅层和第二光栅层形成表面分布反馈光栅层。
[0023]根据本公开的实施例，所述第一光栅层的周期为900～1300nm，深度为50～500nm。
[0024]根据本公开的实施例，所述带间级联激光器的衬底采用GaSb材料，所述第一光栅层采用与所述衬底材料晶格匹配的GaSb材料。
[0025]根据本公开的实施例，所述衬底厚度为50～250μm。
[0026]根据本公开的实施例，所述底部电极采用的材料为GePtAu材料。
[0027]根据本公开的实施例，所述介质绝缘层的厚度为50～500nm。
[0028]根据本公开的实施例，所述第二光栅层采用的材料为Au材料，厚度为50～1000nm。
[0029]根据本公开的实施例，所述脊型波导结构的宽度为3～10μm。
[0030]根据本公开的第五方面，提供了一种带间级联激光器芯片的制备方法，包括：在衬底上依次外延生长缓冲层、下包层、下分别限制层、有源层、上分别限制层、上包层和盖层，其中，所述盖层采用厚度大于10nm，且与所述衬底材料晶格匹配的单一成分的材料；对盖层进行腐蚀形成第一光栅层；刻蚀有源层、上分别限制层、上超晶格包层和第一光栅层，形成脊型波导结构；在所述脊型波导结构表面沉积介质绝缘层；刻蚀脊型波导结构顶部的介质绝缘层的表面，形成窗口，且在窗口中暴露出第一光栅层；以及在所述窗口中沉积第二光栅
层。
[0031]根据本公开的实施例，所述在衬底上依次外延生长缓冲层、下包层、下分别限制层、有源层、上分别限制层、上包层和盖层的步骤中，所述外延生长缓冲层和盖层的温度范围为400～500℃，其余层外延生长的温度范围为35本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种带间级联激光器外延结构，包括在衬底上依次生长的缓冲层、下超晶格包层、下分别限制层、有源层、上分别限制层、上超晶格包层和盖层，其特征在于：所述盖层采用厚度大于10nm，且与所述衬底材料晶格匹配的单一成分的材料。2.根据权利要求1所述的带间级联激光器外延结构，其特征在于，所述衬底采用GaSb材料，所述盖层采用的与所述衬底材料晶格匹配的单一成分的材料为GaSb材料。3.根据权利要求1或2所述的带间级联激光器外延结构，其特征在于，所述盖层的厚度为100～500nm。4.根据权利要求3所述的带间级联激光器外延结构，其特征在于，所述盖层的掺杂类型为n型掺杂，掺杂浓度为2
×
10
17
～2
×
10
18
cm
‑3。5.根据权利要求2所述的带间级联激光器外延结构，其特征在于，所述缓冲层采用与所述衬底材料晶格匹配的单一成分的GaSb材料，所述缓冲层的厚度为100～500nm。6.根据权利要求5所述的带间级联激光器外延结构，其特征在于，所述缓冲层的掺杂类型为n型掺杂，掺杂浓度为2
×
10
17
～2
×
10
18
cm
‑3。7.根据权利要求1所述的带间级联激光器外延结构，其特征在于，所述下超晶格包层的折射率和所述上超晶格包层的折射率小于所述有源层的折射率。8.根据权利要求7所述的带间级联激光器外延结构，其特征在于，所述下超晶格包层的厚度为500～2000nm；所述上超晶格包层的厚度为500～2000nm。9.根据权利要求1所述的带间级联激光器外延结构，其特征在于，所述下分别限制层的折射率和所述上分别限制层的折射率大于所述有源层的折射率。10.根据权利要求9所述的带间级联激光器外延结构，其特征在于，所述下分别限制层的厚度为100～800nm；所述上分别限制层的厚度为100～800nm。11.根据权利要求9所述的带间级联激光器外延结构，其特征在于，所述下分别限制层为n型掺杂，掺杂浓度为2
×
10
16
～2
×
10
17
cm
‑3；所述上分别限制层为n型掺杂，掺杂浓度为2
×
10
16
～2
×
10
17
cm
‑3。12.一种带间级联激光器，基于权利要求1
‑
11任一项所述的带间级联激光器外延结构制备而成，其特征在于，所述带间级联激光器包括：在衬底上依次生长的缓冲层、下超晶格包层、下分别限制层、有源层、上分别限制层、上超晶格包层和第一光栅层，其中，所述第一光栅层是通过对所述带间级联激光器外延结构中的盖层刻蚀形成的，所述第一光栅层采用与所述衬底材料晶格匹配的单一成分的材料。13.根据权利要求12所述的带间级联激光器，其特征在于，所述衬底采用GaSb材料，所述第一光栅层采用的与所述衬底材料晶格匹配的单一成分的材料为GaSb材料。14.根据权利要求12所述的带间级联激光器，其特征在于，所述第一光栅层的周期为900～1300nm，深度为50～500nm。15.一种带...

【专利技术属性】
技术研发人员：宁超，孙瑞轩，刘舒曼，张锦川，王利军，刘俊岐，卓宁，翟慎强，刘峰奇，
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：