[发明专利]太赫兹量子级联半导体激光器材料及其生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别是一种利用固态源分子束外延(SSMBE)技术生长砷化镓(GaAs)基镓砷/铝镓砷(GaAs/AlGaAs)太赫兹量子级联半导体激光器材料及其生长方法。

背景技术

太赫兹(THz)频段，是指频率从十分之几到十几个太赫兹，介于毫米波与红外光之间相当宽范围的电磁辐射区域。太赫兹技术在信息科学、生物学、医学、天文学、环境科学等领域有重要的应用价值。但是，在微波、可见光、红外等技术被广泛应用的情况下，太赫兹技术的发展却相对滞后，其原因主要在于缺少此频率的探测器和发射源。目前，量子级联激光器是唯一可以实现在这一频段激射的半导体激光器。

量子级联激光器在太赫兹频段有着独特的优点，这是由其工作原理决定的：在外加电场下，电子量子隧穿通过由一组超晶格构成的注入区，到达一组由耦合量子阱构成的有源区，在导带的子带间跃迁而发出光子，跃迁后的电子再成为下一级相同结构的注入电子，重复上一级的过程。这种与传统半导体激光器截然不同的工作原理使得量子级联半导体激光器与普通的半导体注入激光器相比，其波长与所用材料的带隙无直接关系而是由导带中的分立子能级的相对位置确定，而这一相对位置可以通过调整有源区量子阱的厚度得以实现，理论上量子级联激光器的波长不仅可以覆盖两个大气窗口，并可以向远红外方向拓展。这就为量子级联激光器实现太赫兹频率光激射提供了可能。

砷化镓基太赫兹量子级联半导体激光器材料结构是基于分子束外延技术，在砷化镓衬底上生长的镓砷/铝镓砷异质结材料体系。由于材料的本身结构，生长此种材料存在着许多困难。首先，材料有源区的铝镓砷中铝的组分低至15％，必须选择合适的铝、镓束流比来保证这一组分比。而且，砷化镓基太赫兹量子级联半导体激光器材料结构的有源区达1400多层，为了保证激射并且波长位于太赫兹范围，在这么多层的有源区结构的生长过程中要求各源炉的束流精准，同时还须选择合适的生长速率来保证每一层材料有良好的质量。另外，材料的整个外延层达到10μm以上，这样的厚度决定了生长材料的周期长，为了避免过长生长时间所造成的源炉束流的偏移，所选择的生长速率除了保证材料质量外，还要尽量缩短材料制备的时间。最重要的是，由于有源区中n型掺杂浓度极低，达到1.9×10¹⁶/cm³，必须精确控制掺杂浓度的大小及掺杂区域，否则将对光谱特性产生极大影响。这样，选择合适的源炉束流从而控制好材料组分和生长速度，以及低掺杂浓度的控制是好的太赫兹量子级联半导体激光器材料生长的关键。

我们通过逐步改进镓砷/铝镓砷异质结构材料的生长工艺，结合砷化镓基微结构材料的生长技术，成功地在砷化镓衬底上制备出优质的太赫兹量子级联半导体激光器材料。

发明内容

本发明的目的是，提出一种砷化镓基太赫兹量子级联半导体激光器材料及其生长方法，该方法具有工艺过程简化、材料质量好的特点。

本发明一种太赫兹量子级联半导体激光器材料的生长方法，其特征在于，包括如下生长步骤：

步骤1：取一半绝缘砷化镓衬底；

步骤2：利用分子束外延技术在半绝缘砷化镓衬底上生长N型砷化镓下欧姆接触层，用来制作下欧姆电极；

步骤3：在下欧姆接触层上生长有源区，作为发光区；

步骤4：在有源区上生长N型砷化镓上欧姆接触层，用来制作下欧姆电极，完成太赫兹量子级联半导体激光器材料的生长。

其中有源区为120-180个周期的多层砷化镓/铝镓砷交替结构。

其中下欧姆接触层的材料是重掺砷化镓、有源区的材料是交替的砷化镓和铝镓砷、上欧姆接触层的材料是重掺砷化镓。

其中在下欧姆接触层上生长有源区之前，确定生长与设计组分相符的铝镓砷时对应的铝、镓束流值的方法，是固定镓的束流值改变铝的束流值，并利用X射线双晶衍射结果及计算公式算出外延材料的实际组分，参照结果对铝的束流值进行调整，从而实现对铝、镓组分的调节；