[发明专利]渐变掺杂宽波导带间级联激光器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种渐变掺杂宽波导带间级联激光器及其制备方法，其中，渐变掺杂宽波导带间级联激光器，包括：衬底；以及自下而上依次外延的下波导包层、下分别限制层、级联区、上分别限制层、上波导包层、以及上接触层；其中，下分别限制层和上分别限制层的厚度为百纳米到微米量级，并且下分别限制层和上分别限制层都是渐变掺杂，使得下分别限制层和上分别限制层的两端掺杂浓度相对较高，中心区域掺杂浓度相对较低。该渐变掺杂宽波导带间级联激光器有效提高了光学限制因子，增加光学增益；有效的降低异质结面的电压降，提高光电效率，减小自由载流子吸收，减小器件的损耗；并能降低工作电压，提高工作效率。

技术领域

本公开属于中红外半导体激光器领域，涉及一种渐变掺杂宽波导带间级联激光器及其制备方法。

背景技术

在红外线波段中，2μm～5μm波段是非常重要的大气窗口，很多的原子以及分子气体的吸收峰都在这个波段以内，包括水分子、甲烷、氯化氢等气体，诸如水分子的吸收峰位为2.7μm，甲烷的吸收峰位为3.41μm，氯化氢气体的吸收峰位为3.54μm，特别是一些有毒有害气体，诸如CO、CH₄、NO₂等，在该波段的吸收峰位较强，因此该波段适合用于环境监测。

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，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、以及高度保密性等优势。中红外半导体激光器由于可以有效的调整激射波长，可以覆盖大气窗口，可作为通信的光源，减小恶劣条件造成的影响，并且这种光通信不需要进行光纤的铺设即可进行长距离通讯。

带间级联激光器作为一种新型的可以实现中红外波段的有效手段，也取得了一定的发展，尤其是在3μm～4μm波段内的作用越来越凸显，一方面，带间级联激光器克服了一类量子阱、一类量子阱级联激光器在长波长波段容易受到俄歇非辐射复合限制的缺点，同时，它也继承了量子级联激光器通过串联各个有源区来提高电子利用效率的优点，并且由于带间级联激光器是双极型器件，其不需要借助快速声子散射，所以带间级联激光器具有较低的阈值电流密度和阈值电压，这使得其在中红外波段有着较大的优势。然而，由于现有的带间级联激光器的级联区是由多层、多种材料构成的，其平均折射率较低，导致在激光器中心处的光学限制不足，光学限制因子较低，不利于激光器性能的提升。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种渐变掺杂宽波导带间级联激光器及其制备方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种渐变掺杂宽波导带间级联激光器，包括：衬底；以及自下而上依次外延的下波导包层、下分别限制层、级联区、上分别限制层、上波导包层、以及上接触层；其中，下分别限制层和上分别限制层的厚度为百纳米到微米量级，并且下分别限制层和上分别限制层都是渐变掺杂，使得下分别限制层和上分别限制层的两端掺杂浓度相对较高，中心区域掺杂浓度相对较低。

在本公开的一些实施例中，衬底的材料为n型的GaSb，掺杂浓度介于1e¹⁷～1e¹⁸cm^-3之间，厚度介于500μm～550μm之间。

在本公开的一些实施例中，下波导包层为n型掺杂的InAs/AlSb超晶格，该InAs/AlSb超晶格的周期为400-700个，掺杂浓度介于1e¹⁶～1e¹⁸cm^-3之间；和/或上波导包层为n型掺杂的InAs/AlSb超晶格，该InAs/AlSb超晶格的周期为200～300个，掺杂浓度介于1e¹⁶～1e¹⁸cm^-3之间。