[发明专利]红外半导体激光器有源区、半导体激光器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电子领域，尤其涉及一种红外半导体激光器的有源区、包含该有源区的半导体激光器及其制作方法。

背景技术

辐射波长大于2μm的半导体激光器统称为中远红外半导体激光器，它在高分辨率气体分子光谱仪有日益增长的前景，是用来测量空气中微量成分的有利工具。此外在3～5μm的中红外波段，非氧化物波导，如溴化铊和硫族化合物剥离，其最低损耗可达10^-2～10^-5dB/km，表明有可能开辟极低损耗光通讯的新领域。非常明显，该类激光器必须是窄带系的直接跃迁型半导体。

Ⅲ-Ⅴ族半导体材料体系中虽然许多四元体系材料具有发射波长大于2μm的直接带隙组分，但是仅有AlInAsSb、InGaAsSb和InAsPSb具有与GaSb和InAs衬底晶格匹配的组分。另外，目前传统的与二元晶体晶格匹配的Ⅲ-Ⅴ族半导体材料不能应用到大于4μm的波长范围。Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体具有能够发射波长大于2μm的半导体材料，HgCdTe作为红外探测器材料已被广泛研究与应用，然而，目前只观测到HgCdTe光激励时3.8～4.1μm的受激发射和3～15μm的自发发射，未见研制成功激光二极管的报导。

发明内容

针对上述提到的现有技术的不足，本发明提出了一种红外半导体激光器的有源区，所述有源区包括量子阱结构，所述量子阱结构中势阱层的材料为In_mGa_1-mAs_1-nBi_n，所述量子阱结构中势垒层的材料为In_xGa_1-xAs_1-yBi_y，其中m=0.48～0，n=0.04～0.34；x=0.48～0.54，y=0.04～0。

优选地，所述势垒层上还设置有波导层，所述波导层的材料为In_xGa_1-xAs_1-yP_y，其中x=0.53～1，y=0～1。

优选地，所述量子阱结构为单量子阱结构；所述单量子阱结构中的势垒层为渐变势垒层，势垒层的材料In_xGa_1-xAs_1-yBi_y中x、y的取值按照远离势阱层的方向分别从0.48～0.54、0.04～0连续渐变；所述波导层为渐变波导层，波导层的材料In_xGa_1-xAs_1-yP_y中x、y的取值按照远离势垒层的方向分别从0.53～1、0～1连续渐变。

优选地，所述有源区中势阱层的厚度为4～10nm，势垒层的厚度为8～20nm，波导层的厚度为100～500nm。

优选地，所述量子阱结构为多量子阱结构；所述多量子阱结构的周期数为K,K的范围是2～30。

本发明的另一目的是提供一种红外半导体激光器，该半导体激光器包括如上所述的有源区。

优选地，该半导体激光器包括依次叠层设置的N型InP衬底、N型InP缓冲层、N型InGaAsP限制层、N型InGaAsP波导层、所述有源区、P型InGaAsP波导层、P型InGaAsP限制层以及P型InP欧姆接触层。

如上所述的红外半导体激光器的制作方法，包括步骤：

一、采用MOCVD工艺或MBE工艺依次生长下列各结构层：

a）在N型InP衬底上生长N型InP缓冲层；

b）N型InGaAsP限制层，其中x=0.53～1，y=0～1；

c）N型非掺杂的In_xGa_1-xAs_1-yP_y波导层，其中x=0.53～1，y=0～1；

d）非掺杂的In_xGa_1-xAs_1-yBi_y势垒层，其中x=0.48～0.54，y=0.04～0；

e）非掺杂的In_mGa_1-mAs_1-nBi_n势阱层，其中m=0.48～0，n=0.04～0.34；