制备长波长大应变铟镓砷/铟镓砷磷量子阱激光器的方法

技术领域

本发明涉及一种用金属有机物化学气相沉积法选择外延生长长波长(1.6-2.0微米)大应变铟镓砷/铟镓砷磷(InGaAs/InGaAsP)量子阱激光器。

背景技术

随着人们环保意识的增强，对环保事业的投入不断增加。由于受汽车尾气等污染源的影响，城市大气中的氮氧化物、一氧化碳(CO)含量较高，监测这些污染物的含量对治理大气污染是重要的一个环节。矿山开采中的瓦斯(甲烷)爆炸威胁工人的生命安全，能够时时监测甲烷浓度的仪器对矿山开采的重要性是不言而喻的。

传统的根据气体分子质量分析气体含量的方法，由于其分析精度和造价等原因，而不能适用于日趋广泛的高精度，时时监控等应用。气体分子光吸收谱就像人类的指纹，利用气体分子的吸收光谱是气体种类识别和气体分子浓度测定的有效手段。光谱气体传感是利用了波长范围在1-20μm的不同气体的分子振动/转动吸收特征谱。激光光源一般采用固定频率的气体激光器或可调谐铅盐激光器。有关可调谐铅盐激光器用于微量气体传感的研究开展的较早，可获得良好的气体选择性和很高的检测灵敏度。然而这种激光器价格昂贵，发射谱线多模，输出功率相对较低，结构笨重，而且需要工作于低温环境。这些因素严重制约了其在气体传感中的广泛应用。

甲烷，氯化氢，溴化氢，一氧化碳，二氧化碳，氮氧化物(CH₄，HCl，HBr，CO，CO₂，NOx)在1.6-2.0微米波段内有较强的吸收峰，因此这些气体的激光传感器需要1.6-2.0微米波段的单模激光器。这要求在有源层内需引入较大应力，并需要加大量子阱的宽度，这容易导致晶格发生弛豫，晶体质量下降。而且大应变的InGaAs阱材料由于In含量高，需要低温生长，但是垒材料和限制层材料InGaAsP需要在较高的温度下生长。而故需要优化金属有机化学气相淀积生长法的生长条件。

InGaAs有源层需要在较低的温度下生长，以防止铟原子迁移形成富铟的“小岛”。但是较低的生长温度却导致较差的晶体质量，激光器性能很差。

采用选择外延方法(SAG)生长长波长大应变InGaAs/InGaAsP量子阱激光器可以解决以上问题。使用三甲基镓(TMGa)，三甲基铟(TMIn)，和砷烷(AsH₃)生长InGaAs，Ga和In在H₂载气中的扩散系数决定于粒子本身的质量、以及粒子与载气粒子之间碰撞截面的大小，Ga和In在H₂载气中的扩散系数基本相同。但是Ga和In在衬底表面单位裂解物浓度的吸附速率K却有很大的差异，K_Ga/K_In≈0.14，粒子吸附速率的差异导致在选择生长区内将富In，因为从掩模上通过横向扩散到选择生长区的In源更易被衬底吸附而反映成核。因此用选择外延方法(SAG)生长InGaAs有源区时，通过优化生长温度，生长压力，V/III，掩模宽度等条件提高选择生长区内In组分的含量，这样避免了降低生长温度提高InGaAs有源区内In组分的含量。即其他生长条件都不改变，就可以增加激光器的波长。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种制备长波长大应变铟镓砷/铟镓砷磷量子阱激光器的方法，可以提高选择区内In组分的含量；在其他生长条件都不改变的情况下，可以增加激光器的波长。通过优化生长温度，生长压力，V/III，掩模宽度等条件提高选择生长区内In组分的含量，这样避免了降低生长温度提高InGaAs有源区内In组分的含量。

本发明一种制备长波长大应变铟镓砷/铟镓砷磷量子阱激光器的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在n型磷化铟衬底上外延生长磷化铟缓冲层；

步骤2：采用PECVD法在磷化铟缓冲层上生长二氧化硅层，光刻制备出两条形的掩模图形；

步骤3：采用MOCVD法在磷化铟缓冲层上外延生长激光器结构；

步骤4：在激光器结构上制备布拉格光栅；

步骤5：在布拉格光栅上二次外延光限制层和接触层；

步骤6：光刻，形成脊型波导；

步骤7：在脊型波导的两侧及上面和激光器结构的表面生长二氧化硅层；

步骤8：腐蚀掉脊型波导上面的二氧化硅层，形成电极窗口；

步骤9：在器件的整个上表面溅射钛/铂/金；

步骤10：背面减薄，蒸发金/锗/镍n面电极，完成器件的制作。

其中激光器结构包括：下波导层、多量子阱和上波导层。

其中两条形的掩模图形的宽度为10-30微米，两条形掩模图形中间生长区宽度为10-15微米。

其中多量子阱的结构包括：交替叠加的压应变铟镓砷材料和张应变铟镓砷磷材料，该压应变铟镓砷材料的厚度为10nm，带隙波长为1.6-2.0微米；该张应变铟镓砷磷材料的厚度为15nm，带隙波长为1.25微米。

其中多量子阱的生长温度为620-655度，生长压力为20-60毫巴。

本发明的特点是：

1、用金属有机物化学气相沉积法选择外延方法(SAG)生长InGaAs有源区时，可以提高选择区内In组分的含量。在其他生长条件都不改变的情况下，可以增加激光器的波长。

2、通过优化生长温度，生长压力，V/III，掩模宽度等条件提高选择生长区内In组分的含量，这样避免了降低生长温度提高InGaAs有源区内In组分的含量。

附图说明

为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1为在衬底上外延磷化铟缓冲层后的结构示意图；

图2为光刻出掩膜图形后的结构示意图；

图3为外延生长激光器结构后的结构示意图；

图4为去掉掩膜图形并刻蚀出布拉格光栅后的结构示意图；

图5为外延光限制层、接触层后的结构示意图；

图6为光刻出脊型波导后的结构示意图；

图7为刻制出脊波导窗口后的结构示意图；

图8为整个器件的结构示意图。