專利名稱：太赫茲量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器材料及其生長方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種利用固態(tài)源分子束外延(SSMBE)技術(shù)生長砷化鎵(GaAs)基鎵砷/鋁鎵砷 (GaAs/AlGaAs)太赫茲量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器材料及其生長方法。
背景技術(shù)：
太赫茲(THz)頻段，是指頻率從十分之幾到十幾個太赫 茲，介于毫米波與紅外光之間相當寬范圍的電磁輻射區(qū)域。太 赫茲技術(shù)在信息科學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、天文學(xué)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng) 域有重要的應(yīng)用價值。但是，在微波、可見光、紅外等技術(shù)被 廣泛應(yīng)用的情況下，太赫茲技術(shù)的發(fā)展卻相對滯后，其原因主 要在于缺少此頻率的探測器和發(fā)射源。目前，量子級聯(lián)激光器 是唯一可以實現(xiàn)在這一頻段激射的半導(dǎo)體激光器。量子級聯(lián)激光器在太赫茲頻段有著獨特的優(yōu)點，這是由其
工作原理決定的在外加電場下，電子量子隧穿通過由一組超 晶格構(gòu)成的注入?yún)^(qū)，到達一組由耦合量子阱構(gòu)成的有源區(qū)，在 導(dǎo)帶的子帶間躍遷而發(fā)出光子，躍遷后的電子再成為下一級相 同結(jié)構(gòu)的注入電子，重復(fù)上一級的過程。這種與傳統(tǒng)半導(dǎo)體激 光器截然不同的工作原理使得量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器與普通 的半導(dǎo)體注入激光器相比，其波長與所用材料的帶隙無直接關(guān) 系而是由導(dǎo)帶中的分立子能級的相對位置確定，而這一相對位 置可以通過調(diào)整有源區(qū)量子阱的厚度得以實現(xiàn)，理論上量子級 聯(lián)激光器的波長不僅可以覆蓋兩個大氣窗口，并可以向遠紅外 方向拓展。這就為量子級聯(lián)激光器實現(xiàn)太赫茲頻率光激射提供 了可能。砷化鎵基太赫茲量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器材料結(jié)構(gòu)是基于 分子束外延技術(shù)，在砷化鎵襯底上生長的鎵砷/鋁鎵砷異質(zhì)結(jié) 材料體系。由于材料的本身結(jié)構(gòu)，生長此種材料存在著許多困 難。首先，材料有源區(qū)的鋁鎵砷中鋁的組分低至1 5 % ，必須 選擇合適的鋁、鎵束流比來保證這一組分比。而且，砷化鎵基太赫茲量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器材料結(jié)構(gòu)的有源區(qū)達1 4 0 0多層，為了保證激射并且波長位于太赫茲范圍，在這么多層的 有源區(qū)結(jié)構(gòu)的生長過程中要求各源爐的束流精準，同時還須選 擇合適的生長速率來保證每一層材料有良好的質(zhì)量。另外，材料的整個外延層達到1 0 pm以上，這樣的厚度決定了生長材 料的周期長，為了避免過長生長時間所造成的源爐束流的偏
移，所選擇的生長速率除了保證材料質(zhì)量外，還要盡量縮短材料制備的時間。最重要的是，由于有源區(qū)中n型摻雜濃度極低， 達到1 .9x1 0 1 6/cm3 ，必須精確控制摻雜濃度的大小及摻雜 區(qū)域，否則將對光譜特性產(chǎn)生極大影響。這樣，選擇合適的源 爐束流從而控制好材料組分和生長速度，以及低摻雜濃度的控 制是好的太赫茲量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器材料生長的關(guān)鍵。我們通過逐步改進鎵砷/鋁鎵砷異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的生長工 藝，結(jié)合砷化鎵基微結(jié)構(gòu)材料的生長技術(shù)，成功地在砷化鎵襯 底上制備出優(yōu)質(zhì)的太赫茲量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器材料。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是，提出一種砷化鎵基太赫茲量子級聯(lián)半導(dǎo) 體激光器材料及其生長方法，該方法具有工藝過程簡化、材料 質(zhì)量好的特點。本發(fā)明一種太赫茲量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器材料的生長方法，其特征在于，包括如下生長步驟 步驟l:取一半絕緣砷化鎵襯底；步驟2 :利用分子束外延技術(shù)在半絕緣砷化鎵襯底上生長 N型砷化鎵下歐姆接觸層，用來制作下歐姆電極；步驟3:在下歐姆接觸層上生長有源區(qū)，作為發(fā)光區(qū)； 步驟4 :在有源區(qū)上生長N型砷化鎵上歐姆接觸層，用來
制作下歐姆電極，完成太赫茲量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器材料的生長。其中有源區(qū)為l 2 0-1 8 0個周期的多層砷化鎵/鋁鎵 砷交替結(jié)構(gòu)。其中下歐姆接觸層的材料是重摻砷化鎵、有源區(qū)的材料是 交替的砷化鎵和鋁鎵砷、上歐姆接觸層的材料是重摻砷化鎵。其中在下歐姆接觸層上生長有源區(qū)之前，確定生長與設(shè)計 組分相符的鋁鎵砷時對應(yīng)的鋁、鎵束流值的方法，是固定鎵的 束流值改變鋁的束流值，并利用X射線雙晶衍射結(jié)果及計算公 式算出外延材料的實際組分，參照結(jié)果對鋁的束流值進行調(diào) 整，從而實現(xiàn)對鋁、鎵組分的調(diào)節(jié)；X二 QW(l + ge)-a息計算公式為 "息其中在半絕緣砷化鎵襯底上生長各層之前，均應(yīng)確定在設(shè) 定的生長速率和材料組分下鋁、鎵束流值，其方法是測量符合 設(shè)計組分的鋁鎵砷外延層厚度，除以外延時間，得到在該鋁和 鎵束流下對應(yīng)的鋁鎵砷的生長速率，再根據(jù)比例關(guān)系得到鎵砷 的生長速率進而得到相應(yīng)的束流值。其中設(shè)定的有源區(qū)中鎵砷生長速率為O. 5 0. 9m/h。
其中在確定有源區(qū)的低摻雜濃度所對應(yīng)硅源爐的溫度時， 必須使得生長室內(nèi)背景真空足夠高，不干擾真實摻雜濃度的測定。其中生長各層材料時，其生長溫度為5 6 0 6 0 0 °C， Ah壓力為2 6 x 1 0 "Torr， V/III束流比保持在為1 0 1 5之間。本發(fā)明一種太赫茲量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器材料的結(jié)構(gòu)，其 特征在于，其中包括一半絕緣砷化鎵襯底；一下歐姆接觸層，該歐姆接觸層生長在半絕緣砷化鎵襯底上；一有源區(qū)，該有源區(qū)生長在下歐姆接觸層上，作為發(fā)光區(qū)； 一上歐姆接觸層，該歐姆接觸層生長在有源區(qū)上。 其中有源區(qū)為1 2 0 - 1 8 0個周期的多層鎵砷/鋁鎵砷交替結(jié)構(gòu)。其中下歐姆接觸層的材料是重摻砷化鎵、有源區(qū)的材料是 交替的砷化鎵和鋁鎵砷、上歐姆接觸層的材料是重摻砷化鎵。其中在下歐姆接觸層上生長有源區(qū)之前，確定生長與設(shè)計 組分相符的鋁鎵砷時對應(yīng)的鋁、鎵束流值的方法，是固定鎵的束流值改變鋁的束流值，并利用X射線雙晶衍射結(jié)果及相應(yīng)的 計算公式算出外延材料的實際組分，參照結(jié)果對鋁的束流值進
行調(diào)整，從而實現(xiàn)對鋁、鎵組分的調(diào)節(jié)。其中在半絕緣砷化鎵襯底上生長各層之前，均應(yīng)確定在設(shè) 定的生長速率和材料組分下鋁、鎵束流值，其方法是測量符合 設(shè)計組分的鋁鎵砷外延層厚度，除以外延時間，得到在該鋁和 鎵束流下對應(yīng)的鋁鎵砷的生長速率，再根據(jù)比例關(guān)系得到鎵砷 的生長速率進而得到相應(yīng)的束流值。其中設(shè)定的有源區(qū)中鎵砷生長速率為O. 5 0. 9m/h。其中在確定有源區(qū)的低摻雜濃度所對應(yīng)硅源爐的溫度時， 必須使得生長室內(nèi)背景真空足夠高，不干擾真實摻雜濃度的測定。其中生長各層材料時，其生長溫度為5 6 0 6 0 0 °C， As2壓力為2 6 x 1 0 —6Torr， V/III束流比保持在為1 0 1 5之間。


為進一步說明本發(fā)明的內(nèi)容，以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步的描述，其中圖1為外延層厚約1 |im時AlGaAs/GaAs的X射線雙晶衍 射結(jié)果圖；圖2為GaAs/GaAs外延層中n型摻雜臺階的電化學(xué)C-V
結(jié)果圖；圖3為生長速率liam /h時GaAs/GaAs摻雜濃度隨Si源 爐溫度的擬合結(jié)果圖；圖4為太赫茲量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器材料的生長結(jié)構(gòu)示 意圖；圖5為太赫茲量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器材料的x射線衍射 結(jié)果圖。
具體實施方式
請參閱圖4所示，本發(fā)明一種太赫茲量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光 器材料的生長方法，包括如下生長步驟步驟1:取一半絕緣砷化鎵襯底10;其中在半絕緣砷化 鎵襯底1 Q上生長各層之前，均應(yīng)確定在設(shè)定的生長速率和材 料組分下鋁、鎵束流值，其方法是測量符合設(shè)計組分的鋁鎵砷 外延層厚度，除以外延時間，得到在該鋁和鎵束流下對應(yīng)的鋁 鎵砷的生長速率，再根據(jù)比例關(guān)系得到鎵砷的生長速率進而得 到相應(yīng)的束流值；步驟2 :利用分子束外延技術(shù)在半絕緣砷化鎵襯底1 0上 生長N型砷化鎵下歐姆接觸層2 0，用來制作下歐姆電極；其中下歐姆接觸層2 O的材料是重摻砷化鎵；其中在下歐姆接觸層2 0上生長有源區(qū)3 O之前，確定生 長與設(shè)計組分相符的鋁鎵砷時對應(yīng)的鋁、鎵束流值的方法，是固定鎵的束流值改變鋁的束流值，并利用x射線雙晶衍射結(jié)果及計算公式算出外延材料的實際組分，參照結(jié)果對鋁的束流值 進行調(diào)整，從而實現(xiàn)對鋁、鎵組分的調(diào)節(jié)；x =-計算公式為 <formula>formula see original document page 13</formula>其中設(shè)定的有源區(qū)3 0中鎵砷生長速率為0.5 0.9fim/h;其中在確定有源區(qū)3 0的低摻雜濃度所對應(yīng)硅源爐的溫 度時，必須使得生長室內(nèi)背景真空足夠高，不干擾真實摻雜濃 度的測定；有源區(qū)3 0的材料是交替的砷化鎵和鋁鎵砷； 步驟3:在下歐姆接觸層2 0上生長有源區(qū)3 O，作為發(fā)光區(qū)；其中有源區(qū)3 0為1 2 0-1 8 0個周期的多層砷化鎵/鋁鎵砷交替結(jié)構(gòu)；步驟4:在有源區(qū)3 0上生長N型砷化鎵上歐姆接觸層40 ，用來制作下歐姆電極，完成太赫茲量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器材料的生長；上歐姆接觸層40的材料是重摻砷化鎵。其中生長各層材料時，其生長溫度為5 6 0 6 0 0 °C， As2壓力為2 6 x 1 0 -6Torr， V/III束流比保持在為1 0 1 5之間。請再參閱圖4所示，本發(fā)明一種太赫茲量子級聯(lián)半導(dǎo)體激 光器材料的結(jié)構(gòu)，其中包括一半絕緣砷化鎵襯底lQ;其中在半絕緣砷化鎵襯底10 上生長各層之前，均應(yīng)確定在設(shè)定的生長速率和材料組分下 鋁、鎵束流值，其方法是測量符合設(shè)計組分的鋁鎵砷外延層厚 度，除以外延時間，得到在該鋁和鎵束流下對應(yīng)的鋁鎵砷的生 長速率，再根據(jù)比例關(guān)系得到鎵砷的生長速率進而得到相應(yīng)的 束流值；一下歐姆接觸層2 0，該歐姆接觸層2 O生長在半絕緣砷化鎵襯底1 0上；其中下歐姆接觸層2 0的材料是重摻砷化鎵； 一有源區(qū)3 0，該有源區(qū)3 0生長在下歐姆接觸層2 0上，作為發(fā)光區(qū)；有源區(qū)3 0的材料是交替的砷化鎵和鋁鎵砷；其中在下歐姆接觸層2 0上生長有源區(qū)3 0之前，確定生長與設(shè)計組分相符的鋁鎵砷時對應(yīng)的鋁、鎵束流值的方法，是 固定鎵的束流值改變鋁的束流值，并利用X射線雙晶衍射結(jié)果及相應(yīng)的計算公式算出外延材料的實際組分，參照結(jié)果對鋁的 束流值進行調(diào)整，從而實現(xiàn)對鋁、鎵組分的調(diào)節(jié)；其中有源區(qū)3 0為1 2 0-1 8 0個周期的多層鎵砷/鋁 鎵砷交替結(jié)構(gòu)；
其中在確定有源區(qū)3 O的低摻雜濃度所對應(yīng)硅源爐的溫 度時，必須使得生長室內(nèi)背景真空足夠高，不干擾真實摻雜濃 度的測定；其中設(shè)定的有源區(qū)3 o中鎵砷生長速率為0.5 0.9一上歐姆接觸層4 0，該歐姆接觸層4 0生長在有源區(qū)3 0上；上歐姆接觸層4 O的材料是重摻砷化鎵。其中生長各層材料時，其生長溫度為5 6 0 6 0 0°C， As2壓力為2 6 xl CT6Torr， V/III束流比保持在為1 0 1 5之間。我們主要考慮了以下三個方面的內(nèi)容。 1 .生長速率的確定生長速率是決定材料優(yōu)質(zhì)與否的條件之一。生長速率過 小，材料制備時間加長，易引起各源爐束流值的漂移，造成材 料成分與設(shè)計不符；生長速率過大，容易產(chǎn)生缺陷，材料質(zhì)量 得不到保證。因為化合物中元素之間的組分比決定了它們的速 率比，由于太赫茲量子級聯(lián)激光器有源區(qū)中AlGaAs的Al、 Ga 組分比為0.15:0.85，低的鋁組分可以保證在同一鎵束 流下使AlGaAs和GaAs的生長速率不會相差過大。這樣，選擇 在不影響材料質(zhì)量的生長速率范圍內(nèi)盡量大的AlGaAs生長速 率可以使得材料制備周期縮短。所以，AlGaAs生長速率的選
定成了速率選擇的關(guān)鍵。2 .有源區(qū)中AlGaAs的Al、 Ga組分比的控制MBE生長過程中，在As2過量的條件下，因為A1、 Ga的 吸附系數(shù)為1 ，而AS2的吸附率是由Al和Ga來決定的，所以 AlGaAs中Al、 Ga的組分比由Al和Ga的相對束流強度值(束 流等效壓力Beam Equivalent Pressure)決定。這里，我們 通過固定Ga的束流值來調(diào)整Al的束流值，從而實現(xiàn)對Al、 Ga組分比的調(diào)節(jié)，最終獲得與設(shè)計組分比值高度 一 致的 AlGaAs夕卜延材料。3 .摻雜濃度的控制在砷化鎵基太赫茲量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器材料的有源層 的注入極以及歐姆接觸層均需要n型摻雜，對摻雜濃度及摻雜區(qū)域的精確控制對太赫茲量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器的光譜特性 有很大影響。在固源分子束外延設(shè)備中，N型摻雜劑Si源爐 的溫度決定了摻雜濃度的高低，因此通過控制Si源爐溫度來 精確控制摻雜濃度是一步關(guān)鍵工藝。我們用Si作摻雜劑，在 GaAs襯底上分別生長GaAs和AlGaAs的多個n型摻雜臺階， 可以得到在相應(yīng)生長速率下的GaAs和AlGaAs中摻雜濃度與 Si源爐溫度的關(guān)系，將多個摻雜臺階的濃度結(jié)果與對應(yīng)的Si 源爐溫度作圖并線性擬合，從擬合線上可以得到實際生長所需 的摻雜濃度所對應(yīng)的Si源爐溫度(擬合結(jié)果)。本發(fā)明涉及一種使用分子束外延技術(shù)生長太赫茲量子級
聯(lián)半導(dǎo)體激光器材料的方法。我們基于Veeco精密儀器公司 Mod GEN II型分子束外延設(shè)備，進行說明。包括如下步驟-1 . Al、 Ga源爐束流值的確定及生長速率的選取由于我們所生長的太赫茲砷化鎵基鎵砷/鋁鎵砷量子級聯(lián) 半導(dǎo)體激光器材料的有源區(qū)內(nèi)鎵砷/鋁鎵砷組分為GaAs/A1。. 15Ga。.85AS，所以首先要在N型砷化鎵襯底上外延一層 AlGaAs，以確定外延層結(jié)構(gòu)為設(shè)計的Al?！?Ga。.8 5As時所對 應(yīng)的Al、 Ga的束流值。在X射線雙晶衍射中，由于AlGaAs外延層與GaAs襯底晶 格常數(shù)的不同，而使同一衍射指數(shù)的X射線衍射峰分裂成兩個衍射峰，根據(jù)這兩個峰的角距離Ae，可以根據(jù)衍射理論計算 出垂直方向上AlGaAs外延層的晶格失配度￡±=，=AectgeB c i )68為GaAs晶面Bragg衍射角，Ae是外延層Bragg角與 之 差。如果對應(yīng)于外延層組份的體材料晶格常數(shù)為a"則由彈性 理論知<formula>formula see original document page 17</formula>(2 )其中，Kh、 K,2為該材料彈性系數(shù)。對AlGaAs， Ku/(K ll + 2Kl2) 0.5 ，故有Sea0.5s丄
接著，我們利用Vegard定律可以得到，在Alx —xGaAs/GaAs 異質(zhì)外延中，晶格失配度與相應(yīng)的化學(xué)組分之間的關(guān)系。有<formula>formula see original document page 18</formula> (3 )要想獲得與設(shè)計組分A1Q1 sGao.s 5 As相符的外延層，我 們的方法是先用大概能與所設(shè)計組分相近的Al、 Ga束流值進 行Ah.xGaxAs/GaAs異質(zhì)外延。然后對外延片作X射線雙晶衍 射，得到Ae，從而由(l )式算出晶格失配度，然后由(2)、 (3) 式算出x值，確定在此種束流下的Ah.xGaxAs組分，同時通過 厚度的測定也可以得到此束流下的Ah.xGaAs、 GaAs生長速 率。接著，在保證Ga束流不變的情況下，對照上步所得組分 結(jié)果，僅改變A1的束流，通過調(diào)整A1的束流值，基本可以獲 得與設(shè)計值A(chǔ)1Q1 5Ga。.85As相符的外延層。圖1所示是外延 層厚1 m時AlGaAs/GaAs的X射線雙晶衍射結(jié)果，Ga的束 流值為2 . 6 lxl 0—7 Torr, Al的束流值為2.04xl(r8 Torr時，得到組分基本為Alo.15GaQ.85As的外延層，其生長 速率約為1 .0 0 ^m/h;同時可得到在此束流下，GaAs的生長 速率約為0 .8 5 pm/h。經(jīng)過一系列優(yōu)化，我們發(fā)現(xiàn)Ah.15GaQ.85As生長速率釆
用0 . 7 1 . 3 pm/h生長出的太赫茲量子級聯(lián)材料具有優(yōu)異 品質(zhì)。這樣，決定了有源區(qū)及上、下歐姆接觸層中GaAs的生 長速率約為0.8 1.2 |im/h。因為生長速率與束流值是成正比的，而組分比卻只和束流 值之間的比值有關(guān)。參照之前得出的GaAs生長速率所對應(yīng)的 Ga束流，可以推算出我們設(shè)定的生長速率所對應(yīng)的Ga束流， 再根據(jù)組分比與束流比的關(guān)系推算出Al的束流。這樣，我們通過對A1、 Ga組分的調(diào)節(jié)，最終獲得了在設(shè) 計的生長速率下，實際組分與設(shè)計值高度一致的AlGaAs外延 材料，從而確定了各層生長時的Al、 Ga源爐的束流值。2 . Si摻雜劑源爐溫度的確定在太赫茲砷化鎵基量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器材料的有源層 的注入極、上、下歐姆接觸層均需要n型摻雜。摻雜濃度的高 低，特別是有源區(qū)內(nèi)的低摻雜對量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器的光譜 特性產(chǎn)生很大的影響，而摻雜劑Si的源爐溫度決定著摻雜濃 度高低，所以，下一步需要確定GaAs及AlGaAs中不同摻雜濃 度所對應(yīng)的Si源爐的不同溫度。我們先用Si摻雜劑，在GaAs 襯底上分別生長GaAs、 AlGaAs的n型摻雜臺階(每個臺階厚 度不少于于3 5 0 nm)可以得到在此生長速率下的摻雜濃度與 Si源爐溫度的關(guān)系。摻雜濃度由電化學(xué)C-V方法確定。在這一步中，低摻雜濃度(~1 0 1 6cnT3 )的確定是關(guān)鍵。 必須使得生長室內(nèi)背景真空足夠高，不至于干擾到真實摻雜濃度的測定。圖2是GaAs生長速率為8 5 0 nm/h時，GaAs/GaAs夕卜延 層中n型摻雜臺階的電化學(xué)C-V結(jié)果?？刂坪蒙L速率，將多 個摻雜臺階的濃度結(jié)果與對應(yīng)的Si源爐溫度作圖并擬合。圖 3為GaAs生長速率為1 um/h時，GaAs/GaAs摻雜濃度隨Si 源爐溫度的對數(shù)變化關(guān)系，從擬合線上可以得到太赫茲砷化鎵 基量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器材料中各層所需的摻雜濃度對應(yīng)的 Si源爐溫度。3.材料生長利用這些己優(yōu)化的生長條件，并綜合考慮襯底溫度、V/ m束流比等因素的影響。采用分子束外延(MBE)技術(shù)，我們 生長出了高質(zhì)量太赫茲砷化鎵基量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器材料。 圖4為量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器材料的生長結(jié)構(gòu)示意圖，在半絕 緣GaAs襯底上先生長一層N型GaAs下歐姆接觸層，然后生長 1 2 0 - 1 8 0個周期GaAs、 AlGaAs交替的有源區(qū)，最后生長 N型GaAs上歐姆接觸層。圖5是太赫茲砷化鎵基鎵砷/鋁鎵砷激光器材料的X射線 衍射結(jié)果。從圖中可以看到多級衛(wèi)星峰，且這些衛(wèi)星峰具有良 好的周期性和窄的線寬，這表明材料中多周期的有源區(qū)生長質(zhì)量良好。
權(quán)利要求
1、一種太赫茲量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器材料的生長方法，其特征在于，包括如下生長步驟步驟1取一半絕緣砷化鎵襯底；步驟2利用分子束外延技術(shù)在半絕緣砷化鎵襯底上生長N型砷化鎵下歐姆接觸層，用來制作下歐姆電極；步驟3在下歐姆接觸層上生長有源區(qū)，作為發(fā)光區(qū)；步驟4在有源區(qū)上生長N型砷化鎵上歐姆接觸層，用來制作下歐姆電極，完成太赫茲量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器材料的生長。
2 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器 材料的生長方法，其特征在于，其中有源區(qū)為l 2 0-1 8 0 個周期的多層砷化鎵/鋁鎵砷交替結(jié)構(gòu)。
3 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器 材料的生長方法，其特征在于，其中下歐姆接觸層的材料是重 摻砷化鎵、有源區(qū)的材料是交替的砷化鎵和鋁鎵砷、上歐姆接 觸層的材料是重摻砷化鎵。
4 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器 材料的生長方法，其特征在于，其中在下歐姆接觸層上生長有 源區(qū)之前，確定生長與設(shè)計組分相符的鋁鎵砷時對應(yīng)的鋁、鎵束流值的方法，是固定鎵的束流值改變鋁的束流值，并利用X射線雙晶衍射結(jié)果及計算公式算出外延材料的實際組分，參照結(jié)果對鋁的束流值進行調(diào)整，從而實現(xiàn)對鋁、鎵組分的調(diào)節(jié)；計算公式為—"息
5 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器材料的生長方法，其特征在于，其中在半絕緣砷化鎵襯底上生 長各層之前，均應(yīng)確定在設(shè)定的生長速率和材料組分下鋁、鎵 束流值，其方法是測量符合設(shè)計組分的鋁鎵砷外延層厚度，除 以外延時間，得到在該鋁和鎵束流下對應(yīng)的鋁鎵砷的生長速 率，再根據(jù)比例關(guān)系得到鎵砷的生長速率進而得到相應(yīng)的束流 值。
6 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器 材料的生長方法，其特征在于，其中設(shè)定的有源區(qū)中鎵砷生長 速率為0.5 0.9 m/h。
7 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器 材料的生長方法，其特征在于，其中在確定有源區(qū)的低摻雜濃 度所對應(yīng)硅源爐的溫度時，必須使得生長室內(nèi)背景真空足夠 高，不干擾真實摻雜濃度的測定。
8 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器 材料的生長方法，其特征在于，其中生長各層材料時，其生長溫度為5 6 0 6 0 0 。C，As2壓力為2 6xl 0 —6 Torr， V /III束流比保持在為1 0 1 5之間。
9 、 一種太赫茲量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器材料的結(jié)構(gòu)，其特 征在于，其中包括一半絕緣砷化鎵襯底；一下歐姆接觸層，該歐姆接觸層生長在半絕緣砷化鎵襯底上；一有源區(qū)，該有源區(qū)生長在下歐姆接觸層上，作為發(fā)光區(qū)； 一上歐姆接觸層，該歐姆接觸層生長在有源區(qū)上。
10 、根據(jù)權(quán)利要求9所述的太赫茲量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光 器材料的結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中有源區(qū)為l 2 0-1 8 0個 周期的多層鎵砷/鋁鎵砷交替結(jié)構(gòu)。
11 、根據(jù)權(quán)利要求9所述的太赫茲量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光 器材料的結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中下歐姆接觸層的材料是重摻 砷化鎵、有源區(qū)的材料是交替的砷化鎵和鋁鎵砷、上歐姆接觸 層的材料是重摻砷化鎵。
12 、根據(jù)權(quán)利要求9所述的太赫茲量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光 器材料的結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中在下歐姆接觸層上生長有源 區(qū)之前，確定生長與設(shè)計組分相符的鋁鎵砷時對應(yīng)的鋁、鎵束 流值的方法，是固定鎵的束流值改變鋁的束流值，并利用X 射線雙晶衍射結(jié)果及相應(yīng)的計算公式算出外延材料的實際組 分，參照結(jié)果對鋁的束流值進行調(diào)整，從而實現(xiàn)對鋁、鎵組分 的調(diào)節(jié)。
13 、根據(jù)權(quán)利要求9所述的太赫茲量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光 器材料的結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中在半絕緣砷化鎵襯底上生長 各層之前，均應(yīng)確定在設(shè)定的生長速率和材料組分下鋁、鎵束 流值，其方法是測量符合設(shè)計組分的鋁鎵砷外延層厚度，除以 外延時間，得到在該鋁和鎵束流下對應(yīng)的鋁鎵砷的生長速率， 再根據(jù)比例關(guān)系得到鎵砷的生長速率進而得到相應(yīng)的束流值。
14 、根據(jù)權(quán)利要求9所述的太赫茲量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器材料的結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中設(shè)定的有源區(qū)中鎵砷生長速 率為0 . 5 0 . 9 m/h。
15 、根據(jù)權(quán)利要求9所述的太赫茲量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光 器材料的生長方法，其特征在于，其中在確定有源區(qū)的低摻雜 濃度所對應(yīng)硅源爐的溫度時，必須使得生長室內(nèi)背景真空足夠 高，不干擾真實摻雜濃度的測定。
16 、根據(jù)權(quán)利要求9所述的太赫茲量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光 器材料的生長方法，其特征在于，其中生長各層材料時，其生 長溫度為5 6 0 6 0 0 "C， As2壓力為2 6xl 0 "Torr， V/III束流比保持在為1 0 1 5之間。
全文摘要
一種太赫茲量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器材料的生長方法，其特征在于，包括如下生長步驟步驟1取一半絕緣砷化鎵襯底；步驟2利用分子束外延技術(shù)在半絕緣砷化鎵襯底上生長N型砷化鎵下歐姆接觸層，用來制作下歐姆電極；步驟3在下歐姆接觸層上生長有源區(qū)，作為發(fā)光區(qū)；步驟4在有源區(qū)上生長N型砷化鎵上歐姆接觸層，用來制作下歐姆電極，完成太赫茲量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器材料的生長。
文檔編號C23C16/00GK101127432SQ20061011240
公開日2008年2月20日 申請日期2006年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月16日
發(fā)明者劉俊岐, 劉峰奇, 路 李, 王占國, 燁 邵 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所