[發明專利]一種基于鉍元素的GaAs基室溫紅外發光材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201510627036.7
• 申請日: 2015-09-28
• 公開（公告）號: CN105226503B
• 公開（公告）日: 2018-05-18
• 發明（設計）人: 王庶民
• 申請（專利權）人: 超晶科技（北京）有限公司
• 主分類號: H01S5/343
• 分類號: H01S5/343;C09K11/74;C09K11/62
• 代理公司: 上海光華專利事務所(普通合伙) 31219
• 代理人: 余明偉

本發明提供一種基于鉍元素的GaAs基室溫紅外發光材料及其制備方法，包括InxGa1?xAs材料層及GaAs1?yBiy材料層，其中，0<x≤0.3，0<y≤0.15。本發明通過在生長銦鎵砷/砷化鎵（InGaAs/GaAs）量子阱材料的壘層GaAs中加入少量鉍元素，利用鉍元素引起的帶隙收縮效應實現材料發光波長的紅移，通過調節鉍元素和銦元素的組分以及量子阱的厚度可以有效調控材料發光波長范圍，獲得近紅外波段室溫光致發光光譜。鉍元素的摻入可以改善材料的發光質量、提高激光器的特征溫度。有效地解決現有通信波段GaAs基激光器材料的晶體質量與發光波長的問題。本發明的基于鉍元素的GaAs基室溫紅外發光材料可以用常規的固態或氣態分子束外延、金屬有機物化學氣相沉積和原子層沉積等方法生長，操作工藝簡單、易控。

技術領域

本發明屬于半導體光電材料制備領域，特別涉及一種基于鉍元素的GaAs基室溫紅外發光材料及其制備方法。

背景技術

隨著互聯網的飛速發展，信息呈現爆炸式的增長，作為主要傳輸網絡的光纖通信系統必須向著更大的傳輸容量和更遠的傳輸距離發展。信號的色散、衰減和非線性效應是影響光纖傳輸系統性能的主要因素。光纖通信系統中1.3μm的光在信息傳輸過程中色散最小，國際電信聯盟所規定的G.652光纖稱為標準單模光纖，是指零色散波長在1.3μm窗口的單模光纖。因此，發展1.3μm工作的激光器具有重要的實際應用意義和商用價值。

目前，光纖通信系統中所使用的半導體激光器產品主要以InGaAsP/InP體系最為成熟，InGaAsP與InP雖然晶格完全匹配，可實現1.3和1.55μm的發光波長，但是InP和InGaAsP導帶帶階較小，載流子束縛能力差，使得閾值電流較高，溫度穩定性較差，必須采用制冷裝置恒溫，能耗和成本很高。而采用GaAs基的半導體激光器則有望解決上述問題。GaAs基材料體系普遍具有較大的帶隙失配，對載流子限制能力更強，有望獲得非制冷半導體激光器。同時，InP襯底價格昂貴、易碎，不利于降低激光器成本，GaAs襯底則在材料質量、成本上都有更大的優勢。在GaAs基近紅外激光器材料中，InGaAs/GaAs材料體系的激射波長在0.9-1.25μm，通過調節In的組分可以拓展發光波長，但In組分過大會在材料中引入較大的晶格失配，降低晶體質量。目前GaAs基上實現長波長的方法主要有：(1)InAs量子點激光器，用這種方法可以實現1.3μm工作的激光器；(2)InGaNAs量子阱激光器可以實現1.3和1.55μm激光器，但N的引入會導致材料光學質量的急劇下降，器件工作電流相對較高；(3)GaAsSb/GaAs體系雖可以實現1.3和1.55μm的發光，但是GaAsSb和GaAs的導帶帶階較小，電子限制能力較差。同時II型發光使得激射波長和效率對于注入電流非常敏感。為了進一步拓展發光波長至通信窗口，有必要發展一種新的半導體材料。

近年來，稀鉍半導體材料由于其獨特的材料性能而引起了國際上廣泛的關注。人們發現，在III-V族材料中摻入少量的Bi元素后，Bi原子能級與母體材料的價帶發生相互作用，產生價帶反交叉效應，減小材料的禁帶寬度，例如GaAs中每摻入1％的Bi元素，材料禁帶寬度可降低84-88meV；InAs中每摻入1％的Bi元素，材料禁帶寬度可降低42-55meV；InSb中每摻入1％的Bi元素，材料禁帶寬度可降低36meV；同時Bi元素的摻入可增大材料的自旋軌道分裂，從而抑制俄歇復合效應，減小熱損耗，提高器件的工作溫度；Bi元素在III-V族材料的生長中還具有表面活化劑的作用，有利于形成更平整的界面，改善材料的光學性能；此外，人們還發現GaAsBi材料的禁帶寬度對溫度依賴度遠小于GaAs以及InGaAsP材料，例如鉍組分在1.9-5％范圍內的GaAsBi材料，禁帶寬度溫度系數約為0.1-0.4meV/K，低于GaAs的0.56meV/K。因此，稀鉍材料可以有效的擴展III-V族材料的發光波長，減小俄歇復合，提高器件的工作溫度，是制備通信激光器的理想材料。

發明內容