CN100364193C - 无铝1.3μm铟砷/镓砷量子点激光器 - Google Patents
无铝1.3μm铟砷/镓砷量子点激光器 Download PDFInfo
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Abstract
一种无铝1.3μm铟砷/镓砷量子点激光器，包括：一基片；一缓冲层，该缓冲层制作在基片上；一下包层，该下包层制作在缓冲层上；一下波导层，该下波导层制作在下包层上；一量子点有源区，该量子点有源区制作在下波导层上；一上波导层，该上波导层制作在量子点有源区上；一上包层，该上包层在较低温度下制作在上波导层上；一接触层，该接触层制作在上包层上。由于InGaP可以在较低的生长温度下获得高的的材料质量，包层生长过程中量子点发光的蓝移得到有效的抑制，使得量子点激光器能够在1.3μm激射。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用金属有机化合物汽相外延(MOCVD)生长的铟砷(InAs)/镓砷(GaAs)量子点(QDs)激光器，特别涉及一种无铝1.3μm铟砷/镓砷量子点激光器。
背景技术
理论上预测以QDs为有源区的激光器具有高量子效率、低阈值电流和高特征温度等优越性能。近来，在GaAs基片上生长的InAs/GaAs QDs因为可以将激光器发射波长延伸到1.3μm或1.5μm而受到广泛关注。关于用分子束外延(MBE)技术生长的InAS QDs 1.3μm激光器已经有很多的研究并实现室温工作(参见Electron.Lett.，Vol.40，No.22，2004，pp 1412-1413和IEEE Photonics Technol.Lett.，Vol.12，No.6，2000，pp 591-592)。尽管相对于MBE技术，MOCVD技术具有生长速度快适合于批量生产及可以进行选择区域生长便于光电集成等优点，但基于MOCVD技术的InAS QDs激光器的研究相对较少，并且目前只有较少的长波长激射的报道(Appl.Phys.Lett.，Vol.85，No.6，2004，pp 1024-1026)。主要原因是生长通常的高质量铝镓砷(AlGaAs)包层需要较高的温度，这加剧了QDs和盖层(基片)间In、Ga原子的互扩散，导致发光波长蓝移。另外，AlGaAs包层材料容易与氧或炭等杂质发生反应，而且材料有较高的缺陷浓度及表面复合速率，导致器件性能下降。
对于长波长激光器的应用，高的特征温度是一个必要的条件。然而，为了延伸QDs激光器的发射波长和解决增益饱和问题，通常在QDs上(下)引入一层铟镓砷(InGaAs)应力缓冲层(应力盖层)。这降低了QDs两侧的限制势垒，使QDs基态和激发态间的能级差减小，导致QDs激光器温度特性变坏。应用InAlAs/InGaAs复合应力缓冲层或复合应力盖层可以在一定程度上解决这个矛盾，但是由于含铝材料的上述缺点，器件应用受到限制。
发明内容
为了提高QDs激光器的特征温度并减少包层生长过程中高温引起的器件发射波长的蓝移以实现1.3μm激射，本发明的目的在于，提供一种用MOCVD生长无铝1.3μm InAs/GaAs量子点激光器，利用MOCVD技术，采用可在低生长温度获得较好材料质量的InGaP作为复合限制层材料和上下包层材料，生长InAs/GaAs QDs激光器。该激光器可实现QDs激光器1.3μm激射，同时得到较高的器件性能。
本发明所采用的技术方案是：
本发明一种无铝1.3μm铟砷/镓砷量子点激光器，包括：
一基片；
一缓冲层，该缓冲层制作在基片上；
一下包层，该下包层制作在缓冲层上；
一下波导层，该下波导层制作在下包层上；
一量子点有源区，该量子点有源区制作在下波导层上；
一上波导层，该上波导层制作在量子点有源区上；
一上包层，该上包层在530℃-570℃下制作在上波导层上；
一接触层，该接触层制作在上包层上。
其中有源区由3-5个周期的铟砷量子点构成，该一个周期包括：
一复合应力缓冲层，该应力缓冲层制作在下波导层上，该应力缓冲层在延伸量子点发射波长的同时提高其载流子限制势垒；
一量子点层，该量子点层制作在复合应力缓冲层上；
一复合应力盖层，该复合应力盖层制作在量子点层上，该应力盖层可在延伸量子点发射波长的同时提高其载流子限制势垒；
一间隔层，该间隔层制作在复合应力盖层上。
其中铟砷量子点层沉积厚度为1.4-2.2个原子层，沉积速度为每秒0.022-0.055个原子层。
其中间隔层为镓砷，间隔层厚度为20-40纳米。
其中有源区外延生长过程中引入铟镓磷/镓砷复合应力缓冲层，复合应力缓冲层中铟镓磷层厚度为2-3nm，以1nm的镓砷与量子点层间隔。
其中有源区外延生长过程中引入铟镓磷/铟镓砷复合应力盖层，复合应力盖层外延过程如下，量子点层生长完成后，先生长1nm的铟镓砷，接着生长铟镓磷，最后再生长一层铟镓砷，应力盖层总厚度为5nm。
其中激光器结构中引入复合应力缓冲层及应力盖层，其中铟镓磷的成分范围为0.51＜x＜0.53，铟镓砷的成分范围为0.15＜y＜0.3，其中x、y为铟的含量。
其中上下包层材料为与镓砷匹配的铟镓磷材料，包层厚度为1.2μm-1.6μm。
本发明的优点在于：
1)采用InGaP/GaAs复合应力缓冲层和InGaP/InGaAs复合应力盖层，在延伸QDs发光波长的同时增加了限制势垒，可以显著提高器件特征温度。
2)在较低温度下生长上包层可以有效的抑制QDs和周围材料之间In和Ga的互扩散，减少包层生长过程中发光波长的蓝移，可以实现激光器在1.3μm激射。
3)相对与要求高温生长的AlGaAs，InGaP可以在较低生长温度下得到高的晶体质量，且具有低的缺陷浓度及表面复合速率，不易与氧及炭等杂质发生反应，有利于器件质量的提高。
4)采用InGaP包层材料，器件可以在较低温度生长，减弱了p型掺杂杂质锌向有源区的扩散，有利于器件质量的提高。
附图说明
为进一步说明本发明的内容，以下结合实施例及附图对本发明做进一步的描述，其中：
图1为QDs激光器的外延结构示意图；
图2为QDs激光器QDs有源区一个周期的结构示意图；
图3为室温下有源区QDs光致发光(PL)谱图。
具体实施方式
请参阅图1及图2所示，本发明一种无铝1.3μm铟砷/镓砷量子点激光器，包括：
一基片10；
一缓冲层20，该缓冲层20制作在基片10上；
一下包层30，该下包层30制作在缓冲层20上；
一下波导层40，该下波导层40制作在下包层30上；
一量子点有源区50，该量子点有源区50制作在下波导层40上；该有源区50由3-5个周期的铟砷量子点构成，该一个周期包括：
一复合应力缓冲层51，该应力缓冲层51制作在下波导层40上，该复合应力缓冲层51在延伸量子点发射波长的同时提高其载流子限制势垒；
一量子点层52，该量子点层52制作在复合应力缓冲层51上，该量子点层52沉积厚度为1.4-2.2个原子层，沉积速度为每秒0.022-0.055个原子层；
一复合应力盖层53，该复合应力盖层53制作在量子点层52上，该应力盖层53可在延伸量子点发射波长的同时提高其载流子限制势垒；
一间隔层54，该间隔层54制作在复合应力盖层53上，该镓砷间隔层54厚度为20-40纳米；其中有源区50外延生长过程中引入铟镓磷/镓砷复合应力缓冲层51，复合应力缓冲层51中铟镓磷层厚度为2-3nm，以1nm的镓砷与量子点层52间隔；其中有源区50外延生长过程中引入铟镓磷/铟镓砷复合应力盖层53，复合应力盖层53外延过程如下，量子点层52生长完成后，先生长1nm的铟镓砷，接着生长铟镓磷，最后再生长一层铟镓砷，复合应力盖层53总厚度为5nm；
一上波导层60，该上波导层60制作在量子点有源区50上；
一上包层70，该上包层70在较低温度下制作在上波导层60上；
一接触层80，该接触层80制作在上包层70上。
其中有源区50外延生长过程中引入铟镓磷/铟镓砷复合应力盖层53，复合应力盖层53外延过程如下，量子点层52生长完成后，先生长1nm的铟镓砷，接着生长厚度为d的铟镓磷，最后再生长一层铟镓砷，复合应力盖层53总厚度为5nm。
其中激光器结构中引入复合应力缓冲层51及应力盖层53，其中铟镓磷的成分范围为0.51＜x＜0.53，铟镓砷的成分范围为0.15＜y＜0.3。
其中上下包层60、30材料为与镓砷匹配的铟镓磷材料，包层厚度为1.2μm-1.6μm。
实施例
参阅图1和图2：
1)洗好的GaAs基片10置于MOCVD反应室中，生长约500纳米的GaAs缓冲层20(反应室温度600摄氏度)；
2)在GaAs缓冲层20上生长约为1.5μm的n掺杂铟镓磷(In0.49Ga0.51P)下包层30，生长温度为530-570摄氏度，然后在相同温度下生长100纳米不掺杂GaAs下波导层40。
3)在下波导层上外延生长QDs有源区50。有源区50为以30纳米厚的GaAs层间隔的3-5个周期的InAS量子点52，生长温度为500-515摄氏度。为了延伸量子点52发光波长同时增加限制势垒提高器件特征温度，器件生长过程中引入InGaP/GaAs复合应力缓冲层51和InGaP/InGaAs复合应力盖层53。有源区50各层材料在相同温度下生长，也可变温生长。
4)在530-570摄氏度生长100纳米不掺杂GaAs上波导60层和厚度约为1.5μm的p掺杂InGaP(In0.49Ga0.51P)上包层70。在较低温度下生长上包层70可以有效的抑制量子点52和周围材料之间In和Ga原子的互扩散，减少包层生长过程中发光波长的蓝移。同时采用MOCVD技术，材料有较高的生长速度，可在相对短的时间内生长完成上包层70生长，以减少波长蓝移。
5)最后生长200纳米GaAs接触层80。
上述外延生长步骤是一次进行。
图1所示半导体激光器外延结构示意图中，n型InAS缓冲层20厚度300-600纳米，p(n)型InGaP上下包层60、40厚度为1.2μm-1.6μm，生长温度为530摄氏度致570摄氏度。InASQDs有源区50被置于100纳米的不掺杂GaAs波导层之间，波导层生长温度与上下包层相同。外延结构的最上层为100-200纳米的p型GaAs接触层80，接触层80生长温度与包层相同。采用可在低生长温度下得到较好材料质量的InGaP做上下包层材料，能够有效抑制量子点发光波长蓝移和减缓Zn扩散，有利于实现1.3μm激射。同时相对于AlGaAs材料，InGaP具有低的缺陷浓度及表面复合速率，不易与氧及炭等杂质发生反应等性质，有利于进一步提高器件性能。
图2所示激光器有源区50一个周期的InAS量子点结构，量子点52生长温度490-510摄氏度，沉积厚度为1.4-2.2个原子层，沉积速度为每秒0.034个原子层。GaAs间隔层厚度为20-40纳米。独特之处在于为了延伸量子点52发光波长到1.3μm以上同时增加QDs限制势垒提高激光器特征温度，在量子点52下方的GaAs缓冲层51中引入2nmInGaP，与量子点52以2nm的GaAs间隔。同时在量子点52上方引入5nm的InGaP/InGaAs复合应力盖层53，如图2所示量子点52生长完成后，先生长1nm的InGaAs，接着生长InGaP(厚度为d)，最后再生长一层厚度为4-d的InGaP完成复合应力盖层53生长。上述InGaP(InxGa1-xP，)的成分范围为0.51＜x＜0.53，InGaAs(InyGa1-yAs)的成分范围为0.15＜y＜0.3。有源区所有结构在相同温度下生长。有源区被置于80-120纳米的本征GaAs波导层之间，上下波导层生长温度与包层相同。在QDs生长与盖层生长之间引入5-20秒的生长停顿，保留As环境，以提高QDs发光质量。在GaAs间隔层生长与下一层QDs生长间引入50-120秒的生长停顿，以提高QDs均匀性。
图3为未生长上包层和复合应力层时有源区室温下PL谱，由图可见QDs有源区发光波长未1.37μm，上包层生长时间较长，过程中会有一定蓝移，但考虑到低温InGaP上包层生长能够有效减少蓝移量，并且利用MOCVD技术可在较短时间内完成包层生长，InASQDs激光器可以实现1.3μm激射。
综合本发明的内容为：
(1)参阅图1，在n型GaAs基片10上一次性依次外延生长n型GaAs缓冲层20，n型InGaP下包层30，本征GaAs下波导层40，InASQDs有源区50，本征GaAs上波导层60，p型InGaP上包层70和p型GaAs接触层80。关键在于为了延伸QDs发光波长同时增加限制势垒提高器件特征温度，采用InGaP/GaAs复合应力缓冲层51和InGaP/InGaAs应力盖层53，其中InGaPInxGa1-xP的成分范围为0.51＜x＜0.53，InGaAs(InyGa1-yAs)的成分范围为0.15＜y＜0.3。而且在低温下生长p型InGaP上波导层60，可以在得到较高质量材料的同时有效抑制发光波长的蓝移和p型掺杂杂质锌的扩散。
(2)在样品p面上热沉积一层二氧化硅做掩膜，光刻出电极图形，然后溅射制作激光器上电极和真空蒸镀下电极。
(3)沿倒台方向解理成一定长度的芯片，至此，完成整个器件的制作。
Claims (8)
1.一种无铝1.3μm铟砷/镓砷量子点激光器，其特征在于，包括：
一基片；
一缓冲层，该缓冲层制作在基片上；
一下包层，该下包层制作在缓冲层上；
一下波导层，该下波导层制作在下包层上；
一量子点有源区，该量子点有源区制作在下波导层上；
一上波导层，该上波导层制作在量子点有源区上；
一上包层，该上包层在530℃-570℃下制作在上波导层上；
一接触层，该接触层制作在上包层上。
2.根据权利要求1所述的无铝1.3μm铟砷/镓砷量子点激光器，其特征在于，其中有源区由3-5个周期的铟砷量子点构成，该一个周期包括：
一复合应力缓冲层，该应力缓冲层制作在下波导层上，该应力缓冲层在延伸量子点发射波长的同时提高其载流子限制势垒；
一量子点层，该量子点层制作在复合应力缓冲层上；
一复合应力盖层，该复合应力盖层制作在量子点层上，该应力盖层在延伸量子点发射波长的同时提高其载流子限制势垒；
一间隔层，该间隔层制作在复合应力盖层上。
3.根据权利要求2所述的无铝1.3μm铟砷/镓砷量子点激光器，其特征在于，其中铟砷量子点层沉积厚度为1.4-2.2个原子层，沉积速度为每秒0.022-0.055个原子层。
4.根据权利要求2所述的无铝1.3μm铟砷/镓砷量子点激光器，其特征在于，其中间隔层为镓砷，间隔层厚度为20-40纳米。
5.根据权利要求2所述的无铝1.3μm铟砷/镓砷量子点激光器，其特征在于，其中有源区外延生长过程中引入铟镓磷/镓砷复合应力缓冲层，复合应力缓冲层中铟镓磷层厚度为2-3nm，以1nm的镓砷与量子点层间隔。
6.根据权利要求2所述的无铝1.3μm铟砷/镓砷量子点激光器，其特征在于，其中有源区外延生长过程中引入铟镓磷/铟镓砷复合应力盖层，复合应力盖层外延过程如下，量子点层生长完成后，先生长1nm的铟镓砷，接着生长铟镓磷，最后再生长一层铟镓砷，应力盖层总厚度为5nm。
7.根据权利要求5或6所述的无铝1.3μm铟砷/镓砷量子点激光器，其特征在于，其中激光器结构中引入复合应力缓冲层及应力盖层，其中铟镓磷的成分范围为0.51＜x＜0.53，铟镓砷的成分范围为0.15＜y＜0.3，其中x、y为铟的含量。
8.根据权利要求1所述的无铝1.3μm铟砷/镓砷量子点激光器，其特征在于，其中上下包层材料为与镓砷匹配的铟镓磷材料，包层厚度为1.2μm-1.6μm。
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