CN102684070A - 制作砷化铟/磷化铟量子点激光器有源区的方法 - Google Patents

Abstract

一种制作砷化铟/磷化铟量子点激光器有源区的方法，包括如下步骤：步骤1：选择一磷化铟衬底；步骤2：在该磷化铟衬底上外延生长一层磷化铟缓冲层；步骤3：在磷化铟缓冲层上沉积晶格匹配的铟镓砷磷薄层；步骤4：在铟镓砷磷薄层上外延生长多周期的砷化铟量子点有源层；步骤5：在砷化铟量子点有源层上沉积铟镓砷磷盖层，完成量子点激光器有源区的制备。本发明是在砷化铟/磷化铟量子点生长停顿间隙，通过改变五族保护源流量来抑制As/P互换效应，调控量子点形貌，结合两步生长盖层技术，达到既保持良好光学性能又能调谐发光波长的目的。这种方法可以实现InAs/InP量子点发光波从1.3-1.7微米(μm)宽达400nm的范围内可控调节。

Description

制作砷化铟/磷化铟量子点激光器有源区的方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别是指一种制作砷化铟/磷化铟量子点激光器有源区的方法，该方法基于低维半导体纳米结构量子点材料的量子器件，如砷化(镓)铟/磷化铟(In(Ga)As/InP)量子点激光器有源区的外延生长方法。具体地涉及通过控制生长停顿期间V族保护源调节砷化铟/磷化铟量子点材料发光波长。

背景技术

新一代高速光通信系统迫切需要低功耗、高性能长波长半导体激光光源。作为传送信号载体光波的发射源或光源的重要候选，半导体量子点激光器因其诸多优势受到了科学家们的极大关注。量子点具有三维限制载流子运动的能力，会产生类似原子的分裂能级，从而产生了很多独特的光电性质。半导体量子点激光器相比于一维受限的量子阱激光器具有更好的温度稳定性，更低的阈值电流密度、更高的微分增益、更小的频率啁啾效应等优越性能。

截止目前，基于砷化镓(GaAs)基的In(Ga)As量子点已被广泛深入研究。但由于InAs与GaAs材料晶格失配较大(7.1％)，InAs/GaAs量子点材料主要发光在1-1.3μm范围，尽管人们做了很多尝试试图拉长该体系量子点发光波长，作为光通讯应用的C波段(1530-1561nm)范围仍难以达到。因此，为了获得高性能1.55微米长波长量子点光源，人们将目光转向晶格失配较小(3.2％)的InAs/InP量子点材料系统。

由于InAs与InP的晶格失配小，采用应变自组织方式(SK)生长的InAs量子点相比于GaAs基上量子点尺寸较大。生长的InP基InAs量子点发光波长一般在1.6-1.9μm范围，超出了光通讯应用所需波长范围。为满足需要，人们迫切需要探索将InAs/InP波长调至1.55μm波段的技术。

同时，由于在InP上生长InAs量子点具有As/P互换效应从而向量子点中引入了额外InAs沉积量，进一步增大了量子点的体积，加大了InAs/InP量子点的发光波长。产生的大量子点引入缺陷降低量子点的发光效率。目前文献报道的调节波长的技术主要是通过向量子点下插入GaAs薄层或者向量子点中掺入Ga组分来调节波长，但结果都极大的降低量子点的发光效率以及增大量子点发光光谱的半高宽，从而降低了量子点激光器的光学性能。为了能获得较好光学性能且波长精确可控的InAs/InP量子点，我们提出一种制作砷化铟/磷化铟量子点激光器有源区的方法，通过控制生长停顿间隙V族源保护有效调节砷化铟/磷化铟量子点材料发光波长。通过精确控制生长停顿间隙V族源保护，在宽达400nm范围实现波长调谐，同时削减发光光谱半高宽，保证量子点具有良好可控的光学性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制作砷化铟/磷化铟量子点激光器有源区的方法，其是在砷化铟/磷化铟量子点生长停顿间隙，通过改变五族保护源流量来抑制As/P互换效应，调控量子点形貌，结合两步生长盖层技术，达到既保持良好光学性能又能调谐发光波长的目的。这种方法可以实现InAs/InP量子点发光波从1.3-1.7微米(μm)宽达400nm的范围内可控调节。

本发明提供一种制作砷化铟/磷化铟量子点激光器有源区的方法，包括如下步骤：

步骤1：选择一磷化铟衬底；

步骤2：在该磷化铟衬底上外延生长一层磷化铟缓冲层；

步骤3：在磷化铟缓冲层上沉积晶格匹配的铟镓砷磷薄层；

步骤4：在铟镓砷磷薄层上外延生长多周期的砷化铟量子点有源层；

步骤5：在砷化铟量子点有源层上沉积铟镓砷磷盖层，完成量子点激光器有源区的制备。

附图说明

为了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是外延结构示意图；

图2是随生长停顿间隙V族保护源变化而改变的InAs/InP量子点有源区光致发光谱(PL)。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种制作砷化铟/磷化铟量子点激光器有源区的方法，包括如下步骤：

步骤1：选择一磷化铟衬底10，该衬底为n+型InP单晶片，晶向为(100)，厚度为325-375um，掺杂浓度为(1-3)×10¹⁸cm^-3。

步骤2：在该磷化铟衬底10上外延生长一层磷化铟缓冲层11，该磷化铟缓冲层11的生长温度为645℃，厚度为300nm，V族与III族源摩尔比为200。

步骤3：在磷化铟缓冲层11上沉积晶格匹配的铟镓砷磷薄层12，该铟镓砷磷薄层12的生长温度为645℃；淀积厚度100nm；其生长速度为0.5nm/s，V族源As、P与III族源Ga、In的摩尔流量(V/III)为150。在生长激光器结构时，本层作为激光器的下限制波导层。

步骤4：在铟镓砷磷薄层12上外延生长多周期的砷化铟量子点有源层13，该多周期的砷化铟量子点有源层13的周期数为1-20，所述多周期的砷化铟量子点有源层13的每一周期包括一层量子点层131，第一盖层132，第二盖层133。其量子点层131生长温度为480℃，沉积厚度为2ML，沉积速度为0.33ML/s，V/III为4.1。沉积完砷化铟量子点层131，关闭In源，生长停顿期间通过降低As保护流量或者交替开和关砷源，起到调节量子点发光波长的作用。降低As保护一方面有助于抑制In原子在生长表面上的迁移，减小量子点的尺寸，从而达到调节波长的目的；另一方面，As保护流量的降低抑制了基底InGaAsP中In原子因As/P互换效应向量子点中的迁移，阻止量子点尺寸以及尺寸分布的进一步加大。所述生长停顿时间为5秒，As保护气氛的摩尔流量在0-1sccm之间变化；过长的生长停顿时间会促进大量子点的形成，从而使激光器有源区发光波长红移。生长停顿结束后，在量子点层131上生长第一盖层132，在第一盖层132上生长第二盖层133。所述第一盖层132的生长温度与量子点生长温度相同，其中V/III比为250，厚度为10nm。沉积完InGaAsP第一盖层131后，关闭所有III族源及V族砷源，只采用PH3保护第一盖层132表面。其保护流量为30sccm。所述第二盖层133厚度为30nm，生长温度为510℃，较高的生长温度有助于获得高质量的四元系InGaAsP材料，减少因温度过低，生长源不完全分解导致的缺陷引入，从而提高整体器件的工作效率。但过高的第二盖层133生长温度，在生长叠层量子点结构时较大幅度的反复升降温会引起量子点反复退火，不利于获得高质量的量子点激光器有源区材料。以上所述量子点层131，第一盖层132，第二盖层133三部分构成一完整周期量子点有缘层13。多层结构量子点构成的有源区重复本步骤4生长。

步骤5：在砷化铟量子点有源层13上沉积铟镓砷磷盖层14，完成量子点激光器有源区的制备。所述铟镓砷磷盖层14生长速度为0.5nm/s，生长温度为645℃，其厚度为100nm。在生长激光器结构时，本层作为激光器的上限制波导层。

以上所述外延生长采用金属有机化学沉积法，外延生长使用的源分别是三甲基铟(TMIn)，三乙基镓(TEGa)，砷烷(AsH₃)，磷烷(PH₃)。

图2为控制生长停顿V族保护源的InAs/InP量子点有源区光致发光谱(PL)。PL峰位随停顿间隙AsH3流量的减少而蓝移。图中所有样品停顿时间均为5s。其中样品A为5s采用AsH3持续保护，流量为1sccm；样品B为5s内AsH3持续保护，流量降低为0.5sccm；样品C采用间断保护，前3s切断AsH3保护，然后再打开AsH3时间2s，打开流量为1sccm；样品D为完全关闭AsH3，没有AsH3保护。从A、B、C、D样品PL结果可以看出，样品峰位随着AsH3保护流量的减少持续蓝移，调节范围从1.66μm到1.34μm宽达320nm范围之间连续变化；且PL谱半高全宽(FWHM)从107.8mev(240nm)减小到91mev(130nm)。从而我们可以通过控制生长停顿间隙V族保护源来有效调节InAs/InP量子点发光波长使其覆盖全部通讯波段(1.3和1.55微米波段)。依此方法为基础，生长叠层结构量子点作为半导体量子点激光器的有源区可以保证激光器件具有良好波长可控性和优越的器件性能。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种制作砷化铟/磷化铟量子点激光器有源区的方法，包括如下步骤：

步骤1：选择一磷化铟衬底；

步骤2：在该磷化铟衬底上外延生长一层磷化铟缓冲层；

步骤3：在磷化铟缓冲层上沉积晶格匹配的铟镓砷磷薄层；

步骤4：在铟镓砷磷薄层上外延生长多周期的砷化铟量子点有源层；

步骤5：在砷化铟量子点有源层上沉积铟镓砷磷盖层，完成量子点激光器有源区的制备。

2.根据权利要求1所述的制作砷化铟/磷化铟量子点激光器有源区的方法，其中多周期的砷化铟量子点有源层的周期数为1-20。

3.根据权利要求2所述的制作砷化铟/磷化铟量子点激光器有源区的方法，其中多周期的砷化铟量子点有源层的每一周期包括一量子点层，第一盖层，第二盖层；沉积完砷化铟量子点层，关闭铟源，生长停顿期间通过降低砷保护气氛流量或者交替开和关砷源，起到调节量子点发光波长的作用，在量子点上生长第一盖层，在第一盖层上生长第二盖层。

4.根据权利要求3所述的制作砷化铟/磷化铟量子点激光器有源区的方法，其中生长停顿时间在120秒以内，砷保护气氛的摩尔流量≥0sccm。

5.根据权利要求3所述的制作砷化铟/磷化铟量子点激光器有源区的方法，其中第一盖层的生长温度介于430至560℃之间，淀积厚度介于1到20nm之间，该第二盖层的生长温度高于第一盖层的生长温度，该砷化铟量子点有源层的厚度小于60nm。

6.根据权利要求1所述的制作砷化铟/磷化铟量子点激光器有源区的方法，其中磷化铟缓冲层的生长温度介于550℃至650℃之间；V族与III族源摩尔比大于50。

7.根据权利要求1所述的制作砷化铟/磷化铟量子点激光器有源区的方法，其中铟镓砷磷薄层的生长温度介于550℃至650℃之间；淀积厚度小于300nm。

8.根据权利要求1所述的制作砷化铟/磷化铟量子点激光器有源区的方法，其中量子点层的生长温度介于430至560℃之间；沉积厚度介于1至5个原子单层。

9.根据权利要求1所述的制作砷化铟/磷化铟量子点激光器有源区的方法，其中外延生长包括分子束外延法和金属有机化学沉积法。

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