CN104638516A - 大晶格失配可调谐量子阱激光器外延芯片的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种大晶格失配可调谐量子阱激光器外延芯片的制作方法，包括如下步骤：步骤1：选择一InP衬底；步骤2：在该衬底上依次沉积InP缓冲层、下波导层、下限制层、量子阱层、上限制层、上波导层和InP盖层；步骤3：在InP盖层上外延Zn扩散缓冲层；步骤4：在Zn扩散缓冲层上外延Zn掺杂InP上包层、梯度层及InGaAs接触层，完成制备。本发明可以实现量子阱激光器波长大范围的调谐。

Description

大晶格失配可调谐量子阱激光器外延芯片的制作方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体地涉及通过分子束外延(MBE)或者金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长大失配In(Ga)As/InP量子阱材料，通过引入Zn扩散缓冲层及精确调控激光器包层的Zn掺杂浓度，实现波长大范围可调谐激光器外延芯片的制作方法。

背景技术

自上世纪六十年代初半导体激光器问世以来，因其具有波长覆盖范围广、结构紧凑、可靠性高和易于集成性等性能优势，已在人们的日常生活，工、农业生产以及国防军事等领域得到广泛的应用。随着新兴应用领域的不断拓展，人们对半导体激光器的性能也提出了新的更高的要求。低成本、可调谐激光器成为人们研究的热点。InP基In(Ga)As量子阱由于其波长覆盖1.6微米至3.0微米这一超宽范围而在气体探测，生物医疗，超长距离通信等多方面具有重要应用。同时，由于具有高质量，低成本的衬底材料，InP基激光器因其兼容传统通讯用激光器的成熟工艺，且易与其它器件实现集成等优势相比于其他体系(如GaSb基激光器材料体系)而具有更大的竞争力和应用前景。但目前，由于In(Ga)As/InP材料具有较大的晶格失配，高质量的量子阱材料制备较困难，特别是发光波长大于2微米的激光器中，量子阱层中In(Ga)As材料为In组分几乎是100％的InAs。其与衬底的晶格失配达到3.2％。这在外延制备过程中容易引入缺陷，如何保证高质量的材料质量成为制备高性能激光器的关键。另一方面，在实际应用中，通常需要对激光波长进行调谐以满足实际应用的需要，激光器的可调谐性也成为一项重要的指标。目前，人们主要通过量子阱层材料的组分以及材料厚度来进行激光波长的选择。而对于纯InAs材料的量子阱只能通过阱层的厚度来进行激光波长的调节，为了得到2微米波长的InAs/InP量子阱材料，InAs阱层的厚度需低于2nm，过薄的量子阱具有较大的量子尺寸效应，量子阱带底能级距势垒的高度较低，载流子容易逃逸出势阱，造成激光器不能稳定工作。本发明提供一种大晶格失配可调谐量子阱激光器外延芯片的制作方法，通过固定量子阱的生长条件和参数，在量子阱有源层上方引入Zn扩散缓冲层，结合对包层InP材料中的Zn掺杂浓度进行精确调控，有效引导、控制Zn杂质向有源区的扩散，实现量子阱有源区波长宽达275nm范围的调谐。由于这些激光芯片具有相同的有源层生长参数和条件，一次有源区外延生长可实现多波长激光器的制作，此方法的实施也将极大降低激光器芯片外延的整体成本。

发明内容

本发明提供一种大晶格失配可调谐量子阱激光器外延芯片的制作方法，具体通过在量子阱有源区上方引入Zn扩散缓冲层，结合对包层InP材料中的Zn掺杂浓度进行精确调控，实现量子阱激光器波长大范围的调谐。

本发明提供一种大晶格失配可调谐量子阱激光器外延芯片的制作方法，包括如下步骤：

步骤1：选择一InP衬底；

步骤2：在该衬底上依次沉积InP缓冲层、下波导层、下限制层、量子阱层、上限制层、上波导层和InP盖层；

步骤3：在InP盖层上外延Zn扩散缓冲层；

步骤4：在Zn扩散缓冲层上外延Zn掺杂InP上包层、梯度层及InGaAs接触层，完成制备。

本发明的有益效果是，其是通过在量子阱有源区上方引入Zn扩散缓冲层，结合对包层InP材料中的Zn掺杂浓度进行精确调控，实现量子阱激光器波长大范围的调谐。

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为本发明的制作流程图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为不同缓冲层厚度及包层掺杂浓度下激光器的室温光致荧光谱。

图4是不同缓冲层厚度及包层掺杂浓度下激光器的激射谱。

具体实施方式

请参阅图1、图2所示，本发明一种大晶格失配可调谐量子阱激光器外延芯片的制作方法，包括如下步骤：

步骤1：选择一InP衬底1，其中InP衬底1为InP单晶片，晶向为(001)，偏角在±0.5°以内，厚度为325-375μm，掺杂浓度为(2-6)×10¹⁸cm^-3；

步骤2：在该衬底1上依次沉积InP缓冲层2、下波导层3、下限制层4、量子阱层5、上限制层6、上波导层7和InP盖层8；InP缓冲层2厚度为500nm，生长温度介于600至660℃之间，掺杂浓度介于1×10¹⁷至2×10¹⁸cm^-3之间，生长速度约0.4-0.6nm/s，过快的生长速度不利于高质量缓冲层的形成；其中下波导层3和上波导层7的材料为InGaAsP材料，该下波导层3和上波导层7的厚度为50-500nm，生长温度介于450-650℃之间，室温光致荧光波长介于1000-1700nm之间；其中下限制层4和上限制层6的材料为In(Al)GaAs，厚度介于0-100nm之间，生长温度介于450-650℃之间，Al组分根据拟设计的势垒高度进行调节，一般介于0至80％之间，Al组分的引入可以有效提高量子阱层的载流子限制作用，有利于提高激光器输出特性的温度稳定性，但由于含Al材料容易氧化，特别是在较低的生长温度下，过高的Al组分会降低材料的晶体质量；其中量子阱层5为交替生长的势垒层和阱层，其层数为1-10，其材料为In_xGa_1-xAs，其中In组分介于55％至100％，其生长温度介于450℃至650℃之间，该量子阱层5的层数为1-10，本实施例中采用InAs材料，厚度为5nm，生长速度为0.1nm/s；InP盖层8的生长温度与上波导层7相同，生长厚度为5-10nm，此层材料的主要目的是在接下来的变温过程中保护波导层材料表面形貌。

步骤3：在InP盖层8上外延Zn扩散缓冲层9；本实施例中，Zn扩散缓冲层9为InP材料，厚度介于0-300nm之间，生长温度介于600至650℃之间。扩散缓冲层9的厚度需根据上包层的掺杂浓度来确定，在后续的上包层10中Zn掺杂浓度越高，Zn原子越容易向有源区扩散；由于有源区量子阱层5的发光波长与Zn扩入量直接相关，因此扩散缓冲层9的厚度直接影响此制作方法的实施效果。

步骤4：在Zn扩散缓冲层9上外延Zn掺杂InP上包层10、梯度层11、及InGaAs接触层12；InP上包层10厚度介于500-1500nm之间，生长温度为600℃，其掺杂浓度需精确控制，浓度介于5E16至5E18cm^-3之间；由于掺杂浓度直接影响激光器激射过程中P掺杂区空穴向有缘区内的注入，较高的掺杂浓度有利于提高空穴的注入效率并降低串联电阻，因此，我们采用梯度掺杂结构，掺杂浓度由1E17至2E18cm^-3逐步升高。梯度层11为InAlGaAs材料或者InGaAsP材料，厚度介于0至100nm之间，其掺杂浓度为5E18cm^-3；InGaAs接触层12的掺杂浓度大于5E18cm^-3，生长温度低于650℃，本实施例中，我们采用的掺杂浓度为1.5E19cm^-3，生长温度为600℃，过高的生长温度会导致Zn向外扩散逃逸，从而降低接触层的掺杂浓度，增大接触电阻。

参阅图3、图4所示，图3为具有相同量子阱层5生长结构和参数条件下，通过固定Zn扩散缓冲层9的厚度为140nm，不同InP上包层10掺杂浓度下激光器有源层的室温光致荧光谱。其中，样品1为参考样品，其InP上包层10未掺杂。样品2、样品3、样品4的InP上包层10掺杂浓度随InP厚度增加逐渐增大，其增大梯度分别为1E17cm^-3至6E17cm^-3、2E17cm^-3至1E18cm^-3、1E18cm^-3至2E18cm^-3逐步提高。由图可知，随着包层掺杂浓度的逐渐提升，激光器有源区发光峰值波长由参考样品1的2385nm逐渐蓝移至样品4对应的2110nm。其波长调谐范围宽达275nm。图4给出了具有相同量子阱层5生长结构和参数条件下，通过固定Zn扩散缓冲层9的厚度为140nm，不同InP上包层10掺杂浓度下激光器的室温激射谱。由图可知，通过选取合适的Zn扩散缓冲层厚度及包层Zn掺杂浓度，我们成功制备了波长覆盖2155nm至2300nm的室温工作的激光器。

以上所述外延材料生长设备为MOCVD，外延生长过程中使用的源分别是三甲基铟(TMIn)，三乙基镓(TEGa)，砷烷(AsH₃)，磷烷(PH₃)，硅烷(SiH₄)，二乙基锌(DEZn)。

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 (7)

1.一种大晶格失配可调谐量子阱激光器外延芯片的制作方法，包括如下步骤：

步骤1：选择一InP衬底；

步骤2：在该衬底上依次沉积InP缓冲层、下波导层、下限制层、量子阱层、上限制层、上波导层和InP盖层；

步骤3：在InP盖层上外延Zn扩散缓冲层；

步骤4：在Zn扩散缓冲层上外延Zn掺杂InP上包层、梯度层及InGaAs接触层，完成制备。

2.根据权利要求1所述的大晶格失配可调谐量子阱激光器外延芯片的制作方法，其中量子阱层为交替生长的势垒层和阱层，其层数为1-10，其材料为In_xGa_1-xAs，其中In组分介于50％至100％，其生长温度介于450℃至650℃之间。

3.根据权利要求1所述的大晶格失配可调谐量子阱激光器外延芯片的制作方法，其中下波导层和上波导层的材料为InGaAsP或In(Al)GaAs，该下波导层和上波导层的厚度介于50-500nm之间。

4.根据权利要求1所述的大晶格失配可调谐量子阱激光器外延芯片的制作方法，其中Zn扩散缓冲层为InP材料，厚度介于0-300nm之间，生长温度介于550至650℃之间。

5.根据权利要求1所述的大晶格失配可调谐量子阱激光器外延芯片的制作方法，其中InP上包层厚度介于500-1500nm之间，其掺杂浓度需精确控制，浓度介于5E16至5E18cm^-3之间。

6.根据权利要求1所述的大晶格失配可调谐量子阱激光器外延芯片的制作方法，其中梯度层为InAlGaAs材料或者InGaAsP材料，厚度介于0至100nm之间，其掺杂浓度大于1E17cm^-3。

7.根据权利要求1所述的大晶格失配可调谐量子阱激光器外延芯片的制作方法，其中InGaAs接触层的掺杂浓度大于5E18cm^-3，生长温度低于650℃。