CN111342345B - 一种GaAs基量子点激光器的制备方法 - Google Patents

一种GaAs基量子点激光器的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种GaAs基量子点激光器的制备方法，通过三次生长N波导层，生长第二N波导层时相对生长第一N波导层的Ga通入量提高，而生长第三N波导层时相对第二N波导层时降低，通过三次生长P波导层，生长第二P波导层时相对生长第一P波导层的Ga通入量提高，而生长第三P波导层时相对第二P波导层时降低，实现了在量子点有源区下方生长三层不同流量的GaInP的应力缓冲层，在量子点有源区上方生长三层不同流量的GaInP的应力缓冲层，减低限制性生长所带来的应力，为量子点的形成提供最佳生长条件，有利于量子点的形成和聚集密度，并且通过应力释放，提高提高激光器功率，降低阈值电流，提高量子点质量。

Description

一种GaAs基量子点激光器的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，具体涉及一种GaAs基量子点激光器的制备方法。
背景技术
量子点是一种重要的低维半导体材料，其三个维度上的尺寸都不大于其对应的半导体材料的激子玻尔半径的两倍。量子点一般为球形或类球形，其直径常在2-20nm之间。常见的量子点由IV、II-VI，IV-VI或III-V元素组成。具体的例子有硅量子点、锗量子点、硫化镉量子点、硒化镉量子点、碲化镉量子点、硒化锌量子点、硫化铅量子点、硒化铅量子点、磷化铟量子点和砷化铟量子点等。
量子点是把导带电子、价带空穴及激子在三个空间方向上束缚住的半导体纳米结构。量子点，电子运动在三维空间都受到了限制，因此有时被称为“人造原子”、“超晶格”、“超原子”或“量子点原子”，是20世纪90年代提出来的一个新概念。这种约束可以归结于静电势(由外部的电极，掺杂，应变，杂质产生)，两种不同半导体材料的界面(例如：在自组装量子点中)，半导体的表面(例如：半导体纳米晶体)，或者以上三者的结合。量子点具有分离的量子化的能谱。所对应的波函数在空间上位于量子点中，但延伸于数个晶格周期中。一个量子点具有少量的(1-100个)整数个的电子、空穴或空穴电子对，即其所带的电量是元电荷的整数倍。
量子点中载流子在材料中的运动受到三维限制，也就是说电子的能量在三个维度上都是量子化的。量子点具有类似于原子的分立能级，这使它的性质远比量子阱和量子线更为独特，各种量子化效应诸如量子尺寸效应、量子干涉效应、量子隧穿效应和库仑阻塞效应等更加显著。这些效应直接影响量子点的电子结构、输运和光学等各种物理性质，在新一代的量子器件中具有十分诱人的应用前景。如果量子点的最低两个分立量子能级的能量差大于几倍的kT(室温约26meV)，那么就不会出现增益函数的热依赖特性，因此也不存在激光发射波长的热依赖特性，从而表现出极好的温度稳定性，不会导致由激光器随工作温度升高而造成的性能退化。这种具有类原子的态密度函数分布的量子点激光器具有比量子阱、量子线激光器更加优异的性能，如超低阈值电流密度、极高的阈值、电流密度温度稳定性、超高微分增益和极高的调制带宽等。
发明内容
本发明为了针对现有量子阱半导体激光器阈值较高，功率低等问题，提供了一种阀值较低、功率稳定的GaAs基量子点激光器的制备方法。
本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：
一种GaAs基量子点激光器的制备方法，包括：
a)将GaAs衬底放入MOCVD设备的反应室中，在300-800℃的温度下生长一层GaAs缓冲层；
b)在400-800℃的温度下于GaAs缓冲层上方生长一层N限制层；
c)在650-800℃的温度下于N限制层上生长材料为不掺杂的GaInP的第一N波导层，其中Ga的通入流量为12.5sccm-25sccm；
d)保持650-800℃的温度，于第一N波导层上生长材料为不掺杂的GaInP的第二N波导层，其中Ga的通入流量为25sccm-37.5sccm；
e)保持650-800℃的温度，于第二N波导层上生长材料为不掺杂的GaInP的第三N波导层，其中Ga的通入流量为12.5sccm-25sccm；
f)在400-600℃的温度下于第三N波导层上生长量子点有源区；
g)在400-800℃的温度下于量子点有源区上生长材料为不掺杂的GaInP的第一P波导层，其中Ga的通入流量为12.5sccm-25sccm；
h)保持400-800℃的温度于第一P波导层上生长材料为不掺杂的GaInP的第二P波导层，其中Ga的通入流量为25sccm-37.5sccm；
i)保持400-800℃的温度于第二P波导层上生长材料为不掺杂的GaInP的第三P波导层，其中Ga的通入流量为12.5sccm-25sccm；
j)在400-800℃的温度下于第三P波导层上生长P限制层；
k)在400-830℃的温度下于P限制层上生长GaInP腐蚀阻挡层；
l)反应室中通入TMGa和AsH3在530-570℃的温度下于P限制层上生长GaAs接触层。
优选的，步骤a)中GaAs缓冲层的厚度为0.1-0.5um，生长GaAs缓冲层时的掺杂源为Si2H6，生长GaAs缓冲层时的载流子浓度为1E17cm3-5E18cm3。
优选的，步骤b)中N限制层采用AlxGa1-xInP材料制作，其中0.1≤x≤0.6，生长N限制层的掺杂源为Si2H6，生长N限制层时的载流子浓度为5E17cm3-5E18cm3。
优选的，步骤c)中第一N波导层的厚度为0.1-0.2um，步骤d)中第二N波导层的厚度为0.1-0.2um，步骤e)中第三N波导层的厚度为0.1-0.2um。
优选的，步骤f)中量子点有源区的厚度为0.05-0.5um，生长量子点有源区的材料为In1-xGaxAs或GaAs，其中0.01≤x≤0.5。
优选的，步骤g)中第一P波导层的厚度为0.1-0.2um，步骤h)中第二P波导层的厚度为0.1-0.2um，步骤i)中第三P波导层的厚度为0.1-0.2um。
优选的，步骤j)中P限制层采用AlxGa1-xInP材料制作，其中0.1≤x≤0.6，生长P限制层的掺杂源为DEZn或CBr4，生长P限制层时的载流子浓度为5E17cm3-5E18cm3。
优选的，步骤k)中GaInP腐蚀阻挡层厚度为3-10um，生长GaInP腐蚀阻挡层时的载流子浓度为5E17cm3-5E18cm3。
优选的，步骤l)中生长GaAs接触层的掺杂源为DEZn或CBr4。
本发明的有益效果是：通过三次生长N波导层，生长第二N波导层时相对生长第一N波导层的Ga通入量提高，而生长第三N波导层时相对第二N波导层时降低，通过三次生长P波导层，生长第二P波导层时相对生长第一P波导层的Ga通入量提高，而生长第三P波导层时相对第二P波导层时降低，实现了在量子点有源区下方生长三层不同流量的GaInP的应力缓冲层，在量子点有源区上方生长三层不同流量的GaInP的应力缓冲层，减低限制性生长所带来的应力，为量子点的形成提供最佳生长条件，有利于量子点的形成和聚集密度，并且通过应力释放，提高提高激光器功率，降低阈值电流，提高量子点质量。
具体实施方式
下面对本发明做进一步说明。
一种GaAs基量子点激光器的制备方法，包括：
a)将GaAs衬底放入MOCVD设备的反应室中，在300-800℃的温度下生长一层GaAs缓冲层；
b)在400-800℃的温度下于GaAs缓冲层上方生长一层N限制层；
c)在650-800℃的温度下于N限制层上生长材料为不掺杂的GaInP的第一N波导层，其中Ga的通入流量为12.5sccm-25sccm；
d)保持650-800℃的温度，于第一N波导层上生长材料为不掺杂的GaInP的第二N波导层，其中Ga的通入流量为25sccm-37.5sccm；
e)保持650-800℃的温度，于第二N波导层上生长材料为不掺杂的GaInP的第三N波导层，其中Ga的通入流量为12.5sccm-25sccm；
f)在400-600℃的温度下于第三N波导层上生长量子点有源区；
g)在400-800℃的温度下于量子点有源区上生长材料为不掺杂的GaInP的第一P波导层，其中Ga的通入流量为12.5sccm-25sccm；
h)保持400-800℃的温度于第一P波导层上生长材料为不掺杂的GaInP的第二P波导层，其中Ga的通入流量为25sccm-37.5sccm；
i)保持400-800℃的温度于第二P波导层上生长材料为不掺杂的GaInP的第三P波导层，其中Ga的通入流量为12.5sccm-25sccm；
j)在400-800℃的温度下于第三P波导层上生长P限制层；
k)在400-830℃的温度下于P限制层上生长GaInP腐蚀阻挡层；
l)反应室中通入TMGa和AsH3在530-570℃的温度下于P限制层上生长GaAs接触层。
通过三次生长N波导层，生长第二N波导层时相对生长第一N波导层的Ga通入量提高，而生长第三N波导层时相对第二N波导层时降低，通过三次生长P波导层，生长第二P波导层时相对生长第一P波导层的Ga通入量提高，而生长第三P波导层时相对第二P波导层时降低，实现了在量子点有源区下方生长三层不同流量的GaInP的应力缓冲层，在量子点有源区上方生长三层不同流量的GaInP的应力缓冲层，减低限制性生长所带来的应力，为量子点的形成提供最佳生长条件，有利于量子点的形成和聚集密度，并且通过应力释放，提高提高激光器功率，降低阈值电流，提高量子点质量。
实施例1：
步骤a)中GaAs缓冲层的厚度为0.1-0.5um，生长GaAs缓冲层时的掺杂源为Si2H6，生长GaAs缓冲层时的载流子浓度为1E17cm3-5E18cm3。
实施例2：
步骤b)中N限制层采用AlxGa1-xInP材料制作，其中0.1≤x≤0.6，通过优化x的取值范围提高量子点有源区的性能，生长N限制层的掺杂源为Si2H6，生长N限制层时的载流子浓度为5E17cm3-5E18cm3。
实施例3：
步骤c)中第一N波导层的厚度为0.1-0.2um，步骤d)中第二N波导层的厚度为0.1-0.2um，步骤e)中第三N波导层的厚度为0.1-0.2um。
实施例4：
步骤f)中量子点有源区的厚度为0.05-0.5um，生长量子点有源区的材料为In1- xGaxAs或GaAs，其中0.01≤x≤0.5，通过优化x的取值范围提高量子点有源区的性能。
实施例5：
步骤g)中第一P波导层的厚度为0.1-0.2um，步骤h)中第二P波导层的厚度为0.1-0.2um，步骤i)中第三P波导层的厚度为0.1-0.2um。
实施例6：
步骤j)中P限制层采用AlxGa1-xInP材料制作，其中0.1≤x≤0.6，通过优化x的取值范围提高量子点有源区的性能，生长P限制层的掺杂源为DEZn或CBr4，生长P限制层时的载流子浓度为5E17cm3-5E18cm3。
实施例7：
步骤k)中GaInP腐蚀阻挡层厚度为3-10um，生长GaInP腐蚀阻挡层时的载流子浓度为5E17cm3-5E18cm3。
实施例8：
步骤l)中生长GaAs接触层的掺杂源为DEZn或CBr4。

Claims (9)

1.一种GaAs基量子点激光器的制备方法，其特征在于，包括：
a)将GaAs衬底放入MOCVD设备的反应室中，在300-800℃的温度下生长一层GaAs缓冲层；
b)在400-800℃的温度下于GaAs缓冲层上方生长一层N限制层；
c)在650-800℃的温度下于N限制层上生长材料为不掺杂的GaInP的第一N波导层，其中Ga的通入流量为12.5sccm-25sccm；
d)保持650-800℃的温度，于第一N波导层上生长材料为不掺杂的GaInP的第二N波导层，其中Ga的通入流量为25sccm-37.5sccm；
e)保持650-800℃的温度，于第二N波导层上生长材料为不掺杂的GaInP的第三N波导层，其中Ga的通入流量为12.5sccm-25sccm；
f)在400-600℃的温度下于第三N波导层上生长量子点有源区；
g)在400-800℃的温度下于量子点有源区上生长材料为不掺杂的GaInP的第一P波导层，其中Ga的通入流量为12.5sccm-25sccm；
h)保持400-800℃的温度于第一P波导层上生长材料为不掺杂的GaInP的第二P波导层，其中Ga的通入流量为25sccm-37.5sccm；
i)保持400-800℃的温度于第二P波导层上生长材料为不掺杂的GaInP的第三P波导层，其中Ga的通入流量为12.5sccm-25sccm；
j)在400-800℃的温度下于第三P波导层上生长P限制层；
k)在400-830℃的温度下于P限制层上生长GaInP腐蚀阻挡层；
l)反应室中通入TMGa和AsH3在530-570℃的温度下于P限制层上生长GaAs接触层。
2.根据权利要求1所述的GaAs基量子点激光器的制备方法，其特征在于：步骤a)中GaAs缓冲层的厚度为0.1-0.5um，生长GaAs缓冲层时的掺杂源为Si2H6，生长GaAs缓冲层时的载流子浓度为1E17cm3-5E18cm3。
3.根据权利要求1所述的GaAs基量子点激光器的制备方法，其特征在于：步骤b)中N限制层采用AlxGa1-xInP材料制作，其中0.1≤x≤0.6，生长N限制层的掺杂源为Si2H6，生长N限制层时的载流子浓度为5E17cm3-5E18cm3。
4.根据权利要求1所述的GaAs基量子点激光器的制备方法，其特征在于：步骤c)中第一N波导层的厚度为0.1-0.2um，步骤d)中第二N波导层的厚度为0.1-0.2um，步骤e)中第三N波导层的厚度为0.1-0.2um。
5.根据权利要求1所述的GaAs基量子点激光器的制备方法，其特征在于：步骤f)中量子点有源区的厚度为0.05-0.5um，生长量子点有源区的材料为In1-xGaxAs或GaAs，其中0.01≤x≤0.5。
6.根据权利要求1所述的GaAs基量子点激光器的制备方法，其特征在于：步骤g)中第一P波导层的厚度为0.1-0.2um，步骤h)中第二P波导层的厚度为0.1-0.2um，步骤i)中第三P波导层的厚度为0.1-0.2um。
7.根据权利要求1所述的GaAs基量子点激光器的制备方法，其特征在于：步骤j)中P限制层采用AlxGa1-xInP材料制作，其中0.1≤x≤0.6，生长P限制层的掺杂源为DEZn或CBr4，生长P限制层时的载流子浓度为5E17cm3-5E18cm3。
8.根据权利要求1所述的GaAs基量子点激光器的制备方法，其特征在于：步骤k)中GaInP腐蚀阻挡层厚度为3-10um，生长GaInP腐蚀阻挡层时的载流子浓度为5E17cm3-5E18cm3。
9.根据权利要求1所述的GaAs基量子点激光器的制备方法，其特征在于：步骤l)中生长GaAs接触层的掺杂源为DEZn或CBr4。
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