CN1372360A - 1.3微米InGaAs/GaAs自组织量子点激光器材料及生长该材料的方法 - Google Patents
1.3微米InGaAs/GaAs自组织量子点激光器材料及生长该材料的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出了一种InGaAs/GaAs自组织量子点外延层结构,以及实现这一外延结构的分子束外延生长技术。通过精确控制分子束外延生长条件－用单原子层交替生长来控制量子点的组分、外延层厚度、形貌结构等,可以实现室温下1.3微米发光,并显著提高室温下光荧光发光效率。其室温PL谱半峰宽仅为19.2meV,将其应用于1.3微米波段的量子点激光器、探测器等各种光电子器件中,将极大地改善该类器件的性能如:降低其激光器阈值电流、增强探测器灵敏度等。
Description
本发明涉及光通信技术领域中一种红外波段长半导体量子点激光器材料及外延生长方法，特别涉及能够提高1.3微米InGaAs/GaAs自组织量子点激光器材料发光性能的分子束外延生长方法。
1.3微米波长半导体激光器是光纤通讯系统中光并行传输、识别和互连处理等有着广泛用途的重要光源器件。目前普遍使用的商用InGaAsP/InP激光器，但由于InGaAsP和InP的折射率差异甚小，对有源区载流子的限制不足，导致激光器对温度相当敏感，该类激光器最大特征温度也仅在60至70K之间，同时使InGaAsP/InP垂直腔面发射激光器的制备非常困难。自从发现In(Ga)As/GaAs自组织量子点激光器具有长波长发光特性以来，1.3微米波段发光的InGaAs/GaAs自组织量子点材料成为GaAs基半导体长波长激光器的有用结构，其工艺技术较便宜。同时可使用对有源区载流子限制更强的AlGaAs作为包裹层和波导层，使器件结构设计更灵活。同时与GaAs基微电子器件工艺相兼容，简化垂直腔面发射激光器的制备工艺。
In(Ga)As/GaAs量子点体系因其独特、优越的光电性质，成为替代目前InP基材料，制备长波长激光器的热门材料之一。实验证明1微米量子点激光器实现室温连续激射，其特征温度达530K，阈值电流密度降至62A/cm2。通过对量子点激光器和量子点制备方法进行检索，我们发现有三个美国专利对1.3um量子点激光器的研究产生直接影响。专利US5260957：量子点激光器，该专利由于申请得较早，对激光器结构考虑得过于简单，与目前普遍实现的量子点激光器结构差异较大。专利US5614435：Quantum dot fabrication process using strained epitaxialgrowth。该专利保护的生长方法所得到的量子点直径介于14至30nm之间，而用于1.3um激光器的量子点直径普遍都在40nm以上。专利US5953356：Intersubband quantum box semiconductor laser。目前1.3um量子点激光器的跃迁机制并不只子带间跃迁这一种，子带间跃迁并不是出现1.3um波长的主要原因。
尽管量子点激光器在结构上有多种差别，但有源区量子点材料的发光效率是直接限制激光器性能的核心部分。如何提高量子点材料的发光性能是目前人们追求的基本目标之一。而表征量子点材料发光效率高低的最主要的直接测试手段是室温下光荧光(PL)谱的半高宽(FWHM)。目前1.3微米波段发光的量子点其PL谱的半高宽FWHM一般均在22meV-30meV，如D.L.Huffaker等人的结果为31meV(Appl.Phys.Lett.73卷，2564页，1998年)；R.Murray等人的结果为24meV(Jpn.J.Appl.Phys.38卷，528页，1999年)等等。如何提高量子点材料的发光效率成为制备出高性能量子点激光器的首要条件。
本发明的目的是提出一种1.3微米InGaAs/GaAs自组织量子点激光器材料外延层结构及生长这种结构的分子束外延技术参数，可以极大地改善1.3微米波段量子点材料的发光效率即大幅度减小室温下PL谱的半高宽值。
为实现上述目的，本发明的第一方面是一种1.3微米InGaAs/GaAs自组织量子点材料的外延层结构：
第一层为GaAs过渡层；
第二层为In0.5Ga0.5As量子点结构；
第三层为AlAs间隔层；
第四层为In0.2Ga0.2As的应力减小层；
第五层为GaAs表面保护层。
本发明的第二方面是上述1.3微米InGaAs/GaAs自组织量子点材料的分子束外延生长方法：
第一层：首先在GaAs(001)衬底上生长GaAs过渡层，过渡层的厚度为300-500nm，温度为600-610℃，然后停顿20-40秒。
第二层：在GaAs过渡层上继续生长In0.5Ga0.5As量子点结构。首先生长InAs层，厚度为0.7-1.5ML，温度为480-510℃，生长停顿10-20秒。然后生长GaAs层，厚度为0.7-1.5ML，温度为480-510℃，停顿20-40秒。以上过程循环16次左右以形成厚度为14-17ML的In0.5Ga0.5As量子点层。
第三层：在In0.5Ga0.5As量子点上生长AlAs间隔层，厚度为2-4ML，温度为480-510℃，停顿20-40秒。
第四层：在AlAs间隔层上生长In0.2Ga0.2As的应力减小层，厚度为3-5nm，温度为480-510℃，停顿20-40秒；
第五层：在应力减小层上生长GaAs表面保护层，厚度为20-40nm，温度为480-510℃。
本发明的第三个方面是采用上述的量子点材料的外延层结构和及其分子束外延方法而提出的一种1.3微米自组织量子点激光器材料，包括：
第一层为GaAs过渡层
第二层为Al0.4Ga0.6As波导层
第三层为ALGaAs过渡层
第四层为Al0.3Ga0.7As/GaAs超晶格层
第五层为GaAs过渡层
第六层为1.3微米自组织InGaAs量子点材料层
第七层为GaAs过渡层
第八层为Al0.3Ga0.7As/GaAs超晶格层
第九层为ALGaAs过渡层
第十层为Al0.4Ga0.6As波导层
第十一层为GaAs覆盖层
本发明的第四方面是一种1.3微米InGaAs/GaAs自组织量子点激光器材料的生长方法，包括：
在GaAs衬底上形成GaAs过渡层，掺杂Si元素至浓度为3-5E18cm3，厚度为300-500nm，生长温度为600-610℃，，生长停顿20-40秒。
在GaAs过渡层上生长Al0.4Ga0.6As波导层，掺杂Si元素至浓度为1-3E18cm3，，厚度为1400-1600nm，生长温度为600-610℃，，生长停顿20-40妙。
在Al0.4Ga0.6As波导层上生长AlGaAs过渡层，Al组分从40％-30％，线性减小，厚度为120-150nm，生长温度为600-610℃。
在AlGaAs过渡层上生长Al0.3Ga0.7As/GaAs超晶格层，周期为3nm，共20个周期，生长温度为600-610℃。停顿20-40秒。
在Al0.3Ga0.7As/GaAs超晶格层上生长GaAs过渡层，厚度为20-40nm，停顿20-40秒，降低温度至470-510℃。
在GaAs过渡层上完全按照权利要求5所述的方法生长In0.5Ga0.5As/GaAs量子点核心层。
在此核心层上生长GaAs过渡层，厚度为20-40nm。温度470-510℃。停顿40秒，温度升至600-610℃。
在GaAs过渡层上生长Al0.3Ga0.7As/GaAs超晶格层，周期为3nm，共20个周期，生长温度为600-610℃。停顿20-40秒。
在Al0.3Ga0.7As/GaAs超晶格层是生长AlGaAs过渡层，Al组分从30％-40％，线性增加，厚度为120-150nm，生长温度为600-610℃。
在AlGaAs过渡层上生长Al0.4Ga0.6As波导层，掺杂Be元素至浓度为1-3E18cm3，，厚度为1400-1600nm，生长温度为600-610℃，停顿20-40妙。
在Al0.4Ga0.6As波导层上生长GaAs接触层，掺杂Be元素至浓度为1-2E19cm3，厚度为1400-1600nm，生长温度为600-610℃。
采用本发明设计的自组织量子点材料的外延层结构和分子束外延生长技术参数，可以实现InGaAs/GaAs自组织量子点材料室温下的1.3微米波段的发光。其室温PL谱半峰宽仅为19.2meV，而且激发态的发光峰清晰可辨，证明这种结构具有强的载流子量子限制作用。用这种生长方法的可以得到较高发光效率的量子点材料，将其应用于1.3微米波段的量子点激光器、探测器等各种光电子器件中，将极大地改善该类器件的性能如：降低其激光器阈值电流、增强探测器灵敏度等。
图1是量子点材料核心外延层结构图。
图2是室温下量子点PL谱。
图3是量子点原子力显微镜表面形貌图。
图4是室温下变激发功率量子点PL谱。
表一是量子点核心结构的分子束外延生长技术参数。
表二是1.3微米自组织量子点激光器结构及分子束外延生长参数。
下面结合所附图表详述本发明。
图1和表一所示为本发明的核心思想：即提出了一种InGaAs/GaAs自组织量子点外延层结构，以及实现这一外延结构的分子束外延生长技术。通过精确控制分子束外延生长条件—用单原子层交替生长来控制量子点的组分、外延层厚度、形貌结构等，可以实现室温下1.3微米发光，并显著提高室温下光荧光发光效率。
图2所示为室温下PL谱，其半高宽FWHM仅为19.2meV。
图3所示为量子点表面形貌的原子力显微镜图象。这种自组织量子点与普通的自组织量子点不同之处在于其形貌沿[-110]方向拉长，表明量子点内部的外延层间的应力沿此方向得到部分释放，减小可能在存在的晶格缺陷，从而提高量子点的发光效率。
图4所示为室温下PL谱随激发光功率的变化情况，随激发功率的增加，分辨出量子点的激发态发光峰。证明这种结构对载流子很强的限制作用。
表二所示为基于本发明所提出的1.3微米InGaAs/GaAs自组织量子点材料和分子束外延生长方法，而构建的1.3微米量子点激光器材料以及这种激光器的分子束外延生长方法。
通过阅读表1和表2，可以详细了解本发明的结构和制作方法。
如表1所示，第一层生长GaAs过渡层，厚度为300-500nm。生长温度600-610℃。生长速率为0.2-0.4单原子层/秒。然后生长停顿时间为20-40秒。降低生长温度至480-510℃。
第二层生长In0.5Ga0.5As量子点层。在480-510℃的生长温度下，用0.1-0.2单原子层/秒的生长速率生长0.7-1.5单原子层的InAs，然后停顿20-40秒，接着以同样的速率生长同样厚度的GaAs层。停顿20-40秒后，再以同样的速率生长同样厚度InAs层，如此循环多次直到该InAs/GaAs周期结构厚度达到14-16单原子层为止，这样就形成In0.5Ga0.5As量子点。
第三层生长AlAs隔离层。生长温度480-510℃，厚度为2-4ML，生长速率0.1-0.2单原子层/秒。停顿20-40秒。
第四层生长In0.2Ga0.2As应力间隔层。生长温度480-510℃，厚度为3-5nm。生长速率0.1-0.2单原子层/秒。停顿20-40秒。
第五层生长GaAs覆盖层。生长温度480-510℃，厚度为20-40nm。生长速率0.1-0.2单原子层/秒。
表1
如表2所示，第一层生长GaAs过渡层，掺杂Si元素使之成为N型，浓度为3-5E18cm3，厚度为300-500纳米，生长温度600-610℃，生长速率为0.2-0.4单原子层/秒。然后生长停顿时间为20-40秒。
第二层生长Al0.4Ga0.6As波导层，掺杂Si元素使之成为N型，浓度为1-3E18cm3，厚度为1400-1600nm。生长温度600-610℃，生长速率为0.2-0.4单原子层/秒。然后生长停顿时间为20-40秒。
第三层生长AlGaAs层，其中Al的组分从40％-30％线性减小，厚度为120-150nm。生长温度600-610℃，生长速率为0.2-0.4单原子层/秒。然后生长停顿时间为20-40秒。
第四层生长AlGaAs/GaAs的超晶格层，周期为3nm，共20个周期。生长温度600-610℃，生长速率为0.2-0.4单原子层/秒。然后生长停顿时间为20-40秒。
第五层生长GaAs过渡层厚度为20-40nm。生长温度600-610℃，生长速率为0.2-0.4单原子层/秒。然后生长停顿时间为20-40秒。把生长温度降至480-510℃。
第六层生长In0.5Ga0.5As量子点材料厚度为16ML。生长条件参数同表一文字说明一致。停顿20-40秒。把生长温度升至600-610℃。
第七层生长GaAs过渡层厚度为20-40nm。生长温度600-610℃，生长速率为0.2-0.4单原子层/秒。然后生长停顿时间为20-40秒。
第八层生长Al0.3Ga0.7As/GaAs超晶格层，周期为3m，共20个周期。生长温度600-610℃，生长速率为0.2-0.4单原子层/秒。然后生长停顿时间为20-40秒。
第九层生长AlGaAs过渡层，其中Al组分从30％-40％线性增加，厚度为120-150nm。生长温度600-610℃，生长速率为0.2-0.4单原子层/秒。然后生长停顿时间为20-40秒。
第十层生长Al0.4Ga0.6As波导层，掺杂Be元素使之成为P型，浓度为1-3E18cm3，厚度为1400-1600nm。生长温度600-610℃，生长速率为0.2-0.4单原子层/秒。然后生长停顿时间为20-40秒。
第十一层生长GaAs接触层，掺杂Be元素使之成为P型，浓度为1-2E19cm3，厚度为300-500nm。生长温度600-610℃，生长速率为0.2-0.4单原子层/秒。
表2
Claims (20)
1.一种分子束外延生长的1.3微米InGaAs/GaAs自组织量子点材料外延层结构设计，其特征在于包括：
第一层为GaAs过渡层；
第二层为In0.5Ga0.5As量子点结构；
第三层为AlAs间隔层；
第四层为In0.2Ga0.2As的应力减小层；
第五层为GaAs表面保护层。
2.按权利要求1所述的量子点材料，其特征在于所述的GaAs过渡层的厚度为300-500纳米。
3.按权利要求1所述的量子点材料，其特征在于所述第二层为16个单原子层。
4.按权利要求1所述的量子点材料，其特征在于所述第三层为3个单原子层。
5.一种1.3微米InGaAs/GaAs自组织量子点材料的生长方法，其特征在于包括：
在GaAs衬底上形成GaAs过渡层，厚度为300-500nm，生长温度为600-610℃，然后停顿20-40秒，同时降低温度480-510℃；
在GaAs过渡层上生长形成In0.5Ga0.5As量子点结构，厚度为14-17ML。首先形成InAs层，厚度为0.7-1.5ML，温度为480-510℃，停顿10-20秒，然后生长GaAs层，厚度为0.7-1.5ML，温度为480-510℃，停顿20-40秒；按以上过程循环多次，直至达到总厚度14-17ML为止。
在In0.5Ga0.5As量子点结构上形成AlAs间隔层，厚度为2-4ML，温度为480-510℃，生长停顿20-40秒。
在AlAs间隔层上形成In0.2Ga0.2As的应力减小层，厚度为3-5nm，温度为480-510℃，生长停顿20-40秒；
在应力减小层上形成GaAs表面保护层，厚度为20-40nm，温度为480-510℃。
6.按权利要求5所述的方法，其特征在于层厚为14-17ML的In0.5Ga0.5As量子点结构的生长采用单原子GaAs层和单原子InAs层循环多次的方法。
7.一种1.3微米InGaAs/GaAs自组织量子点激光器材料外延层结构设计，其特征在于包括：
第一层为GaAs过渡层
第二层为Al0.4Ga0.6As波导层
第三层为ALGaAs过渡层
第四层为Al0.3Ga0.7As/GaAs超晶格层
第五层为GaAs过渡层
第六层为1.3微米自组织InGaAs量子点材料层
第七层为GaAs过渡层
第八层为Al0.3Ga0.7As/GaAs超晶格层
第九层为ALGaAs过渡层
第十层为Al0.4Ga0.6As波导层
第十一层为GaAs覆盖层
8.按权利要求7所述的量子点激光器材料，其特征在于所述的GaAs过渡层掺杂Si元素使之成为N型，浓度为3-5 E 18cm3，厚度为300-500纳米
9.按权利要求7所述的量子点激光器材料，其特征在于所述的Al0.4Ga0.6As波导层掺杂Si元素使之成为N型，浓度为1-3E18cm3，厚度为1400-1600nm。
10.按权利要求7所述的量子点激光器材料，其特征在于所述的AlGaAs中Al的组分从40％-30％线性减小，厚度为120-150nm。
11.按权利要求7所述的量子点激光器材料，其特征在于所述的AlGaAs/GaAs的超晶格层的周期为3nm，共20个周期，。
12.按权利要求7所述的量子点激光器材料，其特征在于所述的GaAs过渡层厚度为20-40nm。
13.按权利要求7所述的量子点激光器材料，其特征在于所述的In0.5Ga0.5As量子点材料厚度为16ML。
14.按权利要求7所述的量子点激光器材料，其特征在于所述的GaAs过渡层厚度为20-40nm。
15.按权利要求7所述的量子点激光器材料，其特征在于所述的Al0.3Ga0.7As/GaAs超晶格层的周期为3nm，共20个周期，。
16.按权利要求7所述的量子点激光器材料，其特征在于所述的AlGaAs过渡层中，Al组分从30％-40％线性增加，厚度为120-150nm。
17.按权利要求7所述的量子点激光器材料，其特征在于所述的Al0.4Ga0.6As波导层掺杂Be元素使之成为P型，浓度为1-3E18cm3，厚度为1400-1600nm。
18.按权利要求7所述的量子点激光器材料，其特征在于所述的GaAs接触层掺杂Be元素使之成为P型，浓度为1-2E19cm3，厚度为300-500nm。
19.一种1.3微米InGaAs/GaAs自组织量子点激光器材料的生长方法，其特征在于包括：
在GaAs衬底上形成GaAs过渡层，掺杂Si元素至浓度为3-5E18cm3，厚度为300-500nm，生长温度为600-610℃，生长停顿20-40秒；
在GaAs过渡层上生长Al0.4Ga0.6As波导层，掺杂Si元素至浓度为1-3E18cm3，厚度为1400-1600nm，生长温度为600-610℃，生长停顿20-40妙；
在Al0.4Ga0.6As波导层上生长AlGaAs过渡层，Al组分从40％-30％，线性减小，厚度为120-150nm，生长温度为600-610℃；
在AlGaAs过渡层上生长Al0.3Ga0.7As/GaAs超晶格层，周期为3nm，共20个周期，生长温度为600-610℃。停顿20-40秒；
在Al0.3Ga0.7As/GaAs超晶格层上生长GaAs过渡层，厚度为20-40nm，停顿20-40秒，降低温度至470-510℃；
在GaAs过渡层上完全按照权利要求5所述的方法生长In0.5Ga0.5As/GaAs量子点核心层；
在此核心层上生长GaAs过渡层，厚度为20-40nm，温度470-510℃，停顿40秒，温度升至600-610℃；
在GaAs过渡层上生长Al0.3Ga0.7As/GaAs超晶格层，周期为3nm，共20个周期，生长温度为600-610℃，停顿20-40秒；
在Al0.3Ga0.7As/GaAs超晶格层是生长AlGaAs过渡层，Al组分从30％-40％，线性增加，厚度为120-150nm，生长温度为600-610℃；
在AlGaAs过渡层上生长Al0.4Ga0.6As波导层，掺杂Be元素至浓度为1-3E18cm3，厚度为1400-1600nm，生长温度为600-610℃，停顿20-40妙；
在Al0.4Ga0.6As波导层上生长GaAs接触层，掺杂Be元素至浓度为1-2E19cm3，厚度为1400-1600nm，生长温度为600-610℃。
20.按权利要求19所述量子点激光器材料，其特征在于所述的量子点激光器材料核心层完全采用权利要求5所述的生长方法，该核心层共计循环3次。
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