CN1786107A - 1.3微米高密度量子点结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种1.3微米高密度量子点结构，其特征在于，包括：一砷化镓过渡层；一第一砷化镓势垒层，该第一砷化镓势垒层制作在砷化镓过渡层上；一砷化铟自组织量子点，该砷化铟自组织量子点制作在第一砷化镓势垒层上；一铟镓砷覆盖层，该铟镓砷覆盖层制作在砷化铟自组织量子点上；一第二砷化镓势垒层，该第二砷化镓势垒层制作在铟镓砷覆盖层上；一砷化镓覆盖层，该砷化镓覆盖层制作在第二砷化镓势垒层上。

Description

1.3微米高密度量子点结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种新型发光波长在1.3微米波段的砷化铟(InAs)/砷化镓(GaAs)高密度自组织量子点结构及外延生长技术，以及采用这种量子点作为有源层的1.3微米边发射激光器结构及其分子束外延生长技术。
背景技术
1.3微米半导体激光器是光纤通讯系统中广泛应用的关键光器件。目前商用产品是铟镓砷磷(InGaAsP)/磷化铟(InP)激光器，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，导致激光器温度稳定性不好，最大特征温度仅70K左右。同时用InGaAsP/InP材料难以制备垂直腔面发射类型的激光器。因此研究新型GaAs基近红外发光材料是目前光电子研发领域的重要课题。自发现InAs/GaAs自组织量子点具有长波长发光特性以来，1.3微米InAs/GaAs自组织量子点材料成为开发GaAs基半导体长波长激光器重要研究热点。其优越性在于：量子点体系独有的量子限制效应大幅度提高器件的温度特性、降低功耗，同时可使用对有源区载流子限制更强的铝镓砷(AlGaAs)作为包裹层和波导层，使器件结构设计更灵活。还与GaAs基微电子器件工艺相兼容，易于制备垂直腔面发射激光器。2003年7月，S.Oktyabrsky的研究小组的实验证明1.22微米波长的量子点激光器实现室温连续激射，其特征温度达380K。远远超过目前各类激光器的最高值。
目前如何获得即具有高密度(高发光效率和强度)、同时又能拓展其发光波长至1.3微米波段的量子点材料是制备激光器、探测器等各种器件的必要前提条件。因此这方面的研究技术是核心技术。通过检索，我们发现三个美国专利和1.3微米量子点生长研究相关。专利US5260957申请较早，其激光器结构过于简单，与目前普遍优化激光器结构差异大。专利US5614435主要保护量子点的生长方法，所得到的量子点直径介于14至30纳米之间，而1.3微米发光的量子点直径普遍在40纳米以上。专利US5953356提出1.3微米量子点发光机制为子带间跃迁，但目前子带间跃迁并不是出现1.3微米波长的主要原因。自组织量子点的外延结构设计和生长多种多样，但量子点发光效率直接决定激光器能否获得室温连续工作模式。在保障无缺陷外延生长的前提下，尽量提高量子点的面密度是获得高强度发光是最根本方法。
发明内容
本发明的目的在于，提出了一种1.3微米InAs/GaAs高密度自组织量子点结构及其分子束外延生长技术，可以大幅度提高量子点密度，改善发光强度，并实现用这种量子点结构作有源层的激光器室温连续激射。本发明分为量子点结构设计和分子束外延生长技术，以及量子点激光器结构设计及分子束外延生长技术。
本发明一种1.3微米高密度量子点结构，其特征在于，包括：
一砷化镓过渡层；
一第一砷化镓势垒层，该第一砷化镓势垒层制作在砷化镓过渡层上；
一砷化铟InAs自组织量子点，该砷化铟自组织量子点制作在第一砷化镓势垒层上；
一铟镓砷InGaAs覆盖层，该铟镓砷覆盖层制作在砷化铟自组织量子点上；
一第二砷化镓势垒层，该第二砷化镓势垒层制作在铟镓砷覆盖层上；
一砷化镓覆盖层，该砷化镓覆盖层制作在第二砷化镓势垒层上。
其中所述的砷化铟量子点层，厚度为2.5个单原子层。
其中所述砷化镓覆盖层的厚度为6纳米，铟组分为15％。
本发明一种1.3微米高密度量子点结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：选择一砷化镓过渡层，然后在砷化镓过渡层上生长第一砷化镓势垒层；
步骤2：在第一砷化镓势垒层上首先采用生长厚度为0.1单原子层的砷化铟、停顿5秒、再循环25次的方法，生长砷化铟量子点；
步骤3：然后在砷化铟量子点上生长铟镓砷覆盖层；
步骤4：在铟镓砷覆盖层上生长第二砷化镓势垒层和砷化镓覆盖层。
本发明一种1.3微米高密度量子点激光器结构，其特征在于，包括：
一砷化镓过渡层；
一铝镓砷过度层，该铝镓砷过度层制作在砷化镓过渡层上；
一铝镓砷波导层，该铝镓砷波导层制作在铝镓砷过度层上；
一第二铝镓砷过度层，该第二铝镓砷过度层制作在铝镓砷波导层上；
一第一砷化镓过渡势垒层，该第一砷化镓过渡势垒层制作在第二铝镓砷过度层上；
一砷化铟量子点层，该砷化铟量子点层制作在第一砷化镓过渡势垒层上；
一铟镓砷覆盖层，该铟镓砷覆盖层制作在砷化铟量子点层上；
一砷化镓势垒层，该砷化镓势垒层制作在铟镓砷覆盖层上；
一第三铝镓砷过渡层，该第三铝镓砷过渡层制作在砷化镓势垒层上；
一第二铝镓砷波导层，该第二铝镓砷波导层制作在第三铝镓砷过渡层上；
一第四铝镓砷过度层，该第四铝镓砷过度层制作在第二铝镓砷波导层上；
一砷化镓接触层，该砷化镓接触层制作在第四铝镓砷过度层上；
一第二砷化镓接触层，该第二砷化镓接触层制作在砷化镓接触层上。
其中所述的从铟镓砷覆盖层到第二砷化镓势垒层可循环N次，N从1-15可变。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1是量子点结构图(层状)；
图2是量子点激光器结构图(层状)；
图3是量子点室温光荧光(PL)谱图，峰值波长(Wavelength)1.33微米；
图4是量子点表面原子力显微镜图，量子点密度约为4.1E+10/cm2。
图5是量子点激光器注入电流(I)-输出功率(P)特性曲线图；
图6是量子点激射谱线图，激射波长1.33微米。
具体实施方式
请参阅图1所示，一种1.3微米高密度量子点结构，包括：
一GaAs过渡层10，该GaAs过渡层的厚度为300纳米；
一第一GaAs势垒层11，该第一GaAs势垒层11制作在GaAs过渡层10上，该第一GaAs势垒层11的厚度为50纳米；
一InAs自组织量子点12，该InAs自组织量子点12制作在第一GaAs势垒层11上，该InAs自组织量子点的厚度为25个单原子层(70.75埃)；
一InGaAs覆盖层13，该InGaAs覆盖层13制作在InAs自组织量子点12上，该InGaAs覆盖层的厚度为6纳米，铟组分为15％；
一第二GaAs势垒层14，该第二GaAs势垒层14制作在InGaAs覆盖层13上，该第二GaAs势垒层的厚度为50纳米；
一GaAs覆盖层15，该GaAs覆盖层15制作在第二GaAs势垒层14上，该GaAs覆盖层的厚度为20纳米。
实施例1
表1：量子点结构及其分子束外延生长技术参数
  层数   外延层名称   厚度   衬底温度(℃)   循环次数
  第六层   GaAs覆盖层   20纳米   580   1
  第五层   第二GaAs势垒层   50纳米   480～580   1
  第四层   In0.15Ga0.85As覆盖层   6纳米   480   1
  第三层(循环层)                  停顿5秒   480   25
  InAs量子点   0.1单原子层   480   25
  第二层   第一GaAs势垒层   50纳米   580～480   1
  第一层   GaAs过渡层   300纳米   580   1
                                  N+GaAs衬底(001)
此表按照量子点结构层状结构，表明每一层的组分、衬底温度(生长温度)、循环次数等。其中第一GaAs势垒层生长温度从580℃到480℃线性降低。生长InAs量子点层采用循环生长方法即：先生长厚度为0.1个单原子层(0.283埃)的InAs，然后停顿5秒，再生长厚度为0.1个单原子层(0.283埃)的InAs，如此循环25次。合计InAs厚度为25个单原子层(70.75埃)。生长温度480℃。第二GaAs势垒层的生长温度为从480到580℃线性增加。
请再参阅图1所示，本发明一种1.3微米高密度量子点结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：选择一GaAs过渡层10，然后在GaAs过渡层上生长第一砷化镓势垒层；
步骤2：在第一GaAs势垒层上首先采用生长厚度为0.1单原子层的InAs、停顿5秒、再循环25次的方法，生长InAs量子点；
步骤3：然后在InAs量子点上生长InGaAs覆盖层；
步骤4：在InGaAs覆盖层上生长第二GaAs势垒层和GaAs覆盖层。
请参阅图2所示，本发明的第二个方面是采用上述量子点结构作一种1.3微米高密度量子点激光器结构，包括：
一GaAs过渡层20，该GaAs过渡层20掺Si(N型)，浓度为3-5E 18cm3，厚度为300纳米；
一第一AlGaAs过度层21，该第一AlGaAs过度层21制作在GaAs过渡层20上；
一第一AlGaAs波导层22，该第一AlGaAs波导层22制作在第一AlGaAs过度层21上，该第一AlGaAs波导层22，掺Si(N型)，厚度为1500纳米；
一第二AlGaAs过度层23，该第二AlGaAs过度层23制作在第一AlGaAs波导层22上，该第二AlGaAs过度层23，Al组分线性减至0，掺Si(N型)，厚度为50纳米；
一第一GaAs过渡势垒层24，该第一GaAs过渡势垒层24制作在第二AlGaAs过度层23上，该第一GaAs过渡势垒层24，厚度50纳米；
一InAs量子点层25，该InAs量子点层25制作在第一GaAs过渡势垒层24上，该InAs量子点层25，厚度2.5个单原子层；
一InGaAs覆盖层26，该InGaAs覆盖层26制作在InAs量子点层25上，该InGaAs覆盖层26，厚度为6纳米；
一第二GaAs势垒层27，该第二GaAs势垒层27制作在InGaAs覆盖层26上；
一第三AlGaAs过渡层28，该第三AlGaAs过渡层28制作在第二GaAs势垒层27上，该第三AlGaAs过渡层28，Al组分从0％-50％线性增加，厚度为50纳米；
一第二AlGaAs波导层29，该第二AlGaAs波导层29制作在第三AlGaAs过渡层28上，该第二AlGaAs波导层29，掺Be(P型)，浓度1-3E+18cm3，厚度1500纳米；
一第四AlGaAs过度层30，该第四AlGaAs过度层30制作在第二AlGaAs波导层29上，该第四AlGaAs过度层30，Al组分从50％-0％线性减小，掺Be(P型)，浓度为1-3E+18cm3，厚度50纳米；
一GaAs接触层31，该GaAs接触层31制作在第四AlGaAs过度层30上，该GaAs接触层31，掺Be(P型)，浓度1-3E+19cm3，厚度150纳米；
一第二GaAs接触层32，该第二GaAs接触层32制作在GaAs接触层31上，该第二GaAs接触层32，掺Be(P型)，浓度3-5E+19cm3，厚度40纳米。
其中所述的从InGaAs覆盖层26到第二GaAs势垒层27可循环N次，N从1-15可变。
其中InAs量子点层25到第二GaAs势垒层27循环3-5次，形成3-5层量子点。
实施例2
表2：1.3微米自组织量子点激光器外延层全结构设计
  层数   外延层名称   厚度(纳米)   掺杂浓度   衬底温度℃   注解
  13   第二GaAs接触层   40   p+3～5E+19   580   掺Be接触
  12   第一GaAs接触层   150   p+1～3E+19   580   掺Be接触
  11   第四AlxGa1-xAs(x＝0.5～0.0)过度层   50   p+1～3E+18   580   Al组分线性变化
  10   第二Al0.5Ga0.5As波导层   1500   p+1～3E+18   580   掺Be波导
  9   第三AlxGa1-xAs(x＝0.0～0.5)过度层   50   580   Al组分线性变化
  8 第二GaAs势垒层   50   第6～8层可循环N次(N＝1～15)   480～580～480480480   势垒
  7   In0.15Ga0.85As覆盖层   6   覆盖
  6 InAs量子点   2.5单原子层   量子点
  5   第一GaAs势垒层   50   580～480   势垒
  4   第二AlxGa1-xAs(x＝0.5～0.0)过度层   50   n+1～3E+18   580   Al组分线性变化
  3   第一Al0.5Ga0.5As波导层   1500   n+1～3E+18   580   掺Si波导
  2   第一AlxGa1-xAs(x＝0.0～0.5)过度层   50   n+1～3E+18   580   Al组分线性变化
  1   GaAs过度层   300   n+3～5E+18   580   掺Si过渡
                N+GaAs(100)衬底   N型衬底
此表按照量子点激光器层状结构，注明每一层的组分、衬底温度(生长温度)、掺杂浓度以及类型(N型或P型)、循环次数等。其中生长InAs量子点层的生长方法即：先生长厚度为0.1个单原子层(0.283埃)的InAs，然后停顿5秒，再生长厚度为0.1个单原子层(0.283埃)的InAs，如此循环25次。合计InAs厚度为25个单原子层(70.75埃)。
其中所述的实施例的1.3微米高密度量子点结构包含在实施例2的1.3微米高密度量子点激光器结构中，该1.3微米高密度量子点结构可以作为核心有源层单独应用在激光器、探测器，以及其它任何涉及工作波长在1.3微米的光电子器件、集成光电子器件中。
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，通过精确控制分子束外延生长条件一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InAs/GaAs自组织量子点材料室温下的1.3微米波段的高强度发光，其室温光荧光谱线如图3所示。量子点面密度达可以到4E+10/cm2。如图4所示。其室温连续激射1.33微米的量子点激光器的注入电流-输出功率(I-P)特性曲线如图5所示，图6为量子点激射谱线，激射波长1.33微米。

Claims (6)

1、一种1.3微米高密度量子点结构，其特征在于，包括：
一砷化镓过渡层；
一第一砷化镓势垒层，该第一砷化镓势垒层制作在砷化镓过渡层上；
一砷化铟自组织量子点，该砷化铟自组织量子点制作在第一砷化镓势垒层上；
一铟镓砷覆盖层，该铟镓砷覆盖层制作在砷化铟自组织量子点上；
一第二砷化镓势垒层，该第二砷化镓势垒层制作在铟镓砷覆盖层上；
一砷化镓覆盖层，该砷化镓覆盖层制作在第二砷化镓势垒层上。
2、按权利要求1所述的1.3微米高密度量子点结构，其特征在于，其中所述的砷化铟量子点层，厚度为2.5个单原子层。
3、按权利要求1所述的1.3微米高密度量子点结构，其特征在于，其中所述砷化镓覆盖层的厚度为6纳米，铟组分为15％。
4、一种1.3微米高密度量子点结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：选择一砷化镓过渡层，然后在砷化镓过渡层上生长第一砷化镓势垒层；
步骤2：在第一砷化镓势垒层上首先采用生长厚度为0.1单原子层的砷化铟、停顿5秒、再循环25次的方法，生长砷化铟量子点；
步骤3：然后在砷化铟量子点上生长铟镓砷覆盖层；
步骤4：在铟镓砷覆盖层上生长第二砷化镓势垒层和砷化镓覆盖层。
5、一种1.3微米高密度量子点激光器结构，其特征在于，包括：
一砷化镓过渡层；
一铝镓砷过度层，该铝镓砷过度层制作在砷化镓过渡层上；
一铝镓砷波导层，该铝镓砷波导层制作在铝镓砷过度层上；
一第二铝镓砷过度层，该第二铝镓砷过度层制作在铝镓砷波导层上；
一第一砷化镓过渡势垒层，该第一砷化镓过渡势垒层制作在第二铝镓砷过度层上；
一砷化铟量子点层，该砷化铟量子点层制作在第一砷化镓过渡势垒层上；
一铟镓砷覆盖层，该铟镓砷覆盖层制作在砷化铟量子点层上；
一砷化镓势垒层，该砷化镓势垒层制作在铟镓砷覆盖层上；
一第三铝镓砷过渡层，该第三铝镓砷过渡层制作在砷化镓势垒层上；
一第二铝镓砷波导层，该第二铝镓砷波导层制作在第三铝镓砷过渡层上；
一第四铝镓砷过度层，该第四铝镓砷过度层制作在第二铝镓砷波导层上；
一砷化镓接触层，该砷化镓接触层制作在第四铝镓砷过度层上；
一第二砷化镓接触层，该第二砷化镓接触层制作在砷化镓接触层上。
6、按权利要求5所述的量子点激光器结构，其特征在于，其中所述的从铟镓砷覆盖层到第二砷化镓势垒层可循环N次，N从1-15可变。
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