CN1925175A - 一种大功率半导体量子点激光器材料的外延生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体激光器技术领域，提供了一种InGaAs/GaAs SK生长方式高密度量子点(1011/cm2以上)外延层结构，以及实现这一外延结构的分子束大功率半导体量子点激光器材料的外延生长方法。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PL谱1.02－1.08微米波段发光，并且具有很高的发光效率。将其应用于光纤激光器的泵浦源，极大的缩小器件的体积和制作成本，并且保持了作为量子点激光器的优良性能指标，如：降低其激光器的阈值电流，减小功耗，增强温度稳定性等。

Description

一种大功率半导体量子点激光器材料的外延生长方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，特别是一种大功率半导体量子点激光器材料的外延生长方法。
背景技术
1.02-1.08微米波段半导体激光器的一个重要用途就可以用来泵浦光纤激光器。由于光纤激光器具有高增益、斜率效率高、线宽窄、可宽带调谐、散热性能好、结构紧凑、微型化、全固化以及与传输光纤天然的通融性等特点，因此它在通信、军事、医疗和光信息处理等领域都将有广阔的应用前景，特别是在光通信领域，随着光波分用和光时分复用技术的发展，光纤激光器将能很好地满足通信系统对光源的更高要求而被认为是未来长距离、大容量、超高速光纤通信的理想光源。但是传统的光纤激光器都是用半导体激光二极管(LD)泵浦的固体激光器(DPSL)作为自身的泵浦源来实现受激辐射发光的。例如，用波长为800nm左右的GaAs/AlGaAs激光器泵浦Nd:YAG固体激光材料产生波长为1.06微米激光，在用此波段的激光泵浦双掺Yb3+/Er3+光纤激光器实现单频1.55微米稳定激光输出。
无疑，DPSL的引入大大增加了光纤激光器的成本，并且DPSL体积大，散热性差，光电转化效率低(相对于LD而言)等特点，阻碍了光子器件向小型化集成化发展的趋势，影响着光纤通信的推广普及。如果能省掉DPSL，采用小巧，低功耗的LD直接对光纤激光器进行泵浦将很好地解决这一问题。量子点激光器就是这一思想的产物。
由于量子点中电子在三个维度上都受限制，理论分析表明，量子点激光器(QDLD)具有更加优异的性质，如，极高的电光转换效率(85％以上)，超低阈值电流密度(Jth≤2A/cm2，目前最好的QWLD的Jth＝50A/cm2)、极高的阈值电流温度稳定性(理论上T0＝∞)、超高的微分增益(至少为QWLD的一个量级以上)和极高的调制带宽以及在直流电流调制下无碉嗽工作等，因此，量子点激光器一直是国际研究的热点方向。
量子点的外延生长目前最主要的方法是自组织(SK)生长。它适用于晶格失配较大，但应变外延层和衬底间的界面能不是很大的异质结材料体系。SK外延生长初始阶段是二维层状生长，通常只有几个原子层厚，称之为浸润层。随着层厚的增加，应变能不断积累，当达到某一个临界厚度zc时，外延生长则由二维层状生长过渡到三维岛状生长，以降低系统的能量。三维岛状生长初期形成的纳米量级尺寸的小岛周围是无位错的。若用禁带宽度大的材料将其包围起来，小岛中的载流子受到三维限制，成为量子点。在生长的单层量子点基础上，重复上述的生长过程可获得量子点超晶格结构。这种方法存在的困难是量子点在浸润层上的成核是无序的，其形状、尺寸；分布均匀性和密度不易控制。如何通过优化生长条件，提高量子点的形状尺寸分布均匀性和提高点的平面密度是目前纳米技术的前沿和热点领域。
发明内容
本发明通过优化生长条件，采用InAs和GaAs单原子层按一定配比形式交替生长，通过调节In组分以及相应的材料淀积厚度，实现量子点的高均匀性，高密度(大于1011/cm2)生长。实验证明该方法具有很强的可控性和可重复性。本发明特别是特别涉及一种通过InAs和GaAs单原子层交替生长1.02-1.08微米InGaAs高密度量子点的分子束外延生长方法。涉及大功率半导体1.02-1.08微米波段InGaAs/GaAs量子点激光器材料的外延生长方法。
技术方案
一种分子束外延生长1.02-1.08微米波段InGaAs/GaAs量子点外延层结构，包括：
第一层为GaAs过渡层；
第二层为InGaAs高密度量子点结构；
第三层为GaAs表面保护层。
所述的量子点外延层结构，GaAs过渡层的厚度为300-500纳米。
所述的量子点外延层结构，第二层为5-8个单原子层。
一种1.02-1.08微米波段InGaAs/GaAs量子点材料的生长方法，其步骤包括：
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，同时降低温度到480-520℃；
在GaAs过渡层上生长形成InGaAs量子点结构，厚度为5-8ML，首先形成InAs层，厚度为0.7-1.4ML，生长速率0.2-0.5ML/s，温度为480-510℃，停顿1-10秒，然后生长GaAs层，厚度为0.7-1.4ML，生长速率0.2-0.5ML/s，温度为480-510℃，停顿1-10秒；按以上过程循环多次，直至达到总厚度5-8ML为止；
在InGaAs量子点结构上形成GaAs表面保护层，厚度为5-15nm，温度为480-510℃。
所述的量子点材料的生长方法，层厚为5-8ML的InGaAs量子点结构的生长采用若干分子单层InAs层的和若干分子单层的GaAs层循环多次的方法，并且生长过程中引入必要的时间间隔。
一种1.02-1.08微米波段InGaAs/GaAs量子点激光器材料外延层结构，包括：
第一层为GaAs过渡层；
第二层为Al0.5Ga0.5As波导层；
第三层为AlGaAs过渡层；
第四层为GaAs过渡层；
第五层为InGaAs量子点材料层；
第六层为GaAs过渡层；
第七层为AlGaAs过渡层；
第八层为Al0.5Ga0.5As波导层；
第九层为GaAs覆盖层。
所述的量子点激光器材料外延层结构，GaAs过渡层掺杂Si元素使之成为N型，浓度为1-5E18/cm3。，厚度为300-500纳米。
所述的量子点激光器材料外延层结构，Al0.5Ga0.5As波导层掺杂Si元素使之成为N型，浓度为1-3E18/cm3，厚度为1000-2000nm。
所述的量子点激光器材料外延层结构，AlGaAs中Al的组分从50％-10％线性减小，厚度为75-150nm。
所述的量子点激光器材料外延层结构，GaAs过渡层厚度为20-100nm。
所述的量子点激光器材料外延层结构，InGaAs量子点材料厚度为5-8ML。
所述的量子点激光器材料外延层结构，GaAs过渡层厚度为20-100nm。
所述的量子点激光器材料外延层结构，AlGaAs中Al的组分从10％-50％线性增加，厚度为75-150nm。
所述的量子点激光器材料外延层结构，Al0.5Ga0.5As波导层掺杂Be元素使之成为P型，浓度为1-3E18/cm3，厚度为1000-2000nm。
所述的量子点激光器材料外延层结构，GaAs过渡层掺杂Be元素使之成为P型，浓度为1-2E19/cm3。，厚度为300-500纳米。
一种1.02-1.08微米InGaAs/GaAs高密度量子点激光器材料的生长方法，其步骤包括：
在GaAs衬底上形成GaAs过渡层，掺杂Si元素至浓度为1-5E18/cm3，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Al0.5Ga0.5As波导层，掺杂Si元素至浓度为1-3E18/cm3，厚度为1000-2000nm，生长温度为600-610℃，生长停顿20-40秒；
在Al0.5Ga0.5As波导层上生长AlGaAs过渡层，Al组分从50％-10％，线性减小，厚度为75-150nm，生长温度为600-610℃；
在AlGaAs过渡层上生长GaAs过渡层，厚度为20-100nm，停顿20-40秒，降低温度至470-520℃；
在GaAs过渡层上完全按照权利要求4所述的方法生长InGaAs/GaAs量子点核心层；
在此核心层上生长GaAs过渡层，厚度为20-100nm，温度470-520℃，停顿20-40秒，温度升至600-610℃；
在GaAs过渡层上生长AlGaAs过渡层，Al组分从10％-50％，线性增加，厚度为75-150nm，生长温度为600-610C；
在AlGaAs过渡层上生长Al0.5Ga0.5As波导层，掺杂Be元素至浓度为1-3E18/cm3，厚度为1000-2000nm，生长温度为600-610℃，停顿20-40秒；
在Al0.5Ga0.5As波导层上生长GaAs接触层，掺杂Be元素至浓度为1-2E19/cm3，厚度为300-500nm，生长温度为600-610℃。
所述量子点激光器材料的生长方法，量子点激光器材料核心层完全采用权利要求4所述的生长方法，该核心层共计循环1-5次。
与背景技术相比较所具有的意义
本发明具有以下意义：
本发明中，量子点的平面密度高达1011/cm2以上，并且量子点显示了很好的尺寸均匀性，这些都是普通SK方式生长量子点无法比拟的。这样高的点密度将直接降低激光器的阈值电流密度，提高微分增益。由于量子点激光器具有DPSL无法比拟的超低阈值电流密度、极小的体积、极高的电流温度稳定性、超高的微分增益和极高的调制带宽等诸多优点，因此必将具有很大的市场应用前景和商业价值。
图4是1.02-1.08微米高密度量子点激光器结构及分子束外延生长参数图。
附图说明
图1是量子点的材料核心外延层结构示意图。
图2是量子点原子力(AFM)显微镜照片(500nm×500nm)图。
图3是77K下本发明的高密度量子点与普通SK生长方式量子点PL谱峰光强度对比图。
图4是1.02-1.08微米波段InGaAs/GaAs高密度量子点激光器的外延结构以及外延生长方法示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细描述
图1为本发明的核心思想，即高密度量子点的外延生长形成过程。
首先，在GaAs(001)衬底上形成GaAs过渡层1，厚度为300-500nm，生长温度为600-610℃，然后停顿20-40秒，同时降低温度到480-520℃；
其次，在GaAs过渡层1上生长形成InGaAs量子点结构2，厚度为5-8ML。该层点按照以下步骤生长：首先形成淀积InAs材料层，厚度为0.7-1.4ML，生长速率0.2-0.5ML/s，温度为480-510℃，停顿1-10秒，然后淀积GaAs层，厚度为0.7-1.4ML，生长速率0.2-0.5ML/s，温度为480-510℃，停顿1-10秒；按以上过程循环多次，直至达到总厚度5-8ML为止。通过以上生长参数的优化组合就可以生长出高密度(1011/cm2以上)的InGaAs量子点。
最后，在InGaAs量子点结构2上生长GaAs表面保护层3，厚度为5-15nm，温度为480-510℃。
图2是量子点原子力(AFM)显微镜照片(500nm×500nm)利用统计软件分析该AFM照片得到，量子点的密度达到1.1×1011/cm2，并且点的高度涨落小，具有很好的均匀性。而普通的SK生长方式制备出的量子点密度为5-8×1010/cm2，很难实现这样高的密度。
图3是77K下本发明的高密度量子点与普通SK生长方式量子点PL谱峰光强度对比。
峰1是本发明的量子点(密度为1.1×1011/cm2)PL谱峰，峰2和峰3是用普通的SK生长方式制备出的InGaAs量子点PL谱峰，其点的密度分别为6.5×1010/cm2，5×1010/cm2，峰1的强度远远大于峰2，3，说明本发明通过增减量子点的平面密度，极大地增强了器件的发光效率。
图4是1.02-1.08微米波段InGaAs/GaAs高密度量子点激光器的外延结构以及外延生长方法示意图。
如图4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1-5E18/cm3，厚度为300-500纳米，生长温度600-610℃，生长速率为0.2-0.7单原子层/秒。然后生长停顿时间为20-40秒。
第二层生长Al0.5Ga0.5As波光限制层，掺杂Si元素使之成为N型，浓度为1-3E18/cm3，厚度为1000-2000nm。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50％-10％线性减小，厚度为75-150nm。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GaAs过渡层厚度为20-100nm。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℃。
第五层生长InGaAs高密度量子点材料厚度为5-8ML。停顿20-40秒。把生长温度升至600-610℃。
第六层生长GaAs过渡层厚度为20-100nm。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。
第七层生长AlGaAs过渡层，其中Al组分从10％-50％线性增加，厚度为75-150nm。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。
第八层生长Al0.5Ga0.5As光限制层，掺杂Be元素使之成为P型，浓度为1-3E18/cm3。厚度为1000-2000nm。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GaAs接触层，掺杂Be元素使之成为P型，浓度为1-2E19/cm3，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。

Claims (17)

1.一种分子束外延生长1.02-1.08微米波段InGaAs/GaAs量子点外延层结构，其特征在于，包括：
第一层为GaAs过渡层；
第二层为InGaAs高密度量子点结构；
第三层为GaAs表面保护层。
2.按权利要求1所述的量子点外延层结构，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所述的量子点外延层结构，其特征在于，所述第二层为5-8个单原子层。
4.一种1.02-1.08微米波段InGaAs/GaAs量子点材料的生长方法，其特征在于，步骤包括：
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，同时降低温度到480-520℃；
在GaAs过渡层上生长形成InGaAs量子点结构，厚度为5-8ML，首先形成InAs层，厚度为0.7-1.4ML，生长速率0.2-0.5ML/s，温度为480-510℃，停顿1-10秒，然后生长GaAs层，厚度为0.7-1.4ML，生长速率0.2-0.5ML/s，温度为480-510℃，停顿1-10秒；按以上过程循环多次，直至达到总厚度5-8ML为止；
在InGaAs量子点结构上形成GaAs表面保护层，厚度为5-15nm，温度为480-510℃。
5.按权利要求4所述的量子点材料的生长方法，其特征在于，层厚为5-8ML的InGaAs量子点结构的生长采用若干分子单层InAs层的和若干分子单层的GaAs层循环多次的方法，并且生长过程中引入必要的时间间隔。
6.一种1.02-1.08微米波段InGaAs/GaAs量子点激光器材料外延层结构，其特征在于，包括：
第一层为GaAs过渡层；
第二层为Al0.5Ga0.5As波导层；
第三层为AlGaAs过渡层；
第四层为GaAs过渡层；
第五层为InGaAs量子点材料层；
第六层为GaAs过渡层；
第七层为AlGaAs过渡层；
第八层为Al0.5Ga0.5As波导层；
第九层为GaAs覆盖层。
7.按权利要求6所述的量子点激光器材料外延层结构，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1-5E18/cm3，厚度为300-500纳米。
8.按权利要求6所述的量子点激光器材料外延层结构，其特征在于，所述的Al0.5Ga0.5As波导层掺杂Si元素使之成为N型，浓度为1-3E18/cm3，厚度为1000-2000nm。
9.按权利要求6所述的量子点激光器材料外延层结构，其特征在于，所述的AlGaAs中Al的组分从50％-10％线性减小，厚度为75-150nm。
10.按权利要求6所述的量子点激光器材料外延层结构，其特征在于，所述的GaAs过渡层厚度为20-100nm。
11.按权利要求6所述的量子点激光器材料外延层结构，其特征在于，所述的InGaAs量子点材料厚度为5-8ML。
12.按权利要求6所述的量子点激光器材料外延层结构，其特征在于，所述的GaAs过渡层厚度为20-100nm。
13.按权利要求6所述的量子点激光器材料外延层结构，其特征在于，所述的AlGaAs中Al的组分从10％-50％线性增加，厚度为75-150nm。
14.按权利要求6所述的量子点激光器材料外延层结构，其特征在于，所述的Al0.5Ga0.5As波导层掺杂Be元素使之成为P型，浓度为1-3E18/cm3，厚度为1000-2000nm。
15.按权利要求6所述的量子点激光器材料外延层结构，其特征在于，所述的GaAs过渡层掺杂Be元素使之成为P型，浓度为1-2E19/cm3，厚度为300-500纳米。
16.一种1.02-1.08微米InGaAs/GaAs高密度量子点激光器材料的生长方法，其步骤包括：
在GaAs衬底上形成GaAs过渡层，掺杂Si元素至浓度为1-5E18/cm3，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Al0.5Ga0.5As波导层，掺杂Si元素至浓度为1-3E18/cm3，厚度为1000-2000nm，生长温度为600-610℃，生长停顿20-40秒；
在Al0.5Ga0.5As波导层上生长AlGaAs过渡层，Al组分从50％-10％，线性减小，厚度为75-150nm，生长温度为600-610℃；
在AlGaAs过渡层上生长GaAs过渡层，厚度为20-100nm，停顿20一40秒，降低温度至470-520℃；
在GaAs过渡层上完全按照权利要求4所述的方法生长InGaAs/GaAs量子点核心层；
在此核心层上生长GaAs过渡层，厚度为20-100nm，温度470-520℃，停顿20-40秒，温度升至600-610℃；
在GaAs过渡层上生长AlGaAs过渡层，Al组分从10％-50％，线性增加，厚度为75-150nm，生长温度为600-610C；
在AlGaAs过渡层上生长Al0.5Ga0.5As波导层，掺杂Be元素至浓度为1-3E18/cm3，厚度为1000-2000nm，生长温度为600-610℃，停顿20-40秒；
在Al0.5Ga0.5As波导层上生长GaAs接触层，掺杂Be元素至浓度为1-2E19/cm3，厚度为300-500nm，生长温度为600-610℃。
17.按权利要求16所述量子点激光器材料的生长方法，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4所述的生长方法，该核心层共计循环1-5次。
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