ES2253678T3 - Metodo de formacion de puntos cuanticos para el funcionamiento a longitudes de onda extendidas. - Google Patents

Metodo de formacion de puntos cuanticos para el funcionamiento a longitudes de onda extendidas.

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ES2253678T3 ES03732644T ES03732644T ES2253678T3 ES 2253678 T3 ES2253678 T3 ES 2253678T3 ES 03732644 T ES03732644 T ES 03732644T ES 03732644 T ES03732644 T ES 03732644T ES 2253678 T3 ES2253678 T3 ES 2253678T3
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Abstract

Método de formación de la región activa de un dispositivo optoelectrónico que incorpora unos puntos cuánticos semiconductores cuya emisión en estado básico tiene lugar a longitudes de onda mayores que 1350 nm a una temperatura de sustancialmente 293 K, comprendiendo dicho método las etapas siguientes: hacer crecer una primera capa de puntos cuánticos formada sobre una de entre una capa de sustrato o una capa tampón, sometiéndose a dichos puntos cuánticos de dicha primera capa a una tensión debido a un desajuste de redes entre dicha capa de sustrato y dichos puntos cuánticos de dicha primera capa; hacer crecer una capa separadora sobre dicha primera capa y sometiéndose a dicha capa separadora a una tensión en las zonas tensionadas superpuestas a los puntos cuánticos de dicha primera capa debido un desajuste de redes entre dichos puntos cuánticos de dicha primera capa y dicha capa separadora; hacer crecer una capa activa de puntos cuánticos sobre dicha capa separadora, formándose los puntos cuánticos de dicha capa activa predominantemente sobre las zonas tensionadas de dicha capa separadora de manera que la densidad superficial de puntos cuánticos de dicha capa activa esté sustancialmente determinada por la densidad superficial de puntos cuánticos de dicha primera capa, estando los puntos cuánticos de dicha capa activa en un estado de tensión relajada en el que dichos puntos cuánticos de dicha capa activa están sometidos a menos tensión que los puntos cuánticos que se han hecho crecer sobre una superficie no tensionada, siendo las condiciones de crecimiento para dicha capa activa diferentes a las de la primera capa y escogiéndose apropiadamente, siendo en particular la temperatura del sustrato suficientemente baja, de manera que se preserve sustancialmente dicho estado de tensión relajada y se limite el entremezclado de dichos puntos cuánticos de dicha capa activa con dicha capa separadora; y hacer crecer una capa de revestimiento sobre dicha capa activa, escogiéndose las condiciones de crecimiento para dicha capa de revestimiento apropiadamente, siendo en particular la temperatura del sustrato suficientemente baja, de manera que se preserve sustancialmente dicho estado de tensión relajada y se limite el entremezclado de dichos puntos cuánticos de dicha capa activa con dicha capa separadora y con dicha capa de revestimiento.

Description

Método de formación de puntos cuánticos para el funcionamiento a longitudes de onda extendidas.
La presente invención se refiere al campo de los dispositivos optoelectrónicos. Más particularmente, esta invención se refiere al campo de los dispositivos optoelectrónicos que incorporan puntos cuánticos semiconductores cuya emisión en estado básico se produce en longitudes de onda mayores que 1350 nm a una temperatura de sustancialmente 293 K.
En muchos dispositivos optoelectrónicos se emplean materiales semiconductores. La estructura semiconductora se dispone normalmente a fin de que el dispositivo sea activo ópticamente a una longitud de onda deseada para ese dispositivo particular. En muchas aplicaciones, particularmente en las telecomunicaciones, existe un requisito de usar longitudes de onda entre 1250 y 1650 nm. Estas longitudes de onda son muy adecuadas para la transmisión por fibra óptica y para otros dispositivos de fibra óptica.
Se conoce la fabricación de dispositivos optoelectrónicos para el uso en estas longitudes de onda basada en sustratos de fosfuro de indio (InP). Sería deseable poder fabricar dispositivos capaces de funcionar a estas longitudes de onda utilizando sustratos arseniuro de galio (GaAs) en vez de sustratos de InP.
La principal ventaja de los sustratos de GaAs es que hay gran disponibilidad de ellos y son menos caros que los sustratos de InP. Los sustratos de GaAs ya son muy utilizados para dispositivos que funcionan a longitudes de onda más cortas (inferiores a 1200 nm) y los métodos de fabricación, procesamiento y envasado de tales dispositivos están muy desarrollados y podrían adaptarse a dispositivos que funcionen a longitudes de onda más largas.
Los rendimientos de los dispositivos basados en GaAs son superiores en muchos sentidos a los de aquellos basados en InP, especialmente en términos de sensibilidad a la temperatura. A menudo pueden fabricarse fácilmente estructuras complejas, tales como láseres de emisión superficial en cavidad vertical, en sistemas de GaAs en una sola etapa de crecimiento en comparación con los complicados procesos, tales como la unión con obleas, que se requerirían para que los sistemas de InP obtengan las mismas estructuras. Además, la electrónica de GaAs está muy desarrollada y los dispositivos optoelectrónicos basados en GaAs que integran monolíticamente en el mismo chip tanto las funciones ópticas como los circuitos electrónicos requeridos para controlarlas pueden proporcionarse 
\hbox{de manera relativamente fácil.}
Se apreciará por lo anterior que si pudiese conseguirse que los sistemas de GaAs funcionen a longitudes de onda más largas, entonces esto sería muy deseable.
Existen tres tecnologías conocidas que han demostrado conseguir un funcionamiento a longitudes de onda más largas en un sustrato de GaAs (véase, por ejemplo, V. M. Ustinov y A. E. Zhukov, "GaAs-based long-wavelength lasers", Semicond. Sci, Technol. 2000, 15, R41). Estas son los puntos cuánticos de InAs o InGaAs, los pozos o puntos cuánticos de GaInNAs y los pozos cuánticos de GaAsSb.
En el caso de los pozos cuánticos de GaInNAs y de GaAsSb, la adición de nitrógeno o antimonio en la estructura reduce la banda prohibida y da lugar a una emisión de longitudes de onda más largas. Sin embargo, con las tecnologías de crecimiento actuales se degrada la calidad del material cuando se incorpora nitrógeno o antimonio.
Además, los puntos cuánticos presentan varias ventajas con respecto a las dos técnicas competidoras (basadas en pozos cuánticos). Estas ventajas se deben al confinamiento tridimensional de portadores (en contraposición al unidimensional para pozos cuánticos) y a la emisión ensanchada de manera inhomogénea (en contraposición a la emisión ensanchada homogéneamente para pozos cuánticos). Tales ventajas son una corriente umbral menor para láseres, una menor sensibilidad a la temperatura o la posibilidad de funcionar en una banda más ancha de longitudes de onda.
Otra característica importante es que los puntos cuánticos pueden funcionar normalmente no solo en su transición fundamental, sino también en una ancha banda de longitudes de onda (correspondientes a los estados excitados) más cortas que su transición fundamental. Por ejemplo, producir puntos cuánticos que emitan en 1480 nm desde su estado básico es no solo importante para aplicaciones a esta longitud de onda, sino que también pueden utilizarse a longitudes de onda más cortas tales como 1300 nm (desde su segundo estado excitado, por ejemplo). Se obtienen entonces algunos beneficios en comparación con los puntos cuánticos que emiten luz directamente a 1300 nm desde su estado básico, debido a una mayor degeneración de los estados excitados.
Los puntos cuánticos de InAs o de InGaAs se fabrican normalmente según el modo de crecimiento de Stranski-Krastanov, según el cual la tensión resultante de un desajuste de redes entre el sustrato (GaAs) y el material de punto (InAs o InGaAs) da lugar a la autoformación de islas tridimensionales. El crecimiento se obtiene normalmente utilizando dos técnicas principales: la epitaxia de haces moleculares (MBE) o la deposición química de vapor organometálico (MOCVD). Bajo condiciones normales de crecimiento (es decir, similares a las empleadas para pozos cuánticos de InGaAs), las dimensiones laterales de punto se encuentran típicamente entre 14 y 30 nm (véase, por ejemplo, la patente estadounidense US-A-5.614.435) y emiten típicamente en longitudes de onda más cortas que 1200 nm a 300 K. En los casos presentados aquí para la emisión en longitudes de onda más largas, las dimensiones laterales de punto son grandes habitualmente.
Para extender más la longitud de onda de los puntos cuánticos de InAs/GaAs, se han desarrollado diferentes técnicas: R. P. Mirin et al., en "1.3 \mum photoluminiscence from InGaAs quantum dots on GaAs", Appl. Phys. Lett. 1995, 67, 3795, propusieron utilizar la epitaxia de capas alternas. R. Murray et al., en "1.3 \mum room temperature emission from InAs/GaAs self-assembled quantum dots", Jpn. J. Appl. Phys. 1999, Parte 1 38, 528, propusieron usar bajos ritmos de crecimiento de InAs. Sin embargo, las longitudes de onda más largas conseguidas con estas técnicas son cercanas a 1300 nm y como mucho 1340 nm.
Se desarrolló un método alternativo que conlleva, o cubrir los puntos con InGaAs, o hacer crecer los puntos en InGaAs, o ambas cosas. K. Nishi et al, en "A narrow photoluminiscence linewidth of 21 meV at 1.35 \mum from strain-reduced InAs quantum dots covered by In_{0.2}Ga_{0.8}As grown on GaAs substrates", Appl. Phys. Lett. 1999, 74, 1111, propusieron cubrir los puntos con InGaAs y consiguieron una emisión hasta 1350 nm con MBE. A. Passaseo et al. en "Wavelength control from 1.25 to 1.4 \mum in In_{x}Ga_{1-x}As quantum dot structures grown by metal organic chemical vapor deposition", Appl. Phys. Lett. 2001, 78, 1382, emplearon una técnica similar para conseguir una emisión hasta 1390 nm con MOCVD. Por último, J. Tatebayashi et al., en "Over 1.5 \mum light emission from InAs quantum dots embedded in InGaAs strain-reducing layer grown by metalorganic chemical vapor deposition", Appl. Phys. Lett. 2001, 78, 3469, observaron una emisión hasta 1520 nm, pero con una eficiencia luminiscente muy reducida, que por tanto no es adecuada para el uso en un dispositivo optoelectrónico.
Otra propiedad importante de una muestra de punto cuántico es el ensanchamiento inhomogéneo de la emisión, medida por la anchura total a media altura (FWHM) del pico de luminiscencia en estado básico a una baja excitación y una baja temperatura (normalmente 10 K). Para muchas aplicaciones, tales como los láseres, la anchura FWHM tiene que ser tan pequeña como sea posible para los mejores rendimientos. La anchura FWHM más estrecha obtenida para longitudes de onda de emisión superiores a 1300 nm es de 18 medios de evitación, en R. P. Mirin et al., "Narrow photoluminiscence linewidths from ensembles of self-assembled InGaAs quantum dots", J. Vac. Sci. Technol. B 2000, 18, 1510.
Una característica del crecimiento de puntos cuánticos pertinente a la presente invención es la posibilidad de hacer crecer estructuras de puntos cuánticos alineadas verticalmente simplemente haciendo crecer capas sucesivas en crecimiento de puntos cuánticos muy poco separadas, véase, por ejemplo, el documento US 6177684 o la solicitud de patente japonesa JP 09 326506. Esta característica fue reconocida pronto (véase, por ejemplo, Q. Xie et al., "Vertically self-organized InAs quantum box islands on GaAs (100)", Phys. Rev. Lett. 1995, 75, 2542) y ha sido muy estudiada desde entonces. Mukhametzhanov et al., en "Independent manipulation of density and size of stress-driven self-assembled quantum dots", Appl. Phys. Lett. 1998, 73, 1841, utilizaron esta característica para hacer crecer una segunda capa de puntos más grandes con una menor densidad de lo que de otro modo sería posible con las condiciones de crecimiento empleadas. Se cultivó una primera capa con una baja densidad de puntos cuánticos pequeños que determinó la densidad de la segunda capa debido al apilamiento vertical. Los puntos cuánticos resultantes en la segunda capa, aunque hechos crecer a un ritmo de crecimiento convencional de 0,22 ML/s, fueron entonces similares (en términos de densidad, dimensiones y propiedades de emisión) a los puntos cuánticos hechos crecer directamente a un ritmo de crecimiento bajo.
Vista desde un punto de vista, la presente invención proporciona un dispositivo optoelectrónico que incluye puntos cuánticos semiconductores capaces de al menos una acción de entre emitir, absorber o amplificar radiación en su estado básico, a longitudes de onda mayores que 1350 nm a una temperatura de sustancialmente 293 K, o en sus estados excitados.
Vista desde otro punto de vista, la presente invención proporciona un método de formación de la región activa de un dispositivo optoelectrónico que incorpora puntos cuánticos semiconductores cuya emisión en estado básico tiene lugar a longitudes de onda mayores que 1350 nm a una temperatura de sustancialmente 293 K, comprendiendo dicho método las etapas de:
hacer crecer una primera capa de puntos cuánticos formada sobre una de entre una capa de sustrato o una capa tampón, sometiéndose a dichos puntos cuánticos de dicha primera capa a una tensión debido a un desajuste de redes entre dicha capa de sustrato y dichos puntos cuánticos de dicha primera capa;
hacer crecer una capa separadora sobre dicha primera capa y sometiéndose a dicha capa separadora a una tensión en las zonas tensionadas superpuestas a los puntos cuánticos de dicha primera capa debido un desajuste de redes entre dichos puntos cuánticos de dicha primera capa y dicha capa separadora;
hacer crecer una capa activa de puntos cuánticos sobre dicha capa separadora, formándose los puntos cuánticos de dicha capa activa predominantemente sobre las zonas tensionadas de dicha capa separadora de manera que la densidad superficial de puntos cuánticos de dicha capa activa está sustancialmente determinada por la densidad superficial de puntos cuánticos de dicha primera capa, estando los puntos cuánticos de dicha capa activa en un estado de tensión relajada en el que dichos puntos cuánticos de dicha capa activa están sometidos a menos tensión que los puntos cuánticos hechos crecer sobre una superficie no tensionada, siendo las condiciones de crecimiento para dicha capa activa diferentes que las de la primera capa y escogiéndose apropiadamente, siendo en particular la temperatura del sustrato suficientemente baja, de manera que se preserve sustancialmente dicho estado de tensión relajada y se limite el entremezclado de dichos puntos cuánticos de dicha capa activa con dicha capa separadora; y
hacer crecer una capa de revestimiento sobre dicha capa activa, escogiéndose las condiciones de crecimiento para dicha capa apropiadamente, siendo en particular la temperatura del sustrato suficientemente baja, de manera que se preserve sustancialmente dicho estado de tensión relajada y se limite el entremezclado de dichos puntos cuánticos de dicha capa activa con dicha capa separadora y con dicha capa de revestimiento.
La presente invención se basa en parte en la posibilidad de hacer crecer una primera capa para fijar la densidad de una segunda capa. Aunque esta técnica se conoce desde hace muchos años, no se ha reconocido la posibilidad de usar la primera capa para diseñar el estado de tensión de la segunda capa ni la importancia de los efectos de entremezclado durante el crecimiento y el revestimiento de esta segunda capa. Esto es por lo que no se ha empleado esta técnica para extender la emisión de los puntos cuánticos a longitudes de onda deseables por encima de 1350 nm a temperatura ambiente.
Se entenderá que esta técnica está particularmente bien adecuada para las formas de realización en las que el sustrato es un sustrato de GaAs.
Bajo condiciones adecuadas de crecimiento y de revestimiento, la relajación de tensión en los puntos cuánticos de la capa activa da lugar a una banda prohibida más baja y consiguientemente a una emisión en estado básico en una longitud de onda más larga. Las condiciones de revestimiento pueden escogerse de manera que los beneficios obtenidos de la relajación de tensión (emisión en longitudes de onda largas) no se pierdan debido a otro mecanismo competidor. Por ejemplo, los puntos cuánticos de InGaAs con la tensión relajada presentan una tendencia a experimentar un mayor entremezclado de galio/indio durante el revestimiento, lo que resultaría en una emisión en longitudes de onda más cortas. Por tanto, la temperatura del sustrato puede reducirse lo bastante como para evitar estos efectos de entremezclado. Esto se ve facilitado por el hecho de que la densidad superficial de los puntos cuánticos de la capa activa está determinada por la de la primera capa debido a la interacción de tensiones. Los parámetros de crecimiento de la capa activa pueden ajustarse por tanto sin afectar a su densidad de puntos cuánticos. Esto difiere de una capa de puntos cuánticos convencional, en la que cambiar los parámetros de crecimiento afecta mucho a la densidad y en la que una temperatura del sustrato reducida da lugar, por ejemplo, a una gran densidad de pequeños puntos cuánticos que emiten en una longitud de onda corta.
Las técnicas actuales que se han utilizado para extender la longitud de onda de emisión de los puntos cuánticos de InAs, tales como el uso de barreras de InGaAs o la incorporación de nitrógeno, están asociadas normalmente con una degradación de la calidad de los materiales y por consiguiente con grandes reducciones de la intensidad de emisión en temperatura ambiente. En algunas formas de realización, estas técnicas pueden evitarse ventajosamente, al tiempo que se mantiene una longitud de onda larga y una intensa emisión a temperatura ambiente.
La interacción de tensiones entre capas y el entremezclado reducido también producen puntos cuánticos con mejor uniformidad. Por tanto, puede conseguirse una anchura FWHM mucho más estrecha en la emisión de fotoluminiscencia de la capa activa.
Se apreciará que el espesor de la capa separadora podría variar dependiendo de las circunstancias y sustancias particulares que estén utilizándose, pero se ha descubierto que esta capa separadora presenta ventajosamente un espesor de 3 x 10^{-9} a 3 x 10^{-8} m.
En las formas de realización preferidas, resulta ventajoso que los puntos cuánticos de la primera capa se cultiven de manera que su campo de tensión sea lo suficientemente resistente como para extenderse sustancialmente a través de la capa separadora. Esto viene facilitado por el crecimiento de la primera capa de puntos cuánticos a un bajo ritmo de crecimiento de menos de 0,06 monocapas por segundo. Por conveniencia, este ritmo de crecimiento también puede mantenerse sin cambios para la segunda capa de puntos cuánticos.
Se apreciará que, dependiendo del espesor de la capa separadora, los puntos cuánticos de la capa activa pueden acoplarse electrónicamente a los de la primera capa, lo que puede representar una ventaja para algunas aplicaciones. Aunque se apreciará que, dependiendo del dispositivo y la aplicación particulares, la densidad superficial de los puntos cuánticos podría variar considerablemente, la invención está particularmente bien adecuada para las formas de realización en las que la densidad superficial de los puntos cuánticos está comprendida 
\hbox{entre 10 ^{13}  y 10 ^{15}  por metro
cuadrado.}
Se entenderá que, para algunos dispositivos, y en circunstancias particulares, puede resultar deseable tener más de una capa activa de puntos cuánticos y esta puede obtenerse formando más capas separadoras (posiblemente proporcionadas por la capa de revestimiento) y capas activas para producir un apilamiento de capas activas de puntos cuánticos que tengan las propiedades deseadas.
Aunque la presente invención puede aplicarse utilizando una gama de posibilidades de distintos materiales, en las formas de realización preferidas los puntos cuánticos son uno de entre puntos cuánticos de InAs, puntos cuánticos de InGaAs o puntos cuánticos de GaInNAs. De manera similar, al menos parte de la capa de sustrato podría formarse a partir de una variedad de materiales, pero es preferiblemente uno de entre GaAs o AlGaAs. La capa separadora y la capa de revestimiento también pueden formarse, al menos parcialmente, a partir de una variedad de distintos materiales complementarios, tales como GaAs, AlGaAs, InGaAs, InAlGaAs o GaInNAs. En particular, puede ser ventajoso formar la última parte de la capa separadora o la primera parte de la capa de revestimiento o ambas con InGaAs en vez de GaAs.
Los dispositivos optoelectrónicos formados utilizando las técnicas anteriormente descritas podrían tener una gran variedad de funciones y de formas diferentes dependiendo de la aplicación particular, pero la presente invención resulta particularmente útil cuando la capa activa puede funcionar para realizar al menos una acción de entre emitir radiación, amplificar radiación, detectar radiación y absorber radiación.
Una primera característica de la región activa según la técnica actual y asociada con sus rendimientos mejorados es que la densidad de puntos en la capa activa está determinada por la densidad de puntos de la primera capa. Esto permite elegir la densidad de los puntos en la capa activa independientemente de los parámetros de crecimiento utilizados para hacerla crecer y cubrirla.
Una segunda característica de esta técnica es que la primera característica se emplea para escoger los parámetros de crecimiento de la capa activa de manera que se preserve el estado de tensión relajada de los puntos de la capa activa y que los efectos de entremezclado se reduzcan tanto como sea posible. Estos son dos factores importantes para conseguir una emisión en longitudes de onda más largas con un ensanchamiento estrecho.
Una característica ventajosa particularmente preferida de este método de formación de un dispositivo optoelectrónico es que la capa activa se hace crecer a una temperatura más baja que la primera capa. Esto viene facilitado por la acción de plantilla/agarre de las zonas tensionadas de la capa separadora en la provisión de lugares para que se formen los puntos cuánticos de la capa activa a temperaturas más bajas de lo que de otro modo se requeriría para formar tales puntos cuánticos en ausencia de la capa separadora. La formación de los puntos cuánticos de la capa activa a una temperatura inferior a lo habitual tiende a mejorar su uniformidad y sus características de rendimiento, por ejemplo, la emisión en una longitud de onda más larga con una anchura FWHM más estrecha.
La acción de la capa separadora en la provisión una plantilla/agarre para la formación de puntos cuánticos en la capa activa se mejora cuando la capa separadora se somete a un temple antes de la formación de los puntos cuánticos de la capa activa.
A continuación se describirán formas de realización de la invención, únicamente a título de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
La figura 1 ilustra esquemáticamente la formación de la región activa de un dispositivo optoelectrónico;
la figura 2 ilustra esquemáticamente la estructura de capas de la región activa de un dispositivo optoelectrónico que presenta cinco capas activas de puntos cuánticos;
la figura 3 ilustra esquemáticamente la estructura de capas de la región activa de un dispositivo optoelectrónico que presenta tres capas activas de puntos cuánticos;
la figura 4 ilustra el espectro de fotoluminiscencia de baja excitación, a baja temperatura, de la región activa de un dispositivo optoelectrónico en el que las capas separadora y de revestimiento se componen únicamente de GaAs;
la figura 5 ilustra el espectro de fotoluminiscencia de alta excitación, a temperatura ambiente, de la misma región activa de un dispositivo optoelectrónico tal como el mostrado en la figura 4;
la figura 6 ilustra el espectro de fotoluminiscencia de baja excitación, a baja temperatura, de otra región activa de un dispositivo optoelectrónico en el que la última parte de la capa separadora y la primera parte de la capa de revestimiento se componen de InGaAs; y
la figura 7 ilustra el espectro de fotoluminiscencia de alta excitación, a temperatura ambiente, de la misma región activa de un dispositivo optoelectrónico tal como el mostrado en la figura 6.
Se describe un método de producción de capas de puntos cuánticos de alta calidad que emiten en longitudes de onda más largas (superiores a 1350 nm) desde su estado básico con una buena eficiencia luminiscente y una anchura FWHM estrecha. Tal estructura puede usarse como la región activa de muchos dispositivos optoelectrónicos hechos crecer sobre sustratos de GaAs y que funcionan a longitudes de onda superiores a 1350 nm. Tal región activa podría también proporcionar mejoras significativas a los dispositivos optoelectrónicos que funcionan a longitudes de onda más cortas al usar la emisión y la absorción en los estados excitados de los puntos.
La figura 1 ilustra esquemáticamente la formación de la región activa de un dispositivo optoelectrónico. En la etapa (a), se proporciona un sustrato, tal como un sustrato de GaAs, normalmente en forma de oblea. Sobre este sustrato puede hacerse crecer una capa tampón tal como de GaAs.
En la etapa (b), se forma una primera capa de puntos cuánticos, tal como puntos cuánticos de InAs, según el modo de crecimiento de Stranski-Krastanov, según el cual la tensión resultante del desajuste de redes entre el sustrato y los puntos cuánticos resulta en la autoformación de islas tridimensionales que constituyen los puntos cuánticos.
En la etapa (c), se deposita una capa separadora, tal como una capa separadora de GaAs, encima de la primera capa. El desajuste de constates reticulares entre los puntos cuánticos de la primera capa y la capa separadora resulta en un campo de tensión entre la capa separadora y los puntos cuánticos que se extiende hacia arriba, a través de ella, hasta la superficie superior de la capa separadora para producir zonas tensionadas en la superficie superior de la capa separadora correspondientes a los puntos cuánticos subyacentes de la primera capa.
En la etapa (d), se deposita una capa activa de puntos cuánticos, tales como puntos cuánticos de InAs, encima de la capa separadora. Las zonas tensionadas en la superficie superior de la capa separadora forman una plantilla para la formación de los puntos cuánticos de la capa activa, que se alinean para recubrir los puntos cuánticos de la primera capa. La presencia de este campo de tensión se manifiesta normalmente por una reducción del revestimiento de InAs requerida para que el crecimiento cambie de 2D a 3D, tal como puede medirse empleando la difracción de electrones de alta energía por reflexión (RHEED). La densidad superficial de los puntos cuánticos de la capa activa está eficazmente controlada por la plantilla proporcionada por las zonas tensionadas en la superficie superior de la capa separadora en vez de por los parámetros de crecimiento particulares empleados para la formación de la capa activa. Por consiguiente, la capa activa de puntos cuánticos puede formarse con distintos parámetros de crecimiento de lo que de otro modo se requería para formar esa capa activa de puntos cuánticos en ausencia de la primera capa y la capa separadora subyacentes. Este desacoplamiento al menos parcial de los parámetros de crecimiento para los puntos cuánticos de la capa activa de la densidad superficial de puntos cuánticos de la capa activa permite usar parámetros de crecimiento que sean más favorables para conseguir características de emisión en longitudes de onda largas de la capa activa de puntos cuánticos de lo que de otro modo sería posible. Como ejemplo, la capa activa de puntos cuánticos puede hacerse crecer a una temperatura inferior, lo que resulta en un menor entremezclado del material de los puntos cuánticos con la capa separadora subyacente. La mayor uniformidad de la capa activa de puntos cuánticos formada así resulta en un ensanchamiento inhomogéneo más estrecho. Además, puesto que la capa separadora está tensionada por la primera capa subyacente, presenta una constante reticular en las zonas tensionadas que se corresponde más exactamente con los puntos cuánticos de la capa activa, y consiguientemente los puntos cuánticos de la capa activa presentan una mayor relajación de la tensión que los puntos cuánticos que forman una superficie no tensionada. Esto, junto con el entremezclado reducido, contribuye a la emisión deseada en longitudes de onda
largas.
En la etapa (e), se forma una capa de revestimiento, tal como de GaAs, sobre la capa activa de puntos cuánticos. Normalmente, pero no necesariamente, la capa de revestimiento, y especialmente sus primeros pocos nanómetros, se hace crecer bajo las mismas condiciones de crecimiento que la capa activa para evitar una interrupción del crecimiento.
Se apreciará que el sencillo ejemplo mostrado en la figura 1 utiliza un sistema de materiales, concretamente GaAs e InAs, pero hay otras posibilidades disponibles, tal como formar las capas de revestimiento y/o las capas separadoras, o parte de ellas, de InGaAs en vez de GaAs. Como otras alternativas, pueden emplearse sistemas de materiales, tales como separadores de AlGaAs con InAlGaAs, en lugar de las capas de GaAs y de InGaAs analizadas anteriormente. También puede utilizarse GaInNAs como el material de los puntos cuánticos de las capas separadoras/de revestimiento.
La forma de realización de la figura 1 muestra la formación de un sola capa activa. La figura 2 ilustra la región activa de un dispositivo optoelectrónico en el que se forman más capas activas depositando repetidamente una capa separadora y una capa activa. En el ejemplo de la figura 2, una vez que se ha formado primera capa inicial de puntos cuánticos, se depositan sobre la misma cinco grupos de capas separadoras/de revestimiento y de capas activas asociadas seguidos por una capa de revestimiento final.
La figura 3 ilustra una forma de realización alternativa de la región activa de un dispositivo optoelectrónico. En esta forma de realización, se forman tres capas activas. El dispositivo se compone de tres grupos de capas, comprendiendo cada grupo de capas una primera capa, una capa separadora, una capa activa y una capa de revestimiento. Tras depositarse la primera capa de revestimiento, se deposita sobre la misma otra primera capa y se repite la secuencia.
Una distinción entre una capa de revestimiento y una capa separadora en la forma de realización de la figura 3 se refiere al espesor de la capa de revestimiento en relación con el espesor de una capa separadora. En general, una capa de revestimiento será mucho más espesa para que las zonas tensionadas no se extiendan hacia arriba a través de ella.
La figura 4 ilustra el espectro de fotoluminiscencia de baja excitación, a baja temperatura (10 K), de la región activa de un dispositivo optoelectrónico formado según las técnicas anteriores. En este primer ejemplo, la capa separadora y la capa de revestimiento se componen únicamente de GaAs. Tal como se observará, la emisión alcanza un máximo en unos 1280 nm relativamente altos con una estrecha anchura a media altura de 14 meV indicativa de la gran uniformidad de los puntos cuánticos que se han formado.
La figura 5 ilustra el espectro de alta excitación, a temperatura ambiente, para el mismo dispositivo. En este caso, se observará que los picos de emisión han subido en longitud de onda, para este régimen de funcionamiento a temperatura ambiente del dispositivo, hasta aproximadamente 1390 nm para la emisión en estado básico, que incluso se extiende hasta 1430 nm. Esto posibilita la fabricación de dispositivos basados en GaAs que funcionan a longitudes de onda superiores a 1350 nm. Además, la emisión en el primer estado excitado se observa en torno a 1300 nm. Tal región activa podría mejorar por tanto el rendimiento de los dispositivos de puntos cuánticos basados en GaAs que funcionan a cerca de 1300 nm, puesto que la ganancia óptica máxima obtenible del primer estado excitado es el doble de grande que la obtenible del estado básico.
A continuación se proporciona otro ejemplo de muestra de puntos cuánticos que ilustra los beneficios de esta técnica. La diferencia con el ejemplo anterior es que para cubrir los puntos se utilizó InGaAs en vez de GaAs. La longitud de onda de emisión resultante es incluso más larga y se observa a 1480 nm a temperatura ambiente.
La figura 6 ilustra el espectro de fotoluminiscencia de baja excitación, a baja temperatura (10 K) de esta otra región activa formada según las técnicas anteriores. La diferencia con el ejemplo anterior es que en la última parte de la capa separadora y en la primera capa de la capa de revestimiento se empleo InGaAs en vez de GaAs. Tal como se observará, la emisión alcanza un máximo a una longitud de onda aún más alta de 1350 nm (a 10 K) con una anchura FWHM estrecha de 14,5 meV.
La figura 7 ilustra el espectro de alta excitación, a temperatura ambiente, para la misma región activa. En este caso, se observará que la emisión a temperatura ambiente del estado básico alcanza un máximo a 1480 nm y se extiende más allá de 1500 nm. De nuevo, esto posibilita la fabricación de dispositivos basados en GaAs que funcionan a estas largas longitudes de onda. Además, la emisión en el primer estado excitado se obtiene a 1390 nm y la emisión en el segundo estado excitado, en torno a 1300 nm. Tal región activa podría mejorar por tanto el rendimiento de los dispositivos de puntos cuánticos basados en GaAs que funcionan a estas longitudes de onda, puesto que la ganancia óptica máxima obtenible del segundo estado excitado es cuatro veces la del estado básico y la del primer estado excitado es el doble de grande que la del estado básico.
A continuación se proporciona un ejemplo más específico de los parámetros usados para formar el dispositivo optoelectrónico ejemplar para el cual se ilustran en las figuras 4 y 5 los espectros a baja temperatura y a temperatura ambiente.
Una oblea de GaAs dopada n+ de 2 pulgadas se carga en un sistema de epitaxia de haces moleculares (MBE) y se evacua hasta un vacío ultra alto. La temperatura del sustrato se lleva hasta 620ºC para eliminar óxidos. Tras el crecimiento de una capa tampón de GaAs de 100 nm a 580ºC, la temperatura se reduce hasta 500ºC para el crecimiento de la primera capa de puntos cuánticos. Los valores absolutos de las temperaturas del sustrato son difíciles de evaluar en un sistema MBE. En este caso, la temperatura de referencia es la temperatura para la que la reconstrucción de la superficie de GaAs cambia de un patrón 2x4 a un patrón c4x4, monitorizándose este patrón con difracción de electrones de alta energía por reflexión (RHEED). Para la presión de fondo de arsénico utilizada aquí (2,6 x 10^{6} ámbar), se midió con un pirómetro que esta temperatura de referencia fue de 500ºC. Las otras temperaturas se midieron en relación con esta referencia empleando un termopar. La primera capa de puntos cuánticos está constituida por la deposición de 2,2 ML de InAs a un ritmo de crecimiento de 0,015 monocapas por segundo y cubierta inmediatamente con 12 nm de GaAs a 500ºC. La temperatura se eleva entonces hasta 580ºC, la muestra se templa durante 10 minutos y la temperatura se baja hasta 470ºC para el crecimiento de la capa activa de puntos cuánticos. Esta capa está constituida por la deposición de 2,7 ML de InAs a 470ºC, inmediatamente cubierta con 10 nm de GaAs a 470ºC. La temperatura se eleva entonces hasta 580ºC para el crecimiento del resto del revestimiento de GaAs (100 nm). Véanse las figuras 4 y 5 para la fotoluminiscencia a baja temperatura y a temperatura ambiente de tal muestra.
Para el segundo ejemplo (figuras 6 y 7), las únicas diferencias son que la capa separadora está constituida por 10 nm de GaAs seguidos por 2 nm de InGaAs con una composición de indio del 15% y que los primeros 5 nm de la capa de revestimiento se sustituyen por 5 nm de InGaAs con una composición de indio del 26%.
Explicación de las figuras
Figura 4
Espectro de fotoluminiscencia de baja excitación, a baja temperatura. La emisión alcanza un máximo en 0,968 eV (1280 nm) con una estrecha anchura a media altura de 14 meV indicativa de la gran uniformidad de los puntos cuánticos.
Figura 5
Espectro de alta excitación, a temperatura ambiente. La emisión en estado básico alcanza un máximo a 1390 nm y se extiende hasta aproximadamente 1430 nm. La emisión en el primer estado excitado se observa en torno a 1300 nm.
Figura 6
Espectro de fotoluminiscencia de baja excitación, a baja temperatura, del segundo ejemplo (que contiene InGaAs en las capas separadora y de revestimiento). La emisión alcanza un máximo a 0,918 eV (1350 nm) con una estrecha anchura a media altura de 14,5 meV indicativa de la gran uniformidad de los puntos cuánticos.
Figura 7
Espectro de fotoluminiscencia de alta excitación, a temperatura ambiente, del segundo ejemplo (que contiene InGaAs en las capas separadora y de revestimiento). La emisión en estado básico alcanza un máximo a 1480 nm y se extiende más allá de 1500 nm. La emisión en el primer estado excitado se produce a 1390 nm y la emisión en el segundo estado excitado, en torno a 1300 nm.

Claims (21)

1. Método de formación de la región activa de un dispositivo optoelectrónico que incorpora unos puntos cuánticos semiconductores cuya emisión en estado básico tiene lugar a longitudes de onda mayores que 1350 nm a una temperatura de sustancialmente 293 K, comprendiendo dicho método las etapas siguientes:
hacer crecer una primera capa de puntos cuánticos formada sobre una de entre una capa de sustrato o una capa tampón, sometiéndose a dichos puntos cuánticos de dicha primera capa a una tensión debido a un desajuste de redes entre dicha capa de sustrato y dichos puntos cuánticos de dicha primera capa;
hacer crecer una capa separadora sobre dicha primera capa y sometiéndose a dicha capa separadora a una tensión en las zonas tensionadas superpuestas a los puntos cuánticos de dicha primera capa debido un desajuste de redes entre dichos puntos cuánticos de dicha primera capa y dicha capa separadora;
hacer crecer una capa activa de puntos cuánticos sobre dicha capa separadora, formándose los puntos cuánticos de dicha capa activa predominantemente sobre las zonas tensionadas de dicha capa separadora de manera que la densidad superficial de puntos cuánticos de dicha capa activa esté sustancialmente determinada por la densidad superficial de puntos cuánticos de dicha primera capa, estando los puntos cuánticos de dicha capa activa en un estado de tensión relajada en el que dichos puntos cuánticos de dicha capa activa están sometidos a menos tensión que los puntos cuánticos que se han hecho crecer sobre una superficie no tensionada, siendo las condiciones de crecimiento para dicha capa activa diferentes a las de la primera capa y escogiéndose apropiadamente, siendo en particular la temperatura del sustrato suficientemente baja, de manera que se preserve sustancialmente dicho estado de tensión relajada y se limite el entremezclado de dichos puntos cuánticos de dicha capa activa con dicha capa separadora; y
hacer crecer una capa de revestimiento sobre dicha capa activa, escogiéndose las condiciones de crecimiento para dicha capa de revestimiento apropiadamente, siendo en particular la temperatura del sustrato suficientemente baja, de manera que se preserve sustancialmente dicho estado de tensión relajada y se limite el entremezclado de dichos puntos cuánticos de dicha capa activa con dicha capa separadora y con dicha capa de revestimiento.
2. Método según la reivindicación 1, en el que se hace crecer dicha capa separadora hasta un espesor comprendido entre 3 x 10^{-9} m y 3 x 10^{-8} m.
3. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, en el que se hace crecer dicha primera capa de puntos cuánticos a un ritmo de crecimiento de menos de 0,06 monocapas por segundo.
4. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1, 2 y 3, en el que se hace crecer dichos puntos cuánticos en dicha primera capa para tener una densidad superficial comprendida entre 10^{13} y 10^{15} por metro cuadrado.
5. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1, 2, 3 y 4, en el que dicha capa de revestimiento actúa como capa separadora para el crecimiento de una o más capas activas y capas de revestimiento adicionales.
6. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1, 2, 3 y 4, que comprende hacer crecer uno o más grupos adicionales de primeras capas, capas separadoras, capas activas y capas de revestimiento sobre dicha capa de revestimiento.
7. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dichos puntos cuánticos son unos de entre:
(i)
puntos cuánticos de InAs;
(ii)
puntos cuánticos de InGaAs; y
(iii)
puntos cuánticos de GaInNAs.
8. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que al menos parte de dicha capa de sustrato o de dicha capa tampón es una de entre:
(i)
GaAs;
(ii)
AlGaAs.
9. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que al menos parte de la capa separadora es una de entre:
(i)
GaAs;
(ii)
AlGaAs;
(iii)
InGaAs;
(iv)
InAlGaAs; y
(v)
GaInNAs.
10. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que al menos parte de dicha capa de revestimiento es una de entre:
(i)
GaAs;
(ii)
AlGaAs;
(iii)
InGaAs;
(iv)
InAlGaAs; y
(v)
GaInNAs.
11. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha capa activa funciona para realizar al menos una acción de entre:
(i)
emitir radiación;
(ii)
amplificar radiación;
(iii)
detectar radiación; y
(iv)
absorber radiación.
12. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el tamaño medio de los puntos cuánticos en dicha capa activa es diferente del tamaño medio de los puntos cuánticos en dicha primera capa.
13. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que se hace crecer dicha capa activa a una temperatura más baja que dicha primera capa.
14. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que se hace crecer dicha capa de revestimiento a una temperatura más baja que dicha primera capa.
15. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha capa separadora se templa antes de hacer crecer dicha capa activa sobre dicha capa separadora.
16. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el crecimiento entre dicha capa separadora y dicha capa activa se interrumpe a fin de cambiar los parámetros de crecimiento.
17. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el crecimiento entre dicha capa activa y dicha capa de revestimiento se interrumpe a fin de cambiar los parámetros de crecimiento.
18. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los puntos cuánticos de dicha primera capa se acoplan electrónicamente a los puntos cuánticos de dicha capa activa.
19. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dichos puntos cuánticos de dicha capa activa pueden funcionar para realizar al menos una acción de entre emitir, absorber o amplificar luz en sus estados básicos.
20. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dichos puntos cuánticos de dicha capa activa pueden funcionar para realizar al menos una acción de entre emitir, absorber o amplificar luz en sus estados excitados.
21. Dispositivo optoelectrónico que contiene una región activa a la que se hecho crecer según el método descrito en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 20.
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Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2409334A (en) * 2003-12-20 2005-06-22 Agilent Technologies Inc Quantum dot structure having GaAs layers formed at varying partial pressures
US7749787B2 (en) * 2004-12-08 2010-07-06 Electronics And Telecommunications Research Institute Method for forming quantum dots by alternate growth process
CN100511734C (zh) * 2005-08-31 2009-07-08 中国科学院半导体研究所 1.02-1.08微米波段InGaAs/GaAs量子点外延结构及其制造方法
CN100487864C (zh) * 2006-01-26 2009-05-13 中国科学院半导体研究所 宽光谱砷化铟/砷化铟镓/砷化镓量子点材料生长方法
WO2009116153A1 (ja) 2008-03-19 2009-09-24 富士通株式会社 半導体発光素子及びその製造方法
US7842595B2 (en) * 2009-03-04 2010-11-30 Alcatel-Lucent Usa Inc. Fabricating electronic-photonic devices having an active layer with spherical quantum dots
US20140175287A1 (en) * 2012-12-21 2014-06-26 Jarrod Vaillancourt Optical Antenna Enhanced Infrared Detector
CN103137789A (zh) * 2013-01-28 2013-06-05 中国科学院半导体研究所 制备低密度、长波长InAs/GaAs 量子点的方法
US9240449B2 (en) * 2014-05-26 2016-01-19 Yu-chen Chang Zero-dimensional electron devices and methods of fabricating the same
DE102016110041A1 (de) * 2016-05-31 2017-11-30 Osram Opto Semiconductors Gmbh Bauelement zum Detektieren von UV-Strahlung und Verfahren zur Herstellung eines Bauelements
CN109038220A (zh) * 2018-08-16 2018-12-18 海南师范大学 一种长波长InGaAs量子点结构及其制备方法
CN112262398B (zh) * 2018-11-19 2024-05-24 谷歌有限责任公司 通过双局域哈密顿量控制的三量子比特纠缠门
CN110768104A (zh) * 2019-12-02 2020-02-07 中山德华芯片技术有限公司 长波长GaInNAs/InGaAs复合量子点垂直腔面发射激光器

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69429906T2 (de) * 1993-11-25 2002-08-01 Nippon Telegraph And Telephone Corp., Tokio/Tokyo Halbleiterstruktur und Herstellungsverfahren
JP3672678B2 (ja) * 1996-04-05 2005-07-20 富士通株式会社 量子半導体装置およびその製造方法
US5888885A (en) * 1997-05-14 1999-03-30 Lucent Technologies Inc. Method for fabricating three-dimensional quantum dot arrays and resulting products
JP4138930B2 (ja) * 1998-03-17 2008-08-27 富士通株式会社 量子半導体装置および量子半導体発光装置
CA2268997C (en) * 1998-05-05 2005-03-22 National Research Council Of Canada Quantum dot infrared photodetectors (qdip) and methods of making the same
JP2000196193A (ja) * 1998-12-25 2000-07-14 Fujitsu Ltd 半導体装置及びその製造方法
US6507042B1 (en) * 1998-12-25 2003-01-14 Fujitsu Limited Semiconductor device and method of manufacturing the same
KR100319300B1 (ko) * 2000-03-23 2002-01-04 윤종용 이종접합구조의 양자점 버퍼층을 가지는 반도체 소자
DE10042947A1 (de) * 2000-08-31 2002-03-21 Osram Opto Semiconductors Gmbh Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement auf GaN-Basis
US6816525B2 (en) * 2000-09-22 2004-11-09 Andreas Stintz Quantum dot lasers
US6600169B2 (en) * 2000-09-22 2003-07-29 Andreas Stintz Quantum dash device
JP3753605B2 (ja) * 2000-11-01 2006-03-08 シャープ株式会社 太陽電池およびその製造方法
SG98018A1 (en) * 2000-12-08 2003-08-20 Inst Materials Research & Eng A method of fabricating a semiconductor structure having quantum wires and a semiconductor device including such structure
JP2002184970A (ja) * 2000-12-15 2002-06-28 Fujitsu Ltd 量子ドットを含む半導体装置、その製造方法及び半導体レーザ装置
GB2373371A (en) * 2001-03-17 2002-09-18 Agilent Technologies Inc Quantum dot laser structure
US6645885B2 (en) * 2001-09-27 2003-11-11 The National University Of Singapore Forming indium nitride (InN) and indium gallium nitride (InGaN) quantum dots grown by metal-organic-vapor-phase-epitaxy (MOCVD)
JP4041877B2 (ja) * 2001-12-27 2008-02-06 国立大学法人 筑波大学 半導体装置
JP3868353B2 (ja) * 2002-08-27 2007-01-17 富士通株式会社 量子ドットを有する半導体光装置

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