專利名稱：用于半導(dǎo)體光放大器的寬增益譜量子點(diǎn)材料結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子材料和器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于半導(dǎo)體光放大 器的寬增益譜量子點(diǎn)材料結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
隨著新一代大容量高速光通信技術(shù)和全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，波分復(fù)用系統(tǒng)由于能 夠最大限度地利用光纖的傳輸容量，已成為光信號(hào)傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)。然而，對于波分復(fù)用系 統(tǒng)中的多個(gè)信道的放大和處理，則需要經(jīng)過解復(fù)用之后分別進(jìn)行，一方面使得系統(tǒng)造價(jià)過 高，另一方面導(dǎo)致速度瓶頸。利用量子點(diǎn)材料制作半導(dǎo)體光放大器，不僅可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)信道 波長的同時(shí)放大和處理，而且保持光學(xué)透明傳輸，提高信號(hào)傳輸速率。目前利用自組織生長的不均勻的量子點(diǎn)材料制作的光電子器件主要有以下幾 種(1)寬光譜量子點(diǎn)激光器(參見 A. Kovsh，et al.，Opt. Lett.，Vol. 32，No. 7，pp 793-795，2007.)，有源區(qū)材料結(jié)構(gòu)為3層各3個(gè)周期的砷化銦/銦鎵砷量子點(diǎn)，通過變化 InO. 15GaO. 85As應(yīng)變減少層的厚度，有意地獲得更寬的量子點(diǎn)光躍遷，激射光譜的波長范 圍1.2-1. 28微米，然而，其光譜基態(tài)和激發(fā)態(tài)疊加區(qū)域有明顯的凹陷；(2)寬發(fā)射譜量子點(diǎn)超輻射發(fā)光管(參見L. H. Li, et al.，Phys. Stat. Sol. (B)， Vol. 243, No. 15，pp =3988-3992, 2006.)，有源區(qū)材料為7層不垂直耦合的量子點(diǎn)，通過變化 InGaAs應(yīng)變減少層中銦的組分或每層中砷化銦的沉積量，在1. 3微米波段獲得115nm的發(fā) 光譜；另外，基于磷化銦基量子點(diǎn)材料制作的工作在1. 55微米波段的寬帶半導(dǎo)體光放 大器已經(jīng)有文獻(xiàn)報(bào)道(參見 T. Akiyama et al.，Photon. Technol. Lett.，Vol. 17，No. 8，pp 1614-1616,2005.)。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明的主要目的在于提出一種用于半導(dǎo)體光放大器的寬增益譜量子點(diǎn)材料 結(jié)構(gòu)，給出材料基本結(jié)構(gòu)和生長參數(shù)，實(shí)現(xiàn)寬增益譜非均勻展寬的量子點(diǎn)，以此材料制作 的半導(dǎo)體光放大器稱作量子點(diǎn)半導(dǎo)體光放大器(quantum dot semiconductor optical amplifier, QD-S0A)，其工作窗口可以控制在1. 3微米光纖通信低損耗區(qū)域。( 二 )技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種用于半導(dǎo)體光放大器的寬增益譜量子點(diǎn)材料 結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)利用多層不同尺寸設(shè)計(jì)的量子點(diǎn)的非均勻展寬特性，獲得寬的增益譜，包括一 N型砷化鎵襯底；一 N型砷化鎵緩沖層，生長在N型砷化鎵襯底上，用于隔離襯底上的缺陷；一 N型鋁鎵砷光學(xué)下限制層，生長在N型砷化鎵緩沖層上，用于光學(xué)模式和載流子的限制；一多層不同周期的自組織量子點(diǎn)有源層，生長在N型鋁鎵砷光學(xué)下限制層上；一 P型鋁鎵砷光學(xué)上限制層，生長在該量子點(diǎn)有源層上，用于光學(xué)模式和載流子 的限制；以及一 P型砷化鎵帽層，生長在該P(yáng)型鋁鎵砷光學(xué)上限制層上，用于電極接觸。上述方案中，所述多層不同周期的自組織量子點(diǎn)有源層包括N1個(gè)周期砷化銦/砷化鎵堆垛生長的量子點(diǎn)層，附為4 6 ；N2個(gè)周期砷化銦/砷化鎵堆垛生長的量子點(diǎn)層，N2為3 5 ；以及N3個(gè)周期砷化銦/砷化鎵堆垛生長的量子點(diǎn)層，N3為2 4。上述方案中，所述每種堆垛生長的量子點(diǎn)層均生長在一量子點(diǎn)種子層上，在量子 點(diǎn)種子層生長之前均生長一層預(yù)應(yīng)變層，在堆垛量子點(diǎn)層生長之后均生長一層應(yīng)變減少 層，在應(yīng)變減少層和預(yù)應(yīng)變層之間為一砷化鎵隔離層，在第一個(gè)預(yù)應(yīng)變層之前和最后一個(gè) 應(yīng)變減少層之后分別生長一層砷化鎵。上述方案中，所述N型砷化鎵緩沖層和N型鋁鎵砷光學(xué)下限制層的生長溫度在 600°C，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)預(yù)應(yīng)變層之前的砷化鎵層生長到80 lOOnm時(shí)，降低生長溫度至510°C，繼 續(xù)生長20 40nm的砷化鎵和多層不同周期的自組織量子點(diǎn)有源層，當(dāng)最后一個(gè)應(yīng)變減少 層之后的砷化鎵層生長到20 40nm時(shí)，重新升高生長溫度至600°C，繼續(xù)生長80 lOOnm 砷化鎵層、鋁鎵砷上限制層和砷化鎵帽層。上述方案中，所述量子點(diǎn)種子層結(jié)構(gòu)為2 3個(gè)原子單層的砷化銦生長在8 10 個(gè)原子單層的砷化鎵上，種子層的生長是為了在生長周期結(jié)構(gòu)的堆垛量子點(diǎn)層時(shí)有確定的 沉積位置，有利于周期沉積的砷化銦在生長方向耦合，形成柱狀的量子點(diǎn)。上述方案中，所述預(yù)應(yīng)變層和應(yīng)變減少層均為銦鎵砷層，銦的組分在0. 1 0. 3之 間，厚度分別在1 2nm和4 6nm。上述方案中，所述在應(yīng)變減少層和預(yù)應(yīng)變層之間的砷化鎵隔離層的厚度在40 80nm，是為了避免m，N2，N3不同層量子點(diǎn)之間耦合；不同尺寸設(shè)計(jì)的量子點(diǎn)在空間上被隔 離，具有各自的非均勻增益譜寬和躍遷能級(jí)，疊加后小量子點(diǎn)的基態(tài)和大量子點(diǎn)的激發(fā)態(tài) 增益譜相互交疊，形成大而平滑的非均勻展寬。上述方案中，所述每一層的量子點(diǎn)的非均勻展寬在10%以內(nèi)。上述方案中，所述多層不同周期的自組織量子點(diǎn)有源層采用低溫、預(yù)應(yīng)變和生長 停頓相結(jié)合的方法生長，以達(dá)到長波長和寬增益譜。上述方案中，所述多層不同周期的自組織量子點(diǎn)有源層中量子點(diǎn)均采用自組織生 長，堆垛量子點(diǎn)層為2 4個(gè)原子單層的砷化鎵/I 2個(gè)原子單層的砷化銦的周期結(jié)構(gòu)，周 期數(shù)目分別為附、N2、N3，砷化鎵和砷化銦生長過程中均停頓80 100秒，附> N2 > N3， 附在4 6之間，N2在3 5之間，N3在2 4之間，三層具有不同堆垛周期，以獲得不同 尺寸的量子點(diǎn)分布，其中每一層的量子點(diǎn)的非均勻展寬在10%以內(nèi)。(三)有益效果本發(fā)明提供的這種用于半導(dǎo)體光放大器的寬增益譜量子點(diǎn)材料結(jié)構(gòu)，給出材料基 本結(jié)構(gòu)和生長參數(shù)，利用多層不同尺寸設(shè)計(jì)的量子點(diǎn)的非均勻展寬特性，獲得寬的增益譜， 實(shí)現(xiàn)寬增益譜非均勻展寬的量子點(diǎn)，以此材料制作的半導(dǎo)體光放大器稱作量子點(diǎn)半導(dǎo)體光放大器(quantum dot semiconductor optical amplifier，QD-SOA)，其工作窗口可以控制 在1. 3微米光纖通信低損耗區(qū)域。


圖1是本發(fā)明提供的用于半導(dǎo)體光放大器的寬增益譜量子點(diǎn)材料結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2是多層不同周期的自組織量子點(diǎn)有源層4的生長示意圖；圖3是周期生長的砷化鎵/砷化銦形成柱狀量子點(diǎn)的示意圖；圖4是不同大小量子點(diǎn)群增益譜擴(kuò)展示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。請結(jié)合參閱附圖，圖1是本發(fā)明提供的用于半導(dǎo)體光放大器的寬增益譜量子點(diǎn)材 料結(jié)構(gòu)的示意圖，該結(jié)構(gòu)利用多層不同尺寸設(shè)計(jì)的量子點(diǎn)的非均勻展寬特性，獲得寬的增 益譜，包括一 N型砷化鎵襯底1 ；一 N型砷化鎵緩沖層2，生長在N型砷化鎵襯底1上，生長溫度600°C，用于隔離襯 底上的缺陷；一 N型鋁鎵砷光學(xué)下限制層3，生長在N型砷化鎵緩沖層2上，生長溫度600°C，用 于光學(xué)模式和載流子的限制；一多層不同周期的自組織量子點(diǎn)有源層4，生長在鋁鎵砷光學(xué)下限制層3上，采用 低溫、預(yù)應(yīng)變和生長停頓相結(jié)合的方法生長，以達(dá)到長波長和寬增益譜；該有源層4的結(jié)構(gòu)包括一 N1個(gè)周期砷化銦/砷化鎵堆垛生長的量子點(diǎn)層，附為4 6 ；一 N2個(gè)周期砷化銦/砷化鎵堆垛生長的量子點(diǎn)層，N2為3 5 ；一 N3個(gè)周期砷化銦/砷化鎵堆垛生長的量子點(diǎn)層，N3為2 4 ；每一層的量子點(diǎn)的非均勻展寬在10%以內(nèi)；每種堆垛生長的量子點(diǎn)層均生長在量子點(diǎn)種子層上；在量子點(diǎn)種子層生長之前均生長一層預(yù)應(yīng)變層；在堆垛量子點(diǎn)層生長之后均生長一層應(yīng)變減少層；在應(yīng)變減少層和預(yù)應(yīng)變層之間為一砷化鎵隔離層；在第一個(gè)預(yù)應(yīng)變層之前和最后一個(gè)應(yīng)變減少層之后分別生長一層砷化鎵Al，A2。其中砷化鎵A1在600°C生長80 lOOnm之后，降低生長溫度至510°C，繼續(xù)生長 20 40nm，然后保持510°C生長量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)B1，B2，B3和砷化鎵隔離層，砷化鎵A2在510°C 生長20 40nm之后，升高生長溫度至600°C，繼續(xù)生長80 lOOnm，然后保持600°C生長下 述P型鋁鎵砷上限制層5。一 P型鋁鎵砷光學(xué)上限制層5，生長在自組織量子點(diǎn)有源層4上，同樣用于光學(xué)模 式和載流子的限制，生長溫度600°C ；一 P型砷化鎵帽層6，生長在該P(yáng)型鋁鎵砷光學(xué)上限制層上，起電極接觸作用，生長溫度600°C。其中Bl，B2，B3的結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中包括預(yù)應(yīng)變層1，采用銦鎵砷材料，銦的組分在0. 1 0. 3之間，厚度在1 2nm ；8 10個(gè)原子單層的砷化鎵2，生長在預(yù)應(yīng)變層1上；2 3個(gè)原子單層的砷化銦3，生長在砷化鎵2上，自組織形成砷化銦量子點(diǎn)，2和 3構(gòu)成量子點(diǎn)種子層；2 4個(gè)原子單層的砷化鎵4，生長在砷化銦量子點(diǎn)3上，生長后停頓80-100秒；1 2個(gè)原子單層的砷化銦5，生長在砷化鎵4上，生長后停頓80-100秒，自組織 形成砷化銦量子點(diǎn)，由于種子層的存在，該層量子點(diǎn)形成時(shí)，更加易于沉積到種子層點(diǎn)的正 上方，4和5組成周期單元，擴(kuò)展到N個(gè)周期，當(dāng)N = Nl，N2, N3時(shí)，分別對應(yīng)Bl，B2, B3結(jié) 構(gòu)；應(yīng)變減少層6，采用銦鎵砷材料，銦的組分在0. 1 0. 3之間，生長在最后一層砷化 銦自組織量子點(diǎn)上，厚度在4 6nm。利用本發(fā)明設(shè)計(jì)可以得到多層不同大小組群的量子點(diǎn)分布，每一層內(nèi)量子點(diǎn)的非 均勻展寬在10 %以內(nèi)，層與層之間通過有意設(shè)計(jì)不同的周期數(shù)目，獲得不同大小和形貌的 量子點(diǎn)，人為造成不均勻分布。這樣，不同層之間的非均勻展寬的增益譜相互疊加，小量子 點(diǎn)的基態(tài)擴(kuò)展到大量子點(diǎn)的激發(fā)態(tài)，整個(gè)增益譜表現(xiàn)出平滑的寬帶性質(zhì)，如圖4所表示。利 用本發(fā)明設(shè)計(jì)的量子點(diǎn)材料制作的半導(dǎo)體光放大器，可以同時(shí)對多個(gè)波長信道進(jìn)行放大和 處理，這種QD-S0A器件將成為下一代光通信和光網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵器件。以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種用于半導(dǎo)體光放大器的寬增益譜量子點(diǎn)材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，該結(jié)構(gòu)利用多層不同尺寸設(shè)計(jì)的量子點(diǎn)的非均勻展寬特性，獲得寬的增益譜，包括一N型砷化鎵襯底；一N型砷化鎵緩沖層，生長在N型砷化鎵襯底上，用于隔離襯底上的缺陷；一N型鋁鎵砷光學(xué)下限制層，生長在N型砷化鎵緩沖層上，用于光學(xué)模式和載流子的限制；一多層不同周期的自組織量子點(diǎn)有源層，生長在N型鋁鎵砷光學(xué)下限制層上；一P型鋁鎵砷光學(xué)上限制層，生長在該量子點(diǎn)有源層上，用于光學(xué)模式和載流子的限制；以及一P型砷化鎵帽層，生長在該P(yáng)型鋁鎵砷光學(xué)上限制層上，用于電極接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于半導(dǎo)體光放大器的寬增益譜量子點(diǎn)材料結(jié)構(gòu)，其特征在 于，所述多層不同周期的自組織量子點(diǎn)有源層包括N1個(gè)周期砷化銦/砷化鎵堆垛生長的量子點(diǎn)層，m為4 6 ；N2個(gè)周期砷化銦/砷化鎵堆垛生長的量子點(diǎn)層，N2為3 5 ；以及N3個(gè)周期砷化銦/砷化鎵堆垛生長的量子點(diǎn)層，N3為2 4。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于半導(dǎo)體光放大器的寬增益譜量子點(diǎn)材料結(jié)構(gòu)，其特征在 于，所述每種堆垛生長的量子點(diǎn)層均生長在一量子點(diǎn)種子層上，在量子點(diǎn)種子層生長之前 均生長一層預(yù)應(yīng)變層，在堆垛量子點(diǎn)層生長之后均生長一層應(yīng)變減少層，在應(yīng)變減少層和 預(yù)應(yīng)變層之間為一砷化鎵隔離層，在第一個(gè)預(yù)應(yīng)變層之前和最后一個(gè)應(yīng)變減少層之后分別 生長一層砷化鎵。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于半導(dǎo)體光放大器的寬增益譜量子點(diǎn)材料結(jié)構(gòu)，其特征在 于，所述N型砷化鎵緩沖層和N型鋁鎵砷光學(xué)下限制層的生長溫度在600°C，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)預(yù)應(yīng) 變層之前的砷化鎵層生長到80 lOOnm時(shí)，降低生長溫度至510°C，繼續(xù)生長20 40nm的 砷化鎵和多層不同周期的自組織量子點(diǎn)有源層，當(dāng)最后一個(gè)應(yīng)變減少層之后的砷化鎵層生 長到20 40nm時(shí)，重新升高生長溫度至600°C，繼續(xù)生長80 lOOnm砷化鎵層、鋁鎵砷上 限制層和砷化鎵帽層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于半導(dǎo)體光放大器的寬增益譜量子點(diǎn)材料結(jié)構(gòu)，其特征在 于，所述量子點(diǎn)種子層結(jié)構(gòu)為2 3個(gè)原子單層的砷化銦生長在8 10個(gè)原子單層的砷化 鎵上，種子層的生長是為了在生長周期結(jié)構(gòu)的堆垛量子點(diǎn)層時(shí)有確定的沉積位置，有利于 周期沉積的砷化銦在生長方向耦合，形成柱狀的量子點(diǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于半導(dǎo)體光放大器的寬增益譜量子點(diǎn)材料結(jié)構(gòu)，其特征 在于，所述預(yù)應(yīng)變層和應(yīng)變減少層均為銦鎵砷層，銦的組分在0. 1 0. 3之間，厚度分別在 1 2nm 禾口 4 6nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于半導(dǎo)體光放大器的寬增益譜量子點(diǎn)材料結(jié)構(gòu)，其特征 在于，所述在應(yīng)變減少層和預(yù)應(yīng)變層之間的砷化鎵隔離層的厚度在40 80nm，是為了避免 Nl, N2, N3不同層量子點(diǎn)之間耦合；不同尺寸設(shè)計(jì)的量子點(diǎn)在空間上被隔離，具有各自的非 均勻增益譜寬和躍遷能級(jí)，疊加后小量子點(diǎn)的基態(tài)和大量子點(diǎn)的激發(fā)態(tài)增益譜相互交疊， 形成大而平滑的非均勻展寬。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于半導(dǎo)體光放大器的寬增益譜量子點(diǎn)材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述每一層的量子點(diǎn)的非均勻展寬在10%以內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于半導(dǎo)體光放大器的寬增益譜量子點(diǎn)材料結(jié)構(gòu)，其特征在 于，所述多層不同周期的自組織量子點(diǎn)有源層采用低溫、預(yù)應(yīng)變和生長停頓相結(jié)合的方法 生長，以達(dá)到長波長和寬增益譜。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于半導(dǎo)體光放大器的寬增益譜量子點(diǎn)材料結(jié)構(gòu)，其特征 在于，所述多層不同周期的自組織量子點(diǎn)有源層中量子點(diǎn)均采用自組織生長，堆垛量子點(diǎn) 層為2 4個(gè)原子單層的砷化鎵/I 2個(gè)原子單層的砷化銦的周期結(jié)構(gòu)，周期數(shù)目分別為 m、N2、N3，砷化鎵和砷化銦生長過程中均停頓80 100秒，m > N2 > N3，m在4 6之 間，N2在3 5之間，N3在2 4之間，三層具有不同堆垛周期，以獲得不同尺寸的量子點(diǎn) 分布，其中每一層的量子點(diǎn)的非均勻展寬在10%以內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于半導(dǎo)體光放大器的寬增益譜量子點(diǎn)材料結(jié)構(gòu)，包括一N型砷化鎵襯底；一N型砷化鎵緩沖層，生長在N型砷化鎵襯底上，用于隔離襯底上的缺陷；一N型鋁鎵砷光學(xué)下限制層，生長在N型砷化鎵緩沖層上，用于光學(xué)模式和載流子的限制；一多層不同周期的自組織量子點(diǎn)有源層，生長在N型鋁鎵砷光學(xué)下限制層上；一P型鋁鎵砷光學(xué)上限制層，生長在該量子點(diǎn)有源層上，用于光學(xué)模式和載流子的限制；以及一P型砷化鎵帽層，生長在該P(yáng)型鋁鎵砷光學(xué)上限制層上，用于電極接觸。該結(jié)構(gòu)利用多層不同尺寸設(shè)計(jì)的量子點(diǎn)的非均勻展寬特性，獲得寬的增益譜。
文檔編號(hào)H01S5/30GK101867155SQ20091008198
公開日2010年10月20日 申請日期2009年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月15日
發(fā)明者劉王來, 葉小玲, 徐波, 王占國 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所