專利名稱：制作砷化銦/磷化銦量子點(diǎn)激光器有源區(qū)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種制作砷化銦/磷化銦量子點(diǎn)激光器有源區(qū)的方法，該方法基于低維半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)材料的量子器件，如砷化(鎵)銦/磷化銦(In(Ga)As/InP)量子點(diǎn)激光器有源區(qū)的外延生長(zhǎng)方法。具體地涉及通過控制生長(zhǎng)停頓期間V族保護(hù)源調(diào)節(jié)砷化銦/磷化銦量子點(diǎn)材料發(fā)光波長(zhǎng)。
背景技術(shù)：
新一代高速光通信系統(tǒng)迫切需要低功耗、高性能長(zhǎng)波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光光源。作為傳送信號(hào)載體光波的發(fā)射源或光源的重要候選，半導(dǎo)體量子點(diǎn)激光器因其諸多優(yōu)勢(shì)受到了科學(xué)家們的極大關(guān)注。量子點(diǎn)具有三維限制載流子運(yùn)動(dòng)的能力，會(huì)產(chǎn)生類似原子的分裂能級(jí)，從而產(chǎn)生了很多獨(dú)特的光電性質(zhì)。半導(dǎo)體量子點(diǎn)激光器相比于一維受限的量子阱激光器具 有更好的溫度穩(wěn)定性，更低的閾值電流密度、更高的微分增益、更小的頻率啁啾效應(yīng)等優(yōu)越性能。截止目前，基于砷化鎵(GaAs)基的In(Ga)As量子點(diǎn)已被廣泛深入研究。但由于InAs與GaAs材料晶格失配較大(7. 1% )，InAs/GaAs量子點(diǎn)材料主要發(fā)光在1_1. 3 u m范圍，盡管人們做了很多嘗試試圖拉長(zhǎng)該體系量子點(diǎn)發(fā)光波長(zhǎng)，作為光通訊應(yīng)用的C波段(1530-1561nm)范圍仍難以達(dá)到。因此，為了獲得高性能I. 55微米長(zhǎng)波長(zhǎng)量子點(diǎn)光源，人們將目光轉(zhuǎn)向晶格失配較小(3.2% )的InAs/InP量子點(diǎn)材料系統(tǒng)。由于InAs與InP的晶格失配小，采用應(yīng)變自組織方式(SK)生長(zhǎng)的InAs量子點(diǎn)相比于GaAs基上量子點(diǎn)尺寸較大。生長(zhǎng)的InP基InAs量子點(diǎn)發(fā)光波長(zhǎng)一般在I. 6-1. 9 u m范圍，超出了光通訊應(yīng)用所需波長(zhǎng)范圍。為滿足需要，人們迫切需要探索將InAs/InP波長(zhǎng)調(diào)至I. 55 ii m波段的技術(shù)。同時(shí)，由于在InP上生長(zhǎng)InAs量子點(diǎn)具有As/P互換效應(yīng)從而向量子點(diǎn)中引入了額外InAs沉積量，進(jìn)一步增大了量子點(diǎn)的體積，加大了 InAs/InP量子點(diǎn)的發(fā)光波長(zhǎng)。產(chǎn)生的大量子點(diǎn)引入缺陷降低量子點(diǎn)的發(fā)光效率。目前文獻(xiàn)報(bào)道的調(diào)節(jié)波長(zhǎng)的技術(shù)主要是通過向量子點(diǎn)下插入GaAs薄層或者向量子點(diǎn)中摻入Ga組分來調(diào)節(jié)波長(zhǎng)，但結(jié)果都極大的降低量子點(diǎn)的發(fā)光效率以及增大量子點(diǎn)發(fā)光光譜的半高寬，從而降低了量子點(diǎn)激光器的光學(xué)性能。為了能獲得較好光學(xué)性能且波長(zhǎng)精確可控的InAs/InP量子點(diǎn)，我們提出一種制作砷化銦/磷化銦量子點(diǎn)激光器有源區(qū)的方法，通過控制生長(zhǎng)停頓間隙V族源保護(hù)有效調(diào)節(jié)砷化銦/磷化銦量子點(diǎn)材料發(fā)光波長(zhǎng)。通過精確控制生長(zhǎng)停頓間隙V族源保護(hù)，在寬達(dá)400nm范圍實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧，同時(shí)削減發(fā)光光譜半高寬，保證量子點(diǎn)具有良好可控的光學(xué)性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種制作砷化銦/磷化銦量子點(diǎn)激光器有源區(qū)的方法，其是在砷化銦/磷化銦量子點(diǎn)生長(zhǎng)停頓間隙，通過改變五族保護(hù)源流量來抑制As/P互換效應(yīng)，調(diào)控量子點(diǎn)形貌，結(jié)合兩步生長(zhǎng)蓋層技術(shù)，達(dá)到既保持良好光學(xué)性能又能調(diào)諧發(fā)光波長(zhǎng)的目的。這種方法可以實(shí)現(xiàn)InAs/InP量子點(diǎn)發(fā)光波從I. 3-1. 7微米(y m)寬達(dá)400nm的范圍內(nèi)可控調(diào)節(jié)。本發(fā)明提供一種制作砷化銦/磷化銦量子點(diǎn)激光器有源區(qū)的方法，包括如下步驟步驟I :選擇一磷化銦襯底；步驟2 :在該磷化銦襯底上外延生長(zhǎng)一層磷化銦緩沖層；步驟3 :在磷化銦緩沖層上沉積晶格匹配的銦鎵砷磷薄層；步驟4 :在銦鎵砷磷薄層上外延生長(zhǎng)多周期的砷化銦量子點(diǎn)有源層；
步驟5 :在砷化銦量子點(diǎn)有源層上沉積銦鎵砷磷蓋層，完成量子點(diǎn)激光器有源區(qū)的制備。


為了進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖詳細(xì)說明如后，其中圖I是外延結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是隨生長(zhǎng)停頓間隙V族保護(hù)源變化而改變的InAs/InP量子點(diǎn)有源區(qū)光致發(fā)光譜(PL)。
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖I所示，本發(fā)明提供一種制作砷化銦/磷化銦量子點(diǎn)激光器有源區(qū)的方法，包括如下步驟步驟I :選擇一磷化銦襯底10，該襯底為n+型InP單晶片，晶向?yàn)?100)，厚度為325-375um，摻雜濃度為(1-3) XlO18Cm'步驟2 :在該磷化銦襯底10上外延生長(zhǎng)一層磷化銦緩沖層11，該磷化銦緩沖層11的生長(zhǎng)溫度為645°C，厚度為300nm，V族與III族源摩爾比為200。步驟3 :在磷化銦緩沖層11上沉積晶格匹配的銦鎵砷磷薄層12，該銦鎵砷磷薄層12的生長(zhǎng)溫度為645°C ;淀積厚度IOOnm ;其生長(zhǎng)速度為0. 5nm/s，V族源As、P與III族源Ga、In的摩爾流量(V/III)為150。在生長(zhǎng)激光器結(jié)構(gòu)時(shí)，本層作為激光器的下限制波導(dǎo)層。步驟4 :在銦鎵砷磷薄層12上外延生長(zhǎng)多周期的砷化銦量子點(diǎn)有源層13，該多周期的砷化銦量子點(diǎn)有源層13的周期數(shù)為1-20，所述多周期的砷化銦量子點(diǎn)有源層13的每一周期包括一層量子點(diǎn)層131，第一蓋層132，第二蓋層133。其量子點(diǎn)層131生長(zhǎng)溫度為480°C，沉積厚度為2ML，沉積速度為0. 33ML/s，V/III為4. I。沉積完砷化銦量子點(diǎn)層131，關(guān)閉In源，生長(zhǎng)停頓期間通過降低As保護(hù)流量或者交替開和關(guān)砷源，起到調(diào)節(jié)量子點(diǎn)發(fā)光波長(zhǎng)的作用。降低As保護(hù)一方面有助于抑制In原子在生長(zhǎng)表面上的遷移，減小量子點(diǎn)的尺寸，從而達(dá)到調(diào)節(jié)波長(zhǎng)的目的；另一方面，As保護(hù)流量的降低抑制了基底InGaAsP中In原子因As/P互換效應(yīng)向量子點(diǎn)中的遷移，阻止量子點(diǎn)尺寸以及尺寸分布的進(jìn)一步加大。所述生長(zhǎng)停頓時(shí)間為5秒，As保護(hù)氣氛的摩爾流量在O-Isccm之間變化；過長(zhǎng)的生長(zhǎng)停頓時(shí)間會(huì)促進(jìn)大量子點(diǎn)的形成，從而使激光器有源區(qū)發(fā)光波長(zhǎng)紅移。生長(zhǎng)停頓結(jié)束后，在量子點(diǎn)層131上生長(zhǎng)第一蓋層132,在第一蓋層132上生長(zhǎng)第二蓋層133。所述第一蓋層132的生長(zhǎng)溫度與量子點(diǎn)生長(zhǎng)溫度相同，其中V/III比為250，厚度為10nm。沉積完InGaAsP第一蓋層131后，關(guān)閉所有III族源及V族砷源，只采用PH3保護(hù)第一蓋層132表面。其保護(hù)流量為30SCCm。所述第二蓋層133厚度為30nm，生長(zhǎng)溫度為510°C，較高的生長(zhǎng)溫度有助于獲得高質(zhì)量的四元系InGaAsP材料，減少因溫度過低，生長(zhǎng)源不完全分解導(dǎo)致的缺陷引入，從而提高整體器件的工作效率。但過高的第二蓋層133生長(zhǎng)溫度，在生長(zhǎng)疊層量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)時(shí)較大幅度的反復(fù)升降溫會(huì)引起量子點(diǎn)反復(fù)退火，不利于獲得高質(zhì)量的量子點(diǎn)激光器有源區(qū)材料。以上所述量子點(diǎn)層131，第一蓋層132，第二蓋層133三部分構(gòu)成一完整周期量子點(diǎn)有緣層13。多層結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)構(gòu)成的有源區(qū)重復(fù)本步驟4生長(zhǎng)。步驟5 :在砷化銦量子點(diǎn)有源層13上沉積銦鎵砷磷蓋層14，完成量子點(diǎn)激光器有源區(qū)的制備。所述銦鎵砷磷蓋層14生長(zhǎng)速度為0. 5nm/s，生長(zhǎng)溫度為645°C，其厚度為lOOnm。在生長(zhǎng)激光器結(jié)構(gòu)時(shí),本層作為激光器的上限制波導(dǎo)層。
以上所述外延生長(zhǎng)采用金屬有機(jī)化學(xué)沉積法，外延生長(zhǎng)使用的源分別是三甲基銦(TMIn)，三乙基鎵(TEGa)，砷烷(AsH3)，磷烷(PH3)。圖2為控制生長(zhǎng)停頓V族保護(hù)源的InAs/InP量子點(diǎn)有源區(qū)光致發(fā)光譜(PL)。PL峰位隨停頓間隙AsH3流量的減少而藍(lán)移。圖中所有樣品停頓時(shí)間均為5s。其中樣品A為5s采用AsH3持續(xù)保護(hù)，流量為Isccm ;樣品B為5s內(nèi)AsH3持續(xù)保護(hù)，流量降低為0. 5sccm ；樣品C采用間斷保護(hù)，前3s切斷AsH3保護(hù)，然后再打開AsH3時(shí)間2s，打開流量為Isccm ；樣品D為完全關(guān)閉AsH3，沒有AsH3保護(hù)。從A、B、C、D樣品PL結(jié)果可以看出，樣品峰位隨著AsH3保護(hù)流量的減少持續(xù)藍(lán)移，調(diào)節(jié)范圍從I. 66 ii m到I. 34 y m寬達(dá)320nm范圍之間連續(xù)變化；且PL譜半高全寬(FWHM)從107. 8mev (240nm)減小到91mev(130nm)。從而我們可以通過控制生長(zhǎng)停頓間隙V族保護(hù)源來有效調(diào)節(jié)InAs/InP量子點(diǎn)發(fā)光波長(zhǎng)使其覆蓋全部通訊波段(I. 3和I. 55微米波段)。依此方法為基礎(chǔ)，生長(zhǎng)疊層結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)作為半導(dǎo)體量子點(diǎn)激光器的有源區(qū)可以保證激光器件具有良好波長(zhǎng)可控性和優(yōu)越的器件性能。以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種制作砷化銦/磷化銦量子點(diǎn)激光器有源區(qū)的方法，包括如下步驟 步驟I :選擇一磷化銦襯底； 步驟2 :在該磷化銦襯底上外延生長(zhǎng)一層磷化銦緩沖層； 步驟3 :在磷化銦緩沖層上沉積晶格匹配的銦鎵砷磷薄層； 步驟4 :在銦鎵砷磷薄層上外延生長(zhǎng)多周期的砷化銦量子點(diǎn)有源層； 步驟5 :在砷化銦量子點(diǎn)有源層上沉積銦鎵砷磷蓋層，完成量子點(diǎn)激光器有源區(qū)的制備。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制作砷化銦/磷化銦量子點(diǎn)激光器有源區(qū)的方法，其中多周期的砷化銦量子點(diǎn)有源層的周期數(shù)為1-20。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制作砷化銦/磷化銦量子點(diǎn)激光器有源區(qū)的方法，其中多周期的砷化銦量子點(diǎn)有源層的每一周期包括一量子點(diǎn)層，第一蓋層，第二蓋層；沉積完砷化銦量子點(diǎn)層，關(guān)閉銦源，生長(zhǎng)停頓期間通過降低砷保護(hù)氣氛流量或者交替開和關(guān)砷源，起到調(diào)節(jié)量子點(diǎn)發(fā)光波長(zhǎng)的作用，在量子點(diǎn)上生長(zhǎng)第一蓋層，在第一蓋層上生長(zhǎng)第二蓋層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制作砷化銦/磷化銦量子點(diǎn)激光器有源區(qū)的方法，其中生長(zhǎng)停頓時(shí)間在120秒以內(nèi)，砷保護(hù)氣氛的摩爾流量> Osccm0
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制作砷化銦/磷化銦量子點(diǎn)激光器有源區(qū)的方法，其中第一蓋層的生長(zhǎng)溫度介于430至560°C之間，淀積厚度介于I到20nm之間，該第二蓋層的生長(zhǎng)溫度高于第一蓋層的生長(zhǎng)溫度，該砷化銦量子點(diǎn)有源層的厚度小于60nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制作砷化銦/磷化銦量子點(diǎn)激光器有源區(qū)的方法，其中磷化銦緩沖層的生長(zhǎng)溫度介于550°C至650°C之間；V族與III族源摩爾比大于50。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制作砷化銦/磷化銦量子點(diǎn)激光器有源區(qū)的方法，其中銦鎵砷磷薄層的生長(zhǎng)溫度介于550°C至650°C之間；淀積厚度小于300nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制作砷化銦/磷化銦量子點(diǎn)激光器有源區(qū)的方法，其中量子點(diǎn)層的生長(zhǎng)溫度介于430至560°C之間；沉積厚度介于I至5個(gè)原子單層。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制作砷化銦/磷化銦量子點(diǎn)激光器有源區(qū)的方法，其中外延生長(zhǎng)包括分子束外延法和金屬有機(jī)化學(xué)沉積法。
全文摘要
一種制作砷化銦/磷化銦量子點(diǎn)激光器有源區(qū)的方法，包括如下步驟步驟1選擇一磷化銦襯底；步驟2在該磷化銦襯底上外延生長(zhǎng)一層磷化銦緩沖層；步驟3在磷化銦緩沖層上沉積晶格匹配的銦鎵砷磷薄層；步驟4在銦鎵砷磷薄層上外延生長(zhǎng)多周期的砷化銦量子點(diǎn)有源層；步驟5在砷化銦量子點(diǎn)有源層上沉積銦鎵砷磷蓋層，完成量子點(diǎn)激光器有源區(qū)的制備。本發(fā)明是在砷化銦/磷化銦量子點(diǎn)生長(zhǎng)停頓間隙，通過改變五族保護(hù)源流量來抑制As/P互換效應(yīng)，調(diào)控量子點(diǎn)形貌，結(jié)合兩步生長(zhǎng)蓋層技術(shù)，達(dá)到既保持良好光學(xué)性能又能調(diào)諧發(fā)光波長(zhǎng)的目的。這種方法可以實(shí)現(xiàn)InAs/InP量子點(diǎn)發(fā)光波從1.3-1.7微米(μm)寬達(dá)400nm的范圍內(nèi)可控調(diào)節(jié)。
文檔編號(hào)H01S5/343GK102684070SQ20121015015
公開日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月15日
發(fā)明者季海銘, 楊濤, 羅帥 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所