一種大功率半導體量子點雷射器材料的外延生長方法
2023-05-23 22:35:46 2
專利名稱：一種大功率半導體量子點雷射器材料的外延生長方法
技術領域：
本發明涉及半導體雷射器技術領域，特別是一種大功率半導體量子點雷射器材料的外延生長方法。
背景技術：
1.02-1.08微米波段半導體雷射器的一個重要用途就可以用來泵浦光纖雷射器。由於光纖雷射器具有高增益、斜率效率高、線寬窄、可寬帶調諧、散熱性能好、結構緊湊、微型化、全固化以及與傳輸光纖天然的通融性等特點，因此它在通信、軍事、醫療和光信息處理等領域都將有廣闊的應用前景，特別是在光通信領域，隨著光波分用和光時分復用技術的發展，光纖雷射器將能很好地滿足通信系統對光源的更高要求而被認為是未來長距離、大容量、超高速光纖通信的理想光源。但是傳統的光纖雷射器都是用半導體雷射二極體(LD)泵浦的固體雷射器(DPSL)作為自身的泵浦源來實現受激輻射發光的。例如，用波長為800nm左右的GaAs/AlGaAs雷射器泵浦Nd:YAG固體雷射材料產生波長為1.06微米雷射，在用此波段的雷射泵浦雙摻Yb3+/Er3+光纖雷射器實現單頻1.55微米穩定雷射輸出。
無疑，DPSL的引入大大增加了光纖雷射器的成本，並且DPSL體積大，散熱性差，光電轉化效率低(相對於LD而言)等特點，阻礙了光子器件向小型化集成化發展的趨勢，影響著光纖通信的推廣普及。如果能省掉DPSL，採用小巧，低功耗的LD直接對光纖雷射器進行泵浦將很好地解決這一問題。量子點雷射器就是這一思想的產物。
由於量子點中電子在三個維度上都受限制，理論分析表明，量子點雷射器(QDLD)具有更加優異的性質，如，極高的電光轉換效率(85％以上)，超低閾值電流密度(Jth≤2A/cm2，目前最好的QWLD的Jth＝50A/cm2)、極高的閾值電流溫度穩定性(理論上T0＝∞)、超高的微分增益(至少為QWLD的一個量級以上)和極高的調製帶寬以及在直流電流調製下無碉嗽工作等，因此，量子點雷射器一直是國際研究的熱點方向。
量子點的外延生長目前最主要的方法是自組織(SK)生長。它適用於晶格失配較大，但應變外延層和襯底間的界面能不是很大的異質結材料體系。SK外延生長初始階段是二維層狀生長，通常只有幾個原子層厚，稱之為浸潤層。隨著層厚的增加，應變能不斷積累，當達到某一個臨界厚度zc時，外延生長則由二維層狀生長過渡到三維島狀生長，以降低系統的能量。三維島狀生長初期形成的納米量級尺寸的小島周圍是無位錯的。若用禁帶寬度大的材料將其包圍起來，小島中的載流子受到三維限制，成為量子點。在生長的單層量子點基礎上，重複上述的生長過程可獲得量子點超晶格結構。這種方法存在的困難是量子點在浸潤層上的成核是無序的，其形狀、尺寸；分布均勻性和密度不易控制。如何通過優化生長條件，提高量子點的形狀尺寸分布均勻性和提高點的平面密度是目前納米技術的前沿和熱點領域。
發明內容
本發明通過優化生長條件，採用InAs和GaAs單原子層按一定配比形式交替生長，通過調節In組分以及相應的材料澱積厚度，實現量子點的高均勻性，高密度(大於1011/cm2)生長。實驗證明該方法具有很強的可控性和可重複性。本發明特別是特別涉及一種通過InAs和GaAs單原子層交替生長1.02-1.08微米InGaAs高密度量子點的分子束外延生長方法。涉及大功率半導體1.02-1.08微米波段InGaAs/GaAs量子點雷射器材料的外延生長方法。
技術方案一種分子束外延生長1.02-1.08微米波段InGaAs/GaAs量子點外延層結構，包括第一層為GaAs過渡層；第二層為InGaAs高密度量子點結構；
第三層為GaAs表面保護層。
所述的量子點外延層結構，GaAs過渡層的厚度為300-500納米。
所述的量子點外延層結構，第二層為5-8個單原子層。
一種1.02-1.08微米波段InGaAs/GaAs量子點材料的生長方法，其步驟包括在GaAs襯底上形成GaAs過渡層，厚度為300-500nm，生長溫度為600-610℃，然後停頓20-40秒，同時降低溫度到480-520℃；在GaAs過渡層上生長形成InGaAs量子點結構，厚度為5-8ML，首先形成InAs層，厚度為0.7-1.4ML，生長速率0.2-0.5ML/s，溫度為480-510℃，停頓1-10秒，然後生長GaAs層，厚度為0.7-1.4ML，生長速率0.2-0.5ML/s，溫度為480-510℃，停頓1-10秒；按以上過程循環多次，直至達到總厚度5-8ML為止；在InGaAs量子點結構上形成GaAs表面保護層，厚度為5-15nm，溫度為480-510℃。
所述的量子點材料的生長方法，層厚為5-8ML的InGaAs量子點結構的生長採用若干分子單層InAs層的和若干分子單層的GaAs層循環多次的方法，並且生長過程中引入必要的時間間隔。
一種1.02-1.08微米波段InGaAs/GaAs量子點雷射器材料外延層結構，包括第一層為GaAs過渡層；第二層為Al0.5Ga0.5As波導層；第三層為AlGaAs過渡層；第四層為GaAs過渡層；第五層為InGaAs量子點材料層；第六層為GaAs過渡層；第七層為AlGaAs過渡層；第八層為Al0.5Ga0.5As波導層；第九層為GaAs覆蓋層。
所述的量子點雷射器材料外延層結構，GaAs過渡層摻雜Si元素使之成為N型，濃度為1-5E18/cm3。，厚度為300-500納米。
所述的量子點雷射器材料外延層結構，Al0.5Ga0.5As波導層摻雜Si元素使之成為N型，濃度為1-3E18/cm3，厚度為1000-2000nm。
所述的量子點雷射器材料外延層結構，AlGaAs中Al的組分從50％-10％線性減小，厚度為75-150nm。
所述的量子點雷射器材料外延層結構，GaAs過渡層厚度為20-100nm。
所述的量子點雷射器材料外延層結構，InGaAs量子點材料厚度為5-8ML。
所述的量子點雷射器材料外延層結構，GaAs過渡層厚度為20-100nm。
所述的量子點雷射器材料外延層結構，AlGaAs中Al的組分從10％-50％線性增加，厚度為75-150nm。
所述的量子點雷射器材料外延層結構，Al0.5Ga0.5As波導層摻雜Be元素使之成為P型，濃度為1-3E18/cm3，厚度為1000-2000nm。
所述的量子點雷射器材料外延層結構，GaAs過渡層摻雜Be元素使之成為P型，濃度為1-2E19/cm3。，厚度為300-500納米。
一種1.02-1.08微米InGaAs/GaAs高密度量子點雷射器材料的生長方法，其步驟包括在GaAs襯底上形成GaAs過渡層，摻雜Si元素至濃度為1-5E18/cm3，厚度為300-500nm，生長溫度為600-610℃，生長停頓20-40秒；在GaAs過渡層上生長Al0.5Ga0.5As波導層，摻雜Si元素至濃度為1-3E18/cm3，厚度為1000-2000nm，生長溫度為600-610℃，生長停頓20-40秒；在Al0.5Ga0.5As波導層上生長AlGaAs過渡層，Al組分從50％-10％，線性減小，厚度為75-150nm，生長溫度為600-610℃；在AlGaAs過渡層上生長GaAs過渡層，厚度為20-100nm，停頓20-40秒，降低溫度至470-520℃；在GaAs過渡層上完全按照權利要求4所述的方法生長InGaAs/GaAs量子點核心層；在此核心層上生長GaAs過渡層，厚度為20-100nm，溫度470-520℃，停頓20-40秒，溫度升至600-610℃；在GaAs過渡層上生長AlGaAs過渡層，Al組分從10％-50％，線性增加，厚度為75-150nm，生長溫度為600-610C；在AlGaAs過渡層上生長Al0.5Ga0.5As波導層，摻雜Be元素至濃度為1-3E18/cm3，厚度為1000-2000nm，生長溫度為600-610℃，停頓20-40秒；在Al0.5Ga0.5As波導層上生長GaAs接觸層，摻雜Be元素至濃度為1-2E19/cm3，厚度為300-500nm，生長溫度為600-610℃。
所述量子點雷射器材料的生長方法，量子點雷射器材料核心層完全採用權利要求4所述的生長方法，該核心層共計循環1-5次。
與背景技術相比較所具有的意義本發明具有以下意義本發明中，量子點的平面密度高達1011/cm2以上，並且量子點顯示了很好的尺寸均勻性，這些都是普通SK方式生長量子點無法比擬的。這樣高的點密度將直接降低雷射器的閾值電流密度，提高微分增益。由於量子點雷射器具有DPSL無法比擬的超低閾值電流密度、極小的體積、極高的電流溫度穩定性、超高的微分增益和極高的調製帶寬等諸多優點，因此必將具有很大的市場應用前景和商業價值。
圖4是1.02-1.08微米高密度量子點雷射器結構及分子束外延生長參數圖。
圖1是量子點的材料核心外延層結構示意圖。
圖2是量子點原子力(AFM)顯微鏡照片(500nm×500nm)圖。
圖3是77K下本發明的高密度量子點與普通SK生長方式量子點PL譜峰光強度對比圖。
圖4是1.02-1.08微米波段InGaAs/GaAs高密度量子點雷射器的外延結構以及外延生長方法示意圖。
具體實施例方式
以下結合附圖對本發明作進一步詳細描述圖1為本發明的核心思想，即高密度量子點的外延生長形成過程。
首先，在GaAs(001)襯底上形成GaAs過渡層1，厚度為300-500nm，生長溫度為600-610℃，然後停頓20-40秒，同時降低溫度到480-520℃；其次，在GaAs過渡層1上生長形成InGaAs量子點結構2，厚度為5-8ML。該層點按照以下步驟生長首先形成澱積InAs材料層，厚度為0.7-1.4ML，生長速率0.2-0.5ML/s，溫度為480-510℃，停頓1-10秒，然後澱積GaAs層，厚度為0.7-1.4ML，生長速率0.2-0.5ML/s，溫度為480-510℃，停頓1-10秒；按以上過程循環多次，直至達到總厚度5-8ML為止。通過以上生長參數的優化組合就可以生長出高密度(1011/cm2以上)的InGaAs量子點。
最後，在InGaAs量子點結構2上生長GaAs表面保護層3，厚度為5-15nm，溫度為480-510℃。
圖2是量子點原子力(AFM)顯微鏡照片(500nm×500nm)利用統計軟體分析該AFM照片得到，量子點的密度達到1.1×1011/cm2，並且點的高度漲落小，具有很好的均勻性。而普通的SK生長方式製備出的量子點密度為5-8×1010/cm2，很難實現這樣高的密度。
圖3是77K下本發明的高密度量子點與普通SK生長方式量子點PL譜峰光強度對比。
峰1是本發明的量子點(密度為1.1×1011/cm2)PL譜峰，峰2和峰3是用普通的SK生長方式製備出的InGaAs量子點PL譜峰，其點的密度分別為6.5×1010/cm2，5×1010/cm2，峰1的強度遠遠大於峰2，3，說明本發明通過增減量子點的平面密度，極大地增強了器件的發光效率。
圖4是1.02-1.08微米波段InGaAs/GaAs高密度量子點雷射器的外延結構以及外延生長方法示意圖。
如圖4所示，第一層生長GaAs過渡層，摻雜Si元素使之成為N型，濃度為1-5E18/cm3，厚度為300-500納米，生長溫度600-610℃，生長速率為0.2-0.7單原子層/秒。然後生長停頓時間為20-40秒。
第二層生長Al0.5Ga0.5As波光限制層，摻雜Si元素使之成為N型，濃度為1-3E18/cm3，厚度為1000-2000nm。生長溫度600-610℃，生長速率為0.2-0.4單原子層/秒。然後生長停頓時間為20-40秒。
第三層生長AlGaAs層，其中Al的組分從50％-10％線性減小，厚度為75-150nm。生長溫度600-610℃，生長速率為0.2-0.4單原子層/秒。然後生長停頓時間為20-40秒。
第四層生長GaAs過渡層厚度為20-100nm。生長溫度600-610℃，生長速率為0.2-0.4單原子層/秒。然後生長停頓時間為20-40秒。把生長溫度降至480-510℃。
第五層生長InGaAs高密度量子點材料厚度為5-8ML。停頓20-40秒。把生長溫度升至600-610℃。
第六層生長GaAs過渡層厚度為20-100nm。生長溫度600-610℃，生長速率為0.2-0.4單原子層/秒。然後生長停頓時間為20-40秒。
第七層生長AlGaAs過渡層，其中Al組分從10％-50％線性增加，厚度為75-150nm。生長溫度600-610℃，生長速率為0.2-0.4單原子層/秒。然後生長停頓時間為20-40秒。
第八層生長Al0.5Ga0.5As光限制層，摻雜Be元素使之成為P型，濃度為1-3E18/cm3。厚度為1000-2000nm。生長溫度600-610℃，生長速率為0.2-0.4單原子層/秒。然後生長停頓時間為20-40秒。
第九層生長GaAs接觸層，摻雜Be元素使之成為P型，濃度為1-2E19/cm3，厚度為300-500nm。生長溫度600-610℃，生長速率為0.2-0.4單原子層/秒。
權利要求
1.一種分子束外延生長1.02-1.08微米波段InGaAs/GaAs量子點外延層結構，其特徵在於，包括第一層為GaAs過渡層；第二層為InGaAs高密度量子點結構；第三層為GaAs表面保護層。
2.按權利要求1所述的量子點外延層結構，其特徵在於，所述的GaAs過渡層的厚度為300-500納米。
3.按權利要求1所述的量子點外延層結構，其特徵在於，所述第二層為5-8個單原子層。
4.一種1.02-1.08微米波段InGaAs/GaAs量子點材料的生長方法，其特徵在於，步驟包括在GaAs襯底上形成GaAs過渡層，厚度為300-500nm，生長溫度為600-610℃，然後停頓20-40秒，同時降低溫度到480-520℃；在GaAs過渡層上生長形成InGaAs量子點結構，厚度為5-8ML，首先形成InAs層，厚度為0.7-1.4ML，生長速率0.2-0.5ML/s，溫度為480-510℃，停頓1-10秒，然後生長GaAs層，厚度為0.7-1.4ML，生長速率0.2-0.5ML/s，溫度為480-510℃，停頓1-10秒；按以上過程循環多次，直至達到總厚度5-8ML為止；在InGaAs量子點結構上形成GaAs表面保護層，厚度為5-15nm，溫度為480-510℃。
5.按權利要求4所述的量子點材料的生長方法，其特徵在於，層厚為5-8ML的InGaAs量子點結構的生長採用若干分子單層InAs層的和若干分子單層的GaAs層循環多次的方法，並且生長過程中引入必要的時間間隔。
6.一種1.02-1.08微米波段InGaAs/GaAs量子點雷射器材料外延層結構，其特徵在於，包括第一層為GaAs過渡層；第二層為Al0.5Ga0.5As波導層；第三層為AlGaAs過渡層；第四層為GaAs過渡層；第五層為InGaAs量子點材料層；第六層為GaAs過渡層；第七層為AlGaAs過渡層；第八層為Al0.5Ga0.5As波導層；第九層為GaAs覆蓋層。
7.按權利要求6所述的量子點雷射器材料外延層結構，其特徵在於，所述的GaAs過渡層摻雜Si元素使之成為N型，濃度為1-5E18/cm3，厚度為300-500納米。
8.按權利要求6所述的量子點雷射器材料外延層結構，其特徵在於，所述的Al0.5Ga0.5As波導層摻雜Si元素使之成為N型，濃度為1-3E18/cm3，厚度為1000-2000nm。
9.按權利要求6所述的量子點雷射器材料外延層結構，其特徵在於，所述的AlGaAs中Al的組分從50％-10％線性減小，厚度為75-150nm。
10.按權利要求6所述的量子點雷射器材料外延層結構，其特徵在於，所述的GaAs過渡層厚度為20-100nm。
11.按權利要求6所述的量子點雷射器材料外延層結構，其特徵在於，所述的InGaAs量子點材料厚度為5-8ML。
12.按權利要求6所述的量子點雷射器材料外延層結構，其特徵在於，所述的GaAs過渡層厚度為20-100nm。
13.按權利要求6所述的量子點雷射器材料外延層結構，其特徵在於，所述的AlGaAs中Al的組分從10％-50％線性增加，厚度為75-150nm。
14.按權利要求6所述的量子點雷射器材料外延層結構，其特徵在於，所述的Al0.5Ga0.5As波導層摻雜Be元素使之成為P型，濃度為1-3E18/cm3，厚度為1000-2000nm。
15.按權利要求6所述的量子點雷射器材料外延層結構，其特徵在於，所述的GaAs過渡層摻雜Be元素使之成為P型，濃度為1-2E19/cm3，厚度為300-500納米。
16.一種1.02-1.08微米InGaAs/GaAs高密度量子點雷射器材料的生長方法，其步驟包括在GaAs襯底上形成GaAs過渡層，摻雜Si元素至濃度為1-5E18/cm3，厚度為300-500nm，生長溫度為600-610℃，生長停頓20-40秒；在GaAs過渡層上生長Al0.5Ga0.5As波導層，摻雜Si元素至濃度為1-3E18/cm3，厚度為1000-2000nm，生長溫度為600-610℃，生長停頓20-40秒；在Al0.5Ga0.5As波導層上生長AlGaAs過渡層，Al組分從50％-10％，線性減小，厚度為75-150nm，生長溫度為600-610℃；在AlGaAs過渡層上生長GaAs過渡層，厚度為20-100nm，停頓20一40秒，降低溫度至470-520℃；在GaAs過渡層上完全按照權利要求4所述的方法生長InGaAs/GaAs量子點核心層；在此核心層上生長GaAs過渡層，厚度為20-100nm，溫度470-520℃，停頓20-40秒，溫度升至600-610℃；在GaAs過渡層上生長AlGaAs過渡層，Al組分從10％-50％，線性增加，厚度為75-150nm，生長溫度為600-610C；在AlGaAs過渡層上生長Al0.5Ga0.5As波導層，摻雜Be元素至濃度為1-3E18/cm3，厚度為1000-2000nm，生長溫度為600-610℃，停頓20-40秒；在Al0.5Ga0.5As波導層上生長GaAs接觸層，摻雜Be元素至濃度為1-2E19/cm3，厚度為300-500nm，生長溫度為600-610℃。
17.按權利要求16所述量子點雷射器材料的生長方法，其特徵在於，所述的量子點雷射器材料核心層完全採用權利要求4所述的生長方法，該核心層共計循環1-5次。
全文摘要
本發明涉及半導體雷射器技術領域，提供了一種InGaAs/GaAs SK生長方式高密度量子點(10
文檔編號H01L33/00GK1925175SQ20051008631
公開日2007年3月7日 申請日期2005年8月31日 優先權日2005年8月31日
發明者於理科, 徐波, 王佔國, 金鵬, 趙昶, 張秀蘭 申請人:中國科學院半導體研究所