一种亚分子单层量子点激光器材料的外延生长方法

摘要

本发明涉及半导体激光器技术领域，提供了一种InGaAs/GaAs亚分子单层量子点外延层结构，以及实现这一外延结构的分子束外延生长方法。结构包括第一层为GaAs过渡层；第二层为InGaAs亚分子单层量子点结构；第三层为GaAs表面保护层。通过精确控制分子束外延生长条件－用亚分子单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0.92－0.96微米波段发光，并且具有很高的发光效率。其室温PL谱半峰宽仅为12meV，将其应用于0.92－0.96微米波段波段量子点激光器，将极大的改善该类器件的性能，如：降低激光器的阈值电流，减小功耗，增强温度稳定性等。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，特别是一种亚分子单层量子点激光器材料的外延生长方法。

背景技术

半导体激光器(LD)的一个非常重要的应用就是用来作为许多固体激光增益介质的泵浦源。这是因为，一方面，LD与常规的闪光灯泵浦源相比具有显著的优势。例如，LD的发光效率高，波长可以正好对准光增益介质的吸收带，从而产生了很高的泵浦效率，使用LD泵浦的固体激光器(DPSL)可实现高达50％的电光转换效率。并且，LD具有使用寿命长(10000多小时)，体积小，结构紧凑，功耗低和便于散热的诸多优势。另一方面，DPSL本身还具有许多优越的特性，例如：DPSL的激光线宽可比LD的线宽小6个量级，从而大大提高相干性；DPSL的上能级寿命相对于LD的上能级寿命长，因而调Q产生的脉冲峰值功率也高得多；另外，LD还可以借助DPSL扩展发射波长。以上这些优点使得大功率半导体激光器的研究一直成为国际上的前沿和热点。

0.92-0.96微米波段的LD具有非常特殊的应用价值。因为它是Yb:YAG晶体的最有效泵浦波长。Yb:YAG晶体的吸收波长是942nm，输出波长为1.03um，在泵浦和萃取光子能量之间的量子亏损非常低，热负载小，斜效率高，且Yb:YAG的物化性质稳定，可高掺杂而不产生荧光淬灭，荧光寿命比Nd:YAG至少大4倍，所以在脉冲泵浦情况下可以储备更多的能量，是目前的研究热点。

目前的0.92-0.96微米波段LD主要是InGaAs量子阱激光器(QWLD)。但是，量子阱只是实现了对电子的一维限制效应，相比而言，量子点中电子则在三个维度上都受限制。理论分析表明，量子点激光器(QDLD)，可望具有比QWLD更加优异的性质，如超低阈值电流密度(J_th≤2A/cm²，目前最好的QWLD的J_th＝50A/cm²)、极高的电流温度稳定性(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。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。这种方法的缺点是由于量子点在浸润层上的成核是无序的，故其形状、尺寸；分布均匀性和密度难以控制。但是，由于In(Ga)As材料，本身禁带宽度窄，试验表明运用SK生长方式很难在GaAs衬底上长出0.92-0.96微米波段的量子点。亚分子单层技术就可以满足这种要求。

发明内容

本发明的目的在于采用不同于SK生长模式的全新生长方法，实现在GaAs衬底上生长发光波长为0.92-0.96微米波段的亚分子单层量子点。这种方法可以有效地提高量子点的尺寸均匀性，量子点的平面密度(可达10¹¹/cm²以上)，并且具有很高的可控性和可重复性。本发明特别是一种以亚分子单层生长方法通过InAs和GaAs交替生长得到0.92-0.96微米波段一种亚分子单层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0.92-0.96微米波段InGaAs/GaAs亚分子单层量子点外延层结构，其特征在于包括：

第一层为GaAs过渡层；

第二层为InGaAs亚分子单层量子点结构；

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300-500nm。

所述的量子点材料，第二层为20-28个单原子层。

一种0.92-0.96微米波段InGaAs/GaAs亚分子单层量子点材料的生长方法，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20-30ML，首先形成InAs层，厚度为0.1-0.5ML，温度为480-510℃，停顿1-10秒，然后生长GaAs层，厚度为1.3-3.0ML，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20-30ML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20-30ML的InGaAs量子点结构的生长采用亚分子单层InAs层和若干分子单层的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0.92-0.96微米波段InGaAs/GaAs亚分子单层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Al_0.5Ga_0.5As光限制层；

第三层为AlGaAs过渡层；

第四层为GaAs过渡层；

第五层为0.92-0.96微米波段亚分子单层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Al_0.5Ga_0.5As光限制层；

第九层为GsAs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，Al_0.5Ga_0.5As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。

所述的量子点激光器材料，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20-40nm。

所述的量子点激光器材料，InGaAs量子点材料厚度为20-30ML。

所述的量子点激光器材料，GaAs过渡层厚度为20-40nm。

所述的量子点激光器材料，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，Al_0.5Ga_0.5As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。

所述的量子点激光器材料，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0.92-0.96微米波段InGaAs/GaAs亚分子单层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Al_0.5Ga_0.5As光限制层，掺杂Si元素至浓度为1-3E18/cm³，厚度为1000-2000m，生长温度为600-610℃，生长停顿20-40秒；

在Al_0.5Ga_0.5As光限制层上生长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120-150nm，生长温度为600-610C；

在AlGaAs过渡层上生长Al_0.5Ga_0.5As光限制层，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Al_0.5Ga_0.5As光限制层上生长GaAs接触层，掺杂Be元素至浓度为1-2E19/cm³，厚度为1000-2000nm，生长温度为600-610℃。

所述量子点激光器材料，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

本发明采用的生长量子点技术为亚分子单层外延技术，这是完全不同于量子点的常规生长方法-自组织生长方法的一种全新生长技术，具有以下优点：

1.亚分子单层(SML)量子点的均匀性明显改善，所有的点消除了高度的起伏，具有统一的高度。这可以从量子点的室温PL谱宽度看出，本实验中点的室温PL谱半高宽仅为12meV远小于SK点的半高宽(不低于20meV)。

2.SML量子点的平面密度(＞10¹¹/cm²)远大于SK点(5-8×10¹⁰/cm²)。这将直接导致激光器光增益的大幅度提高和阈值电流的下降。

3.生长过程中采用InAs与GaAs循环淀积的方法，可控性强，具有很好的可重复性。能够很好地控制量子点的发射波长和量子点中的In组分。

4.0.92-0.96微米波段是SK点很难实现的波长，国外有人在AlGaAs上生长SK方式的InGaAs量子点，但无论从技术实现难易程度还是生长量子点的质量上，都无法与本发明相比。

图4是0.92-0.96微米波段亚分子单层量子点激光器结构及分子束外延生长参数。

附图说明

图1是量子点材料核心外延层结构示意图。

图2是量子点透射电镜截面像。

图3是室温下量子点PL谱图。

图4是0.92-0.96微米波段InGaAs/GaAs亚分子单层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，即亚分子单层量子点的外延生长形成过程。从图中可以看出，当GaAs上的InAs覆盖层小于1ML时，在优化的MBE生长条件下，这层InAs薄膜将转变成1ML高的岛状物，并以阵列的形式分布在GaAs表面上(如图1(a)所示)。对这些InAs岛覆盖一定厚度的GaAs，使之成为平整的表面(如图1(b)所示)，然后再按照生长第一层InAs岛的方法生长第二层InAs岛，第一层InAs岛与第二层InAs岛出现垂直耦合自对准效应(如图1(c)所示)。因此，当以这种亚分子单层的淀积方式重复淀积多次时，在InAs岛垂直耦合对准的区域，因为富含In而生成InGaAs量子点。图1(d)为亚分子单层量子点的结构示意图，其中的圆圈表示在该位置形成一个InGaAs量子点。这种点更像是一种团簇，是由若干层的1ML厚的InAs岛堆垛而成。正因为此，这种亚分子单层生长的InGaAs量子点具有同一的高度和良好的均匀性。

(a)在GaAs上淀积InAs(＜1ML)，InAs经过扩散再分布产生1ML高的岛状结构；

(b)当淀积若干ML厚的GaAs盖层后，出现平整的表面；

(c)InAs岛的垂直耦合自对准效应；

(d)通过SML淀积方式形成的InGaAs量子点。

图2是量子点透射电镜截面像

从电镜照片可以看到，正如对图1分析的那样，在富含In的区域，形成了InGaAs量子点，并且点的高度具有同一性。点与点之间排列紧密，估算密度超过10¹¹/cm²。

图3是室温下量子点PL谱，其半高宽FWHM仅为12meV，并且PL谱具有很高的强度，这证明这种点对载流子具有很强的限制作用。

图4是0.92-0.96微米波段InGaAs/GaAs亚分子单层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Al_0.5Ga_0.5As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120-150nm。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20-40nm。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量子点材料厚度为20-30ML。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Al_0.5Ga_0.5As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。

                            图4

  层数  外延层  注解  9  P⁺1-2E19，300nm-500nm，GaAs  掺Be接触层  8  P⁺1-3E18，1000nm-2000nm，  Al_0.5Ga_0.5As  掺Be光限制层  7  75nm-150nm，x＝0.5-0.1，AlGaAs  Al组分线性变化  6  20nm-100nm，GaAs  过渡层  生长停顿/衬底升温  提升衬底温度  5  InGaAs亚分子单层量子点  3-10个周期量子点有源  层：对应图1所示量子  点核心结构。并循环重  复生长3次  生长停顿/衬底降温  降低衬底温度  4  20nm-100nm，GaAs  过渡层  3  75nm-150nm，x＝0.1-0.5，AlGaAs  Al组分线性变化  2  N⁺1-3E18，1400nm-1600nm，  Al_0.5Ga_0.5As  掺Si光限制层  1  N⁺1-5E18，300nm-500nm，GaAs  掺Si过渡层  N⁺GaAs(100)Substrate  N型衬底