长波长砷化铟/砷化镓量子点材料

摘要

一种长波长砷化铟/砷化镓量子点材料，其特征在于，所述材料是基于应变自组织的量子点材料，其结构包括：一砷化镓衬底；一砷化镓缓冲层，该砷化镓缓冲层制作在衬底上；一多周期量子点层，该多周期量子点层制作在砷化镓缓冲层上；一砷化镓盖层，该砷化镓盖层制作在多周期量子点层上。

说明书

技术领域

本发明涉及一种长波长砷化铟/砷化镓量子点材料，属于半导体光电子材料和器件领域。

背景技术

自组织量子点在光电子器件，如激光器、探测器、光存储等方面显示出诱人的应用前景。因为对于广泛用于通信系统的石英光纤，1.3μm波段具有零色散特性，光信号在光纤传输中可获得最小畸变，所以1.3μm波段的激光器在光纤通信和大容量区域有线电视(CATV)等领域有重要的应用价值，将量子点的发光波长调整到所需波段也成为许多研究者追求的目标。现在人们已经成功研制出发光波长在1.3μm的自组织量子点激光器。

我们知道，一般情况下砷化铟/砷化镓量子点材料的发光波长在1.0-1.24μm，为了在砷化铟/砷化镓材料体系中得到1.3μm室温发光，目前主要采取以下几种方法：(1)采用原子单层外延(ALE)的生长方法(参见：R.P.Mirin et al.，Appl.Phys.Lett.，Vol.67，No.25，pp.3795-3797，1995)：ALE技术中铟源和砷源交替打开并淀积到表面，这样铟元素避免了和砷元素相遇并立即发生反应，可以有更长的时间在表面自由移动，容易找到更为稳定的位置。但此方法得到的量子点密度较低，限制了激光器的增益。(2)InAs量子点上覆盖InGaAs应力缓解层(参见：V.M.Ustinov etal.，Appl.Phys.Lett.，Vol.74，No.19，pp.2815-2817，1999)；(3)InAs量子点生长在InGaAs量子阱里的方法(参见：L.F.Lester et al.，IEEE Photon.Technol.Lett.，Vol.11，No.8，pp.931-933，1999)。后两种方法，虽然可以得到比ALE技术所能得到的量子点密度高，但由于应力缓解层或量子阱的限制作用，使量子点基态能级和第一激发态能级间距变小，这对后续量子点激光器的性能不利。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种新的长波长砷化铟/砷化镓量子点材料，并给出了该材料的基本结构参数。本发明提出的材料结构简单、有效，便于外延生长过程的控制。本发明能实现具有良好发光特性和室温发光达到1.3μm的砷化铟/砷化镓量子点材料。本发明能应用于长波长量子点激光器等半导体光电子器件有源区结构的设计。

本发明一种长波长砷化铟/砷化镓量子点材料，其特征在于，所述材料是基于应变自组织的量子点材料，其结构包括：

一砷化镓衬底；

一砷化镓缓冲层，该砷化镓缓冲层制作在衬底上；

一多周期量子点层，该多周期量子点层制作在砷化镓缓冲层上；

一砷化镓盖层，该砷化镓盖层制作在多周期量子点层上。

其中多周期量子点层包括：

三至十个周期砷化铟量子点；

二至九个周期砷化镓间隔层，每个周期砷化镓间隔层制备在其下面一周期砷化铟量子点上及其上面一周期砷化铟量子点下。

其中多周期量子点层中的砷化铟量子点的沉积厚度为2-3单分子层。

其中多周期量子点层中的砷化镓间隔层的厚度为纳米至纳米；

其中采用上述结构得到的砷化铟/砷化镓量子点材料，其室温发光波长为1.3μm。

其中采用上述设计的结构得到的砷化铟/砷化镓量子点材料，是应用于长波长量子点激光器的半导体光电子器件有源区结构的制作。

附图说明

为进一步说明本发明的内容，以下结合附图和具体实例对其做进一步的描述，其中：

图1是长波长砷化铟/砷化镓量子点材料结构示意图；

图2是长波长砷化铟/砷化镓量子点材料室温光致发光谱图。

具体实施方式

请结合参阅图1，本发明涉及一种长波长砷化铟/砷化镓量子点材料，提供了该材料的基本结构及相关参数，其中包括：

一砷化镓衬底5；

一砷化镓缓冲层1，该砷化镓缓冲层1生长在砷化镓衬底5的上面，该砷化镓缓冲层1是下述砷化铟量子点2的势垒层，具有限制载流子的作用。该砷化镓缓冲层1具有很高的结构和光学质量，其表面起伏在1-2个单分子层范围内。

一多周期量子点层10，该多周期量子点层10包括：

三至十个周期的砷化铟量子点2，最下面一层砷化铟量子点2生长在砷化镓缓冲层1上面，砷化铟量子点2的沉积厚度为2-3单分子层。

二至九个周期的砷化镓间隔层3，该砷化镓间隔层3均生长在两相邻周期的砷化铟量子点2中间。该砷化镓间隔层作为势垒层，用来分隔相邻周期的砷化铟量子点2，避免了多周期量子点2形成过大的应力积累导致的光学质量下降。砷化镓间隔层3的厚度为5纳米至20纳米。

上述三至十个周期的砷化铟量子点2以及二至九个周期的砷化镓间隔层3构成了该砷化铟/砷化镓量子点材料的多周期量子点层10，它是该材料的核心部分，决定着材料的发光波长位置和发光质量。采用多周期量子点是为了增加量子点发光波长，同时也增加了量子点的体密度，从而提高材料的发光强度。选择间隔层厚度为5纳米至20纳米可以使多周期量子点之间形成垂直耦合，从而可使调节材料的发光波长达到1.3μm。

一砷化镓盖层4，该砷化镓盖层4生长在最上面的砷化铟量子点2上面。该砷化镓盖层4为上述多周期量子点层10的上势垒层，也是该砷化铟/砷化镓量子点材料的最外一层，具有保护作用。表1为本发明砷化铟量子点2和砷化镓间隔层3的厚度。

表1

    厚度砷化铟量子点2 2单分子层2.5单分子层3单分子层砷化镓间隔层3 5纳米12纳米20纳米

表1中的砷化铟量子点2和砷化镓间隔层3的厚度不是上下对应的关系，应理解为：砷化铟量子点2的厚度的三个实施例及砷化镓间隔层3的厚度的三个实施例。

按以上实施方式制作的砷化铟/砷化镓量子点材料具有高的发光强度，其室温光致发光谱请结合参阅图2，其室温发光波长达到1.3μm。

本发明专利提出的材料结构简单、有效，便于外延生长过程的控制。实现的砷化铟/砷化镓量子点材料，具有发光质量好、较容易实现长波长发光等优点。适用于长波长量子点激光器等半导体光电子器件有源区结构的设计制作。