制作宽光谱砷化铟/磷化铟量子点激光器有源区的方法

摘要

一种制作宽光谱砷化铟/磷化铟量子点激光器有源区的方法，包括如下步骤：步骤1：选择一磷化铟衬底；步骤2：在该磷化铟衬底上生长磷化铟缓冲层；步骤3：在磷化铟缓冲层上生长晶格匹配的铟镓砷磷薄层；步骤4：在铟镓砷磷薄层上制备多周期的砷化铟量子点有源层，所述铟镓砷磷薄层是砷化铟量子点有源层的下势垒层；步骤5：在砷化铟量子点有源层上沉积铟镓砷磷盖层，本层为砷化铟量子点有源层的上势垒层。本发明通过改变第一盖层的厚度对量子点高度进行调控，在不同周期中得到不同的发光波长，通过多周期量子点同时发光实现良好的光学性能和宽达300nm以上的发光光谱。

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别是指一种宽光谱砷化铟/磷化铟量子 点激光器有源区的外延生长方法。

背景技术

宽光谱激光源在精密光谱分析，生物医疗，环境检测等方面有着非常 广泛的应用。尤其是发光波长在1.55μm附近的宽谱激光源，在密集波分 复用及相干光通信领域有着非常重要的应用前景。Stranski-Krastanov(SK) 模式下生长的自组织半导体量子点材料具有较大的尺寸非均匀分布，具有 比量子阱材料更宽的发光光谱带宽。使得量子点材料更适合于用作宽光谱 发射激光源的有源区材料。为进一步增加量子点材料的光谱宽度，文献中 报道的有选区外延技术，通过在衬底上制作不同尺寸的介质掩膜对量子点 尺寸进行调制，在衬底的不同区域得到不同发光波长的量子点材料，从而 扩展了量子点光谱宽度。但选区外延技术在器件制备过程中需要多次外 延，增加了材料生长的难度并且在一定程度上影响整个晶圆范围内性能参 数的一致性。

截止目前，基于砷化镓(GaAs)基的In(Ga)As量子点材料的宽光谱 发射激光源已被广泛深入研究，其量子点材料主要发光在1-1.3μm范围， 作为光通信应用的C波段(1525-1565nm)和L波段(1565-1625nm)光 源则依靠于InAs/InP量子点材料系统。但InAs与InP材料间较小的晶格 失配与生长界面的As/P互换效应使得量子点的发光效率较低。为了得到 较宽的光谱宽度及较好的光学性能，我们提出了一种制作宽光谱砷化铟/ 磷化铟量子点激光器有源区的方法。采用两步盖法即盖层生长分两步进行 来生长多周期的量子点有源层，每个周期第一盖层的厚度一般低于量子点 的高度，生长停顿期间，量子点未被覆盖的部分被削平，使得量子点的高 度和第一盖层的厚度一致。一方面，提高了面内量子点的尺寸分布均匀性， 可以有效的改善量子点的光学性能；另一方面，改变每一周期第一盖层的 厚度能有效的调控量子点的高度，使得每个周期的发光波长不同进而增加 量子点的光谱宽度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制作宽光谱砷化铟/磷化铟量子点激光器 有源区的方法，将两步生长盖层技术应用于量子点材料生长，通过改变第 一盖层的厚度对量子点高度进行调控，在不同周期中得到不同的发光波 长，通过多周期量子点同时发光实现良好的光学性能和宽达300nm以上的 发光光谱。本发明能应用于宽带可调谐激光器、超短脉冲激光器以及其它 需要宽光谱特性的半导体光电子器件有源区结构的制作。

本发明提供一种制作宽光谱砷化铟/磷化铟量子点激光器有源区的方 法，包括如下步骤：

步骤1：选择一磷化铟衬底；

步骤2：在该磷化铟衬底上生长磷化铟缓冲层；

步骤3：在磷化铟缓冲层上生长晶格匹配的铟镓砷磷薄层；

步骤4：在铟镓砷磷薄层上制备多周期的砷化铟量子点有源层，所述 铟镓砷磷薄层是砷化铟量子点有源层的下势垒层；

步骤5：在砷化铟量子点有源层上沉积铟镓砷磷盖层，本层为砷化铟 量子点有源层的上势垒层。

本发明的有益效果是，其是将两步生长盖层技术应用于量子点材料生 长，通过改变第一盖层的厚度对量子点高度进行调控，在不同周期中得到 不同的发光波长，通过多周期量子点同时发光实现良好的光学性能和宽达 300nm以上的发光光谱。

附图说明

为了进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实例及附图详细说 明如后，其中：

图1是本发明制作方法的流程图；

图2是砷化铟/磷化铟量子点激光器有源区外延结构示意图；

图3是随第一盖层厚度变化的砷化铟/磷化铟量子点有源区的光致荧 光谱图；

图4是第一盖层厚度不同的三周期量子点有源层的光致荧光谱图。

具体实施方式

请参阅图1、图2所示，本发明提供一种制作宽光谱砷化铟/磷化铟量 子点激光器有源区的方法，包括如下步骤：

步骤1：选择一磷化铟衬底1；所述衬底为n+型的InP单晶片，晶向 为(100)，其掺杂浓度为(1-3)×10¹⁸cm^-3，厚度约350um。

步骤2：在该磷化铟衬底1上生长磷化铟缓冲层2；所述磷化铟缓冲 层2的生长温度介于550℃至650℃之间；V族与III族源摩尔比大于20， 生长厚度300nm。

步骤3：在磷化铟缓冲层2上生长晶格匹配的铟镓砷磷薄层3；所述 铟镓砷磷薄层3的生长温度介于550℃至650℃之间；淀积厚度小于500nm； 其生长速度为0.5nm/s，V/III比为150。本层作为有源区的下势垒层。

步骤4：在铟镓砷磷薄层3上制备多周期的砷化铟量子点有源层4， 所述砷化铟量子点有源层4包括3-20个周期的砷化铟量子点层41、42、 43…4n(n＝20)，自下而上依次生长，所述生长每一周期的砷化铟量子点 层的步骤包括(以第一周期砷化铟量子点层41为例)：

步骤1a沉积砷化铟量子点411；所述砷化铟量子点411的生长温度介 于430至560℃之间；沉积厚度介于1至10个原子单层，沉积速度为 0.33ML/s，V/III比为4.1；

步骤1b：生长结束后关闭铟源，生长停顿期间采用砷烷保护气氛，使 得量子点迁移、熟化、成点，所述生长停顿期间砷烷保护气氛的摩尔流量 ≥0sccm，时间在5分钟以内；

步骤1c：生长停顿结束后在砷化铟量子点411上生长第一盖层412， 生长结束后关闭所有III族源及V族砷源，所述第一盖层412的材料为铟镓 砷磷，其生长温度介于430至560℃之间，生长厚度为1-10nm，其厚度一 般低于量子点层411的高度，从而使砷化铟(InAs)量子点的顶部暴露在 PH₃保护气氛中与P原子发生互换反应，新形成的In(As)P在应力的作用 下，In原子倾向于向点中间的区域迁移。因此量子点的顶部被削平，使量 子点的高度不均匀性得到较好的控制。

步骤1d：采用磷烷保护气氛，待温度升高至第二盖层413生长所需温 度并稳定后生长第二盖层413，所述磷烷保护气氛的摩尔流量介于 5-100sccm之间；所述第二盖层413的生长温度介于500℃至650℃之间， 其厚度低于100nm，所述第二盖层413的材料为铟镓砷磷；

步骤5：在砷化铟量子点有源层4上沉积铟镓砷磷盖层5，完成量子 点激光器有源区的制备。所述铟镓砷磷盖层5生长速度为0.5nm/s，生长厚 度为70nm，生长温度为645℃，采用较高的生长温度有利于提高缓冲层的 晶格质量，本层为上述砷化铟量子点有源层4的上势垒层。

以上所述量子点411，第一盖层412，第二盖层413三部分构成量子 点有源层4一完整周期的砷化铟量子点层41，重复以上步骤生长砷化铟量 子点层42、43…4n(n＝20)的砷化铟量子点421、431…4n1(n＝20)和第 二盖层423、433…4n3，仅改变第一盖层422、432…4n2(n＝20)的厚度， 所述厚度为1-10nm，由小到大逐渐变化，对应于砷化铟量子点421、431… 4n1(n＝20)的高度逐渐变大，起到对量子点发光波长连续调节的作用。

以上所述外延生长采用金属有机化学沉积法，外延生长使用的源分别 是三甲基铟(TMIn)，三乙基镓(TEGa)，砷烷(AsH₃)，磷烷(PH₃)。除此 之外还可以采用分子束外延或化学束外延等方法。

实施例

参阅图1及图2，一种制作宽光谱砷化铟/磷化铟量子点激光器有源区 的方法，包括如下步骤：

步骤1：选择一磷化铟衬底1；

步骤2：在该磷化铟衬底1上生长磷化铟缓冲层2；所述磷化铟缓冲 层2的生长温度为645℃；生长厚度为300nm，V族与III族源摩尔比为200；

步骤3：在磷化铟缓冲层2上生长晶格匹配的铟镓砷磷薄层3；所述 铟镓砷磷薄层3的生长温度为645℃，其生长速度为0.5nm/s，V/III比为 150。本层作为有源区的下势垒层；

步骤4：在铟镓砷磷薄层3上制备多周期的砷化铟量子点有源层4， 所述砷化铟量子点有源层4包括3个周期的砷化铟量子点层41、42、43， 自下而上依次生长，所述生长每一周期的砷化铟量子点层41、42、43的 步骤包括：

步骤1a沉积砷化铟量子点411、421、431；所述砷化铟量子点411、 421、431的生长温度为470℃，沉积速度为0.33ML/s，沉积厚度为3.3ML， V/III比为4.1；

步骤1b：生长结束后关闭铟源，生长停顿期间采用砷烷保护气氛，使 得量子点迁移、熟化、成点，生长停顿5秒，所述生长停顿期间砷烷保护 气氛的摩尔流量为0.9sccm；

步骤1c：生长停顿结束后在砷化铟量子点411、421、431上生长第一 盖层412、422、432，生长结束后关闭所有III族源及V族砷源，所述第一 盖层412、422、432的生长温度为470℃，厚度分别为2nm，2.7nm，3.5nm。

步骤1d：采用磷烷保护气氛，待温度升高至第二盖层413、423、433 生长所需温度并稳定后生长第二盖层413、423、433，其生长温度为540℃， 厚度为30nm，所述磷烷保护气氛的摩尔流量为50sccm；

步骤5：在砷化铟量子点有源层4上沉积铟镓砷磷盖层5，本层为上 述砷化铟量子点有源层4的上势垒层，所述铟镓砷磷盖层5生长速度为 0.5nm/s，生长厚度70nm，生长温度为645℃。

图3为随第一盖层厚度变化的砷化铟/磷化铟量子点有源区的光致荧 光谱(PL)图。其中样品A、B、C对应的第一盖层厚度分别为2nm，2.7nm， 3.5nm。从A、B、C样品PL结果可以看出，样品峰位随着第一盖层厚度的 增加逐渐红移，这主要是由于第一盖层厚度的增加引起的量子点高度增加 导致量子限制效应减小。

图4为根据以上实施方式得到的第一盖层厚度不同的三周期量子点有 源层的PL图，其光谱宽度大于300nm。因此，连续变化的第一盖层厚度对 量子点的发光具有连续调制的作用，通过多周期不同高度的量子点同时发 光可以实现良好的光学性能和宽的发光光谱。

上述的具体实施例中，对本发明要解决的技术问题和技术方案进行了 较详细具体的说明，所应理解的是，以上所述仅为了方便说明本发明而举 例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神、思想和原则范围内， 所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。