制作宽光谱砷化铟/磷化铟量子点激光器有源区的方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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1.55 μ m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。Stransk1-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。
[0003]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宄，其量子点材料主要发光在1-1.3 μ m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】
[0004]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。
[0005]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:
[0006]步骤1:选择一磷化铟衬底；
[0007]步骤2:在该磷化铟衬底上生长磷化铟缓冲层；
[0008]步骤3:在磷化铟缓冲层上生长晶格匹配的铟镓砷磷薄层；
[0009]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皇层；
[0010]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皇层。
[0011]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】
[0012]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:
[0013]图1是本发明制作方法的流程图；
[0014]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；
[0015]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；
[0016]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】
[0017]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:
[0018]步骤1:选择一磷化铟衬底I ;所述衬底为η+型的InP单晶片，晶向为(100)，其掺杂浓度为(1-3) X1018cm_3，厚度约350um。
[0019]步骤2:在该磷化铟衬底I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°C至650°C之间；V族与III族源摩尔比大于20，生长厚度300nm。
[0020]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°C至650°C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皇层。
[0021]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吣411(11 = 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):
[0022]步骤Ia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°C之间;沉积厚度介于I至10个原子单层，沉积速度为0.33ML/S，V/III比为4.1 ；
[0023]步骤Ib:生长结束后关闭铟源，生长停顿期间采用砷烷保护气氛，使得量子点迀移、熟化、成点，所述生长停顿期间砷烧保护气氛的摩尔流量多Osccm，时间在5分钟以内；
[0024]步骤Ic: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°C之间，生长厚度为l-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？113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迀移。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。
[0025]步骤Id: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-lOOsccm之间；所述第二盖层413的生长温度介于500°C至650°C之间，其厚度低于lOOnm，所述第二盖层413的材料为铟镓砷憐；
[0026]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°C，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的上势皇层。
[0027]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...4η(η = 20)的砷化铟量子点421、431…4nl(n = 20)和第二盖层423、433…4η3，仅改变第一盖层422、432…4η2(η = 20)的厚度，所述厚度为l_10nm，由小到大逐渐变化，对应于砷化铟量子点421、431…4nl(n =