专利名称：高性能铟砷/镓砷量子点材料有源区的外延生长方法
技术领域：
本发明属于半导体技术领域，特别是指基于低维半导体纳米结构量子点材料的量子器件，如铟砷/镓砷
(InAs/GaAs)量子点激光器有源区的外延生长方法。
背景技术：
新一代高速光通信网的发展迫切需要低成本、高性能的长波长半导体激光器光源。镓砷(GaAs )基1 .3微米铟砷(InAs )量子点激光器作为有力的候选者之 一 ，近年已吸引了国内外科技人员们的极大注意力。由于半导体纳米结构量子点材料的独特物理特性，如有像原子 一 样的分立电子能级和像5函数 一 样的电子态密度，半导体量子点激光器被预计比传统的量子阱激光器具有低的阈值电流密度、高的微分增益和好的温度稳定性等优越性能。实际上，近年，随着现代薄膜晶体生长技术的发展，特别是在晶格失配材料系通过应变自组装生长模式 (Stranski-Krastanov growthmode)形成半导体量子点技术的出现，上述预言的半导体量子点激光器优越性能都己被相继证明。
对于晶格失配材料系，例如，铟砷/镓砷(InAs/GaAs)材料系，以应变自'组装生长模式形成的InAs量子点材料特性随生长条件变化而变化，因此可以通过对生长参数的控制实现对InAs量子点材料特性(如量子点密度，均匀性和辐射波长等)在 一 定范围内进行精确调控，以确定量子点材料的最佳生长条件及特性。此外，为了扩展InAs量子点辐射波长，例如扩展到1 . 3微米，通常在生长GaAs盖层之前生长一层薄的 InGaAs应力缓角率层(strain — reducing layer)。InAs量子点的辐射波长随InGaAs应力缓解层的In浓度(或厚度)增加而增加。对于GaAs盖层，尤其是对于叠层结构量子点有源区中的GaAs中间隔层，为了改进量子点有源区的发光效率，通常采用两温过程生长技术。在这技术中，GaAs盖层(或中间隔层)初始部分的生长温度与量子点和InGaAs应力缓解层的生长温度相同。可是，GaAs盖层的剩余部分则在经历 一 个升温及在高温下原位退火过程之后在高温条件下进行生长。
发明内容
本发明的目的在于，提供 一 种高性能铟砷/镓砷量子点材料有源区的外延生长方法，通过适当调低铟砷/
镓砷量子点盖层初始部分的生长温度改进量子点有源区的发光效率，从而改进量子点器件的性能。
本发明提供 一 种高性能铟砷/镓砷量子点材料有源区的外延生长方法，其特征在于，包括如下步骤
步骤1 :选择 一 衬底；
步骤2 :在该衬底上生长 一 层缓冲层；
步骤3 :在缓冲层上生长铟砷量子点；步骤4:以低于铟砷量子点生长温度的条件，在铟砷量子点上淀积盖层初始部分；
步骤5 :升温并进行原位退火；
步骤6 :以高于铟砷量子点生长温度的条件，在盖层初始部分上生长高温盖层，完成铟砷/镓砷量子点材料有源区的制作。
其中所述的衬底是镓砷衬底。
其中所述的缓冲层是镓砷缓冲层。
其中所述的外延生长方法包括分子束外延法和金属有机化学沉积法。
其中所述盖层初始部分包括铟镓砷盖层和镓砷盖层所述的盖层初始部分的厚度为《2 0 nm。
中所述盖层初始部分的生长温度高于42 5
°c 。
苴 z 、中步骤5所述的升温温度低于6 3 0 °C ;原位
退火的时间为几分钟至十几分钟之间。
苴 z 、中步骤7所述的生长温度低于6 3 0°C，局温
盖层50的厚度《1 0 0 nm。
为了进一步说明本发明的具体技术内容，以下结
合分子束外延法生长实例和附图详细说明如下，，实中
图1是外延结构示意图2是随盖层初始部分生长温度变化的铟砷/镓砷量子点、有源区的光致荧光谱(PL)图。
中
10:衬底
20:缓冲层
30:铟砷量子点
40:盖层初始部分
41:铟镓砷盖层
74 2 :镓砷盖层
5 0 : 高温盖层
具体实施例方式
请结合参阅图1所示，本发明涉及 一 种高性能铟 砷/镓砷量子点材料有源区的外延生长方法，包括如下 步骤
步骤1 :选择一 (0 0 1 )镓砷衬底1 0 ，
步骤2 :在该镓砷衬底1 0上生长 一 层镓砷缓冲 层2 0，其厚度为2 5 0nm，生长温度为5 8 0。C;
步骤3 :在镓砷缓冲层2 0上生长铟砷量子点3 0 ，生长温度为4 8 5 。C ，生长时间为3 2秒，厚度 为0 . 7 4 nm;
步骤4 :在铟砷量子点3 0上淀积盖层初始部分 4 0 ，盖层初始部分4 0由6 nm厚的InxGa 1 -xAs应 力缓解层4 1禾B 5 nm厚的GaAs层4 2构成，InxGa 1 -xAs应力缓解层4 1的 In组分约为1 5 %， InxGa 1 -x A s应力缓解层4 1的作用是扩展铟砷量子点3 0的 辐射波长到1 . 3微米波段，为了说明盖层初始部分4 0的生长温度效应，盖层初始部分4 0生长温度分别 为485。C、 475 °C、 465 °C、 455 °C、 44 0 °C 、禾H 4 2 5 °C的样品被制备；步骤5 :升温并进行原位退火，升温的速率为3
0 °C /分，升温温度为5 8 0 °C ，升温和进行原位退火
的时间为1 0分钟，升温和进行原位退火时生长室 (chamber)的石申压为4. 5 XI 0—6 Torr;
步骤6:在5 8 0 。C的条件，生长镓砷高温盖层 5 0，镓砷高温盖层5 0的厚度为9 Onm，完成铟砷/ 镓砷量子点材料有源区的制作。
参阅图2 ，图2是具有不同量子点盖层初始部分 4 0生长温度的铟砷/镓砷量子点有源区的光致荧光 谱(PL )，峰值强度随量子点盖层初始部分4 0的生长 温度而发生变化，峰值波长在1 . 3 0微米和1 3 5 微米之间。图中标明A 、 B 、 C 、 D 、 E 、 F的PL峰值分 别对应盖层初始部分4 0的生长温度为4 8 5 °C 、 4 75°C、 465 °C、 455 。C、 440 °C、 425 °C。 其中盖层初始部分4 0的生长温度为4 5 5 °C时铟砷 /镓砷量子点有源区的发光强度最高，其峰值强度分别 约是4 8 5 °C和4 2 5 °C的1 1倍禾Q 5 . 7倍。这 一 显
著强度或量子点发光效率的提高主要是由于优化量子 点盖层初始部分4 Q的生长温度使铟镓砷盖层4 1和 镓砷盖层之间4 2的界面获得显著改进，导致晶体缺 陷密度明显减少造成的。
上述实施例仅是为了方便说明而举例而已，本发明所主张的权利范围自应以权利要求范围所述为准， 而非仅限于上述实施例。
权利要求
1、一种高性能铟砷/镓砷量子点材料有源区的外延生长方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1选择一衬底；步骤2在该衬底上生长一层缓冲层；步骤3在缓冲层上生长铟砷量子点；步骤4以低于铟砷量子点生长温度的条件，在铟砷量子点上淀积盖层初始部分；步骤5升温并进行原位退火；步骤6以高于铟砷量子点生长温度的条件，在盖层初始部分上生长高温盖层，完成铟砷/镓砷量子点材料有源区的制作。
2 、根据权利要求1所述的高性能铟砷/镓砷量子点材料有源区的外延生长方法，其特征在于，其中所述的衬底是镓砷衬底。
3 、根据权利要求1所述的高性能铟砷/镓砷量子点材料有源区的外延生长方法，其特征在于，其中所述的缓冲层是镓砷缓冲层。
4 、根据权利要求1所述的高性能铟砷/镓砷量子点材料有源区的外延生长方法，其特征在于，其中所述的外延生长方法包括分子束外延法和金属有机化学沉积法。
5 、根据权利要求1所述的高性能铟砷/镓砷量子点材料有源区的外延生长方法，其特征在于，其中所述盖层初始部分包括铟镓砷盖层和镓砷盖层；所述的盖层初始部分的厚度为《2 0 nm。
6 、根据权利要求1所述的高性能铟砷/镓砷量子点材料有源区的外延生长方法，其特征在于，其中所述盖层初始部分的生长温度高于4 2 5 'C。
7 、根据权利要求1所述的高性能铟砷/镓砷量子点材料有源区的外延生长方法，其特征在于，其中步骤5所述的升温温度低于6 3 0 °C ;原位退火的时间为几分钟至十几分钟之间。
8 、根据权利要求1所述的高性能铟砷/镓砷量子点材料有源区的外延生长方法，其特征在于，其中步骤7所述的生长温度低于6 3 0°C，高温盖层5 0的厚度《1 0 0 nm。
全文摘要
本发明一种高性能铟砷/镓砷量子点材料有源区的外延生长方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1选择一衬底；步骤2在该衬底上生长一层缓冲层；步骤3在缓冲层上生长铟砷量子点；步骤4以低于铟砷量子点生长温度的条件，在铟砷量子点上淀积盖层初始部分；步骤5升温并进行原位退火；步骤6以高于铟砷量子点生长温度的条件，在盖层初始部分上生长高温盖层，完成铟砷/镓砷量子点材料有源区的制作。
文档编号H01S5/00GK101533768SQ20081010176
公开日2009年9月16日 申请日期2008年3月12日 优先权日2008年3月12日
发明者季海铭, 涛 杨 申请人:中国科学院半导体研究所