[发明专利]1.02-1.08微米波段InGaAs/GaAs量子点外延结构及其制造方法

说明书

本案是前案申请号：2005100863149；发明名称：“1.02-1.08微米波段InGaAs/GaAs量子点外延结构及其制造方法”的分案申请

1.02-1.08微米波段InGaAs/GaAs量子点外延结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，特别是一种1.02-1.08微米波段InGaAs/GaAs量子点外延结构及其制造方法。

背景技术

1.02-1.08微米波段半导体激光器的一个重要用途就可以用来泵浦光纤激光器。由于光纤激光器具有高增益、斜率效率高、线宽窄、可宽带调谐、散热性能好、结构紧凑、微型化、全固化以及与传输光纤天然的通融性等特点，因此它在通信、军事、医疗和光信息处理等领域都将有广阔的应用前景，特别是在光通信领域，随着光波分用和光时分复用技术的发展，光纤激光器将能很好地满足通信系统对光源的更高要求而被认为是未来长距离、大容量、超高速光纤通信的理想光源。但是传统的光纤激光器都是用半导体激光二极管(LD)泵浦的固体激光器(DPSL)作为自身的泵浦源来实现受激辐射发光的。例如，用波长为800nm左右的GaAs/AlGaAs激光器泵浦Nd:YAG固体激光材料产生波长为1.06微米激光，在用此波段的激光泵浦双掺Yb3+/Er3+光纤激光器实现单频1.55微米稳定激光输出。

无疑，DPSL的引入大大增加了光纤激光器的成本，并且DPSL体积大，散热性差，光电转化效率低(相对于LD而言)等特点，阻碍了光子器件向小型化集成化发展的趋势，影响着光纤通信的推广普及。如果能省掉DPSL，采用小巧，低功耗的LD直接对光纤激光器进行泵浦将很好地解决这一问题。量子点激光器就是这一思想的产物。

由于量子点中电子在三个维度上都受限制，理论分析表明，量子点激光器(QDLD)具有更加优异的性质，如，极高的电光转换效率(85％以上)，超低阈值电流密度(J_th≤2A/cm²，目前最好的QWLD的J_th＝50A/cm²)、极高的阈值电流温度稳定性(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，因此，量子点激光器一直是国际研究的热点方向。

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。这种方法存在的困难是量子点在浸润层上的成核是无序的，其形状、尺寸；分布均匀性和密度不易控制。如何通过优化生长条件，提高量子点的形状尺寸分布均匀性和提高点的平面密度是目前纳米技术的前沿和热点领域。

发明内容

本发明通过优化生长条件，采用InAs和GaAs单原子层按一定配比形式交替生长，通过调节In组分以及相应的材料淀积厚度，实现量子点的高均匀性，高密度(大于10¹¹/cm²)生长。实验证明该方法具有很强的可控性和可重复性。本发明特别是特别涉及一种通过InAs和GaAs单原子层交替生长1.02-1.08微米InGaAs高密度量子点的分子束外延生长方法。涉及大功率半导体1.02-1.08微米波段InGaAs/GaAs量子点激光器材料的外延生长方法。

技术方案

一种1.02-1.08微米波段InGaAs/GaAs量子点材料的生长方法，其特征在于，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5-8ML，首先形成InAs层，厚度为0.7-1.4ML，生长速率0.2-0.5ML/s，温度为480-510℃，停顿1-10秒，然后生长GaAs层，厚度为0.7-1.4ML，生长速率0.2-0.5ML/s，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5-8ML为止；