一种亚分子单层量子点激光器材料的外延生长方法技术

本发明专利技术涉及半导体激光器技术领域，提供了一种ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ亚分子单层量子点外延层结构，以及实现这一外延结构的分子束外延生长方法。结构包括第一层为ＧａＡｓ过渡层；第二层为ＩｎＧａＡｓ亚分子单层量子点结构；第三层为ＧａＡｓ表面保护层。通过精确控制分子束外延生长条件－用亚分子单层交替生长来控制量子点的组分、外延层厚度、形貌结构等，可以实现室温ＰＬ谱０．９２－０．９６微米波段发光，并且具有很高的发光效率。其室温ＰＬ谱半峰宽仅为１２ｍｅＶ，将其应用于０．９２－０．９６微米波段波段量子点激光器，将极大的改善该类器件的性能，如：降低激光器的阈值电流，减小功耗，增强温度稳定性等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体激光器
，特别是。
技术介绍
半导体激光器(LD)的一个非常重要的应用就是用来作为许多固体激光增益介质的泵浦源。这是因为，一方面，LD与常规的闪光灯泵浦源相比具有显著的优势。例如，LD的发光效率高，波长可以正好对准光增益介质的吸收带，从而产生了很高的泵浦效率，使用LD泵浦的固体激光器(DPSL)可实现高达50％的电光转换效率。并且，LD具有使用寿命长(10000多小时)，体积小，结构紧凑，功耗低和便于散热的诸多优势。另一方面，DPSL本身还具有许多优越的特性，例如DPSL的激光线宽可比LD的线宽小6个量级，从而大大提高相干性；DPSL的上能级寿命相对于LD的上能级寿命长，因而调Q产生的脉冲峰值功率也高得多；另外，LD还可以借助DPSL扩展发射波长。以上这些优点使得大功率半导体激光器的研究一直成为国际上的前沿和热点。0.92-0.96微米波段的LD具有非常特殊的应用价值。因为它是Yb:YAG晶体的最有效泵浦波长。Yb:YAG晶体的吸收波长是942nm，输出波长为1.03um，在泵浦和萃取光子能量之间的量子亏损非常低，热负载小，斜效率高，且Yb:YAG的物化性质稳定，可高掺杂而不产生荧光淬灭，荧光寿命比Nd:YAG至少大4倍，所以在脉冲泵浦情况下可以储备更多的能量，是目前的研究热点。目前的0.92-0.96微米波段LD主要是InGaAs量子阱激光器(QWLD)。但是，量子阱只是实现了对电子的一维限制效应，相比而言，量子点中电子则在三个维度上都受限制。理论分析表明，量子点激光器(QDLD)，可望具有比QWLD更加优异的性质，如超低阈值电流密度(Jth≤2A/cm2，目前最好的QWLD的Jth＝50A/cm2)、极高的电流温度稳定性(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。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。这种方法的缺点是由于量子点在浸润层上的成核是无序的，故其形状、尺寸；分布均匀性和密度难以控制。但是，由于In(Ga)As材料，本身禁带宽度窄，试验表明运用SK生长方式很难在GaAs衬底上长出0.92-0.96微米波段的量子点。亚分子单层技术就可以满足这种要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于采用不同于SK生长模式的全新生长方法，实现在GaAs衬底上生长发光波长为0.92-0.96微米波段的亚分子单层量子点。这种方法可以有效地提高量子点的尺寸均匀性，量子点的平面密度(可达1011/cm2以上)，并且具有很高的可控性和可重复性。本专利技术特别是一种以亚分子单层生长方法通过InAs和GaAs交替生长得到0.92-0.96微米波段。技术方案一种分子束外延生长0.92-0.96微米波段InGaAs/GaAs亚分子单层量子点外延层结构，其特征在于包括第一层为GaAs过渡层；第二层为InGaAs亚分子单层量子点结构； 第三层为GaAs表面保护层。所述的量子点外延层结构，GaAs过渡层的厚度为300-500nm。所述的量子点材料，第二层为20-28个单原子层。一种0.92-0.96微米波段InGaAs/GaAs亚分子单层量子点材料的生长方法，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20-30ML，首先形成InAs层，厚度为0.1-0.5ML，温度为480-510℃，停顿1-10秒，然后生长GaAs层，厚度为1.3-3.0ML，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20-30ML为止；在InGaAs量子点结构上形成GaAs表面保护层，厚度为5-15nm，温度为480-510℃。所述的量子点材料的生长方法，层厚为20-30ML的InGaAs量子点结构的生长采用亚分子单层InAs层和若干分子单层的GaAs层循环多次的方法，并且生长过程中引入必要的时间间隔。一种0.92-0.96微米波段InGaAs/GaAs亚分子单层量子点激光器材料外延层结构，包括第一层为GaAs过渡层；第二层为Al0.5Ga0.5As光限制层；第三层为AlGaAs过渡层；第四层为GaAs过渡层；第五层为0.92-0.96微米波段亚分子单层InGaAs量子点材料层；第六层为GaAs过渡层；第七层为AlGaAs过渡层；第八层为Al0.5Ga0.5As光限制层；第九层为GsAs覆盖层。所述的量子点激光器材料外延层结构，GaAs过渡层掺杂Si元素使之成为N型，浓度为1-5E18/cm3。，厚度为300-500纳米。所述的量子点激光器材料外延层结构，Al0.5Ga0.5As光限制层掺杂Si元素使之成为N型，浓度为1-3E18/cm3，厚度为1000-2000nm。所述的量子点激光器材料，AlGaAs中Al的组分从50％-10％线性减小，厚度为75-150nm。所述的量子点激光器材料外延层结构，GaAs过渡层厚度为20-40nm。所述的量子点激光器材料，InGaAs量子点材料厚度为20-30ML。所述的量子点激光器材料，GaAs过渡层厚度为20-40nm。所述的量子点激光器材料，AlGaAs中Al的组分从10％-50％线性增加，厚度为75-150nm。所述的量子点激光器材料，Al0.5Ga0.5As光限制层掺杂Be元素使之成为P型，浓度为1-3E18/cm3，厚度为1000-2000nm。所述的量子点激光器材料，GaAs过渡层掺杂Be元素使之成为P型，浓度为1-2E19/cm3。，厚度为300-500纳米一种0.92-0.96微米波段InGaAs/GaAs亚分子单层量子点激光器材料的生长方法，其步骤包括在GaAs衬底上形成GaAs过渡层，掺杂Si元素至浓度为1-5E18/cm3，厚度为300-500nm，生长温度为600-610℃，生长停顿20-40秒；在GaAs过渡层上生长Al0.5Ga0.5As光限制层，掺杂Si元素至浓度为1-3E18/cm3，厚度为1000-2000m，生长温度为600-610℃，生长停顿20-40秒；在Al0.5Ga0.5As光限制层上生长AlGaAs过渡层，Al组分从50％-10％，线性减小，厚度为75-150nm，生长温度为600-610℃；在AlGaAs过渡层上生长GaAs过渡层，厚度为20-100nm，停顿20-40秒，降低温度至470-520℃；在GaAs过渡层上完全按照权利要求4所述的方法生长InGaAs/GaAs量子点核心层；在此核心层上生长GaA本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分子束外延生长０．９２－０．９６微米波段ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ亚分子单层量子点外延层结构，其特征在于包括：第一层为ＧａＡｓ过渡层；第二层为ＩｎＧａＡｓ亚分子单层量子点结构；第三层为ＧａＡｓ表面保护层。

【技术特征摘要】
1.一种分子束外延生长0.92-0.96微米波段InGaAs/GaAs亚分子单层量子点外延层结构，其特征在于包括第一层为GaAs过渡层；第二层为InGaAs亚分子单层量子点结构；第三层为GaAs表面保护层。2.按权利要求1所述的量子点外延层结构，其特征在于，所述的GaAs过渡层的厚度为300-500nm。3.按权利要求1所述的量子点外延层结构，其特征在于，所述第二层为20-28个单原子层。4.一种0.92-0.96微米波段InGaAs/GaAs亚分子单层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20-30ML，首先形成InAs层，厚度为0.1-0.5ML，温度为480-510℃，停顿1-10秒，然后生长GaAs层，厚度为1.3-3.0ML，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20-30ML为止；在InGaAs量子点结构上形成GaAs表面保护层，厚度为5-15nm，温度为480-510C。5.按权利要求4所述的量子点材料的生长方法，其特征在于，层厚为20-30ML的InGaAs量子点结构的生长采用亚分子单层InAs层和若干分子单层的GaAs层循环多次的方法，并且生长过程中引入必要的时间间隔。6.一种0.92-0.96微米波段InGaAs/GaAs亚分子单层量子点激光器材料外延层结构，其特征在于，包括第一层为GaAs过渡层；第二层为Al0.5Ga0.5As光限制层；第三层为AlGaAs过渡层；第四层为GaAs过渡层；第五层为0.92-0.96微米波段亚分子单层InGaAs量子点材料层；第六层为GaAs过渡层；第七层为AlGaAs过渡层；第八层为Al0.5Ga0.5As光限制层；第九层为GaAs覆盖层。7.按权利要求6所述的量子点激光器材料外延层结构，其特征在于，所述的GaAs过渡层掺杂Si元素使之成为N型，浓度为1-5E18/cm3，厚度为300-500纳米。8.按权利要求6所述的量子点激光器材料外延层结构，其特征在于，所述的Al0.5Ga0.5As光限制层掺杂Si元素使之成为N型，浓度为1-3E18/cm3，厚度为1000-2000nm。9.按权利要求6所述的量子点激光器材料外延层结构，其特征在于，所述的AlGaAs中Al的组分从50％-10％线性减小，厚度为75-150nm。10.按权利要求6所述的量子点激光器材料外延层结构，其特征在于，所述的GaAs过渡层厚度为20-40...

【专利技术属性】
技术研发人员：于理科，徐波，王占国，金鹏，赵昶，张秀兰，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]