一种高性能InAs量子点激光器及其制备方法技术

一种高性能InAs量子点激光器及其制备方法，包括依次层叠的衬底、GaAs缓冲层、下包覆层、InAs量子点有源区和上包覆层，所述InAs量子点有源区包括依次层叠的n型掺杂的量子点层、GaAs非掺杂间隔层、p型掺杂的GaAs层和GaAs非掺杂间隔层。本发明专利技术提出一种基于GaAs衬底和Si衬底的新型掺杂方式，对于量子点有源区进行了特制的参杂，同时在本应无参杂的有源区参入了少量的电子和空穴从而提升激光器性能。该方法将对1.3

【技术实现步骤摘要】
一种高性能InAs量子点激光器及其制备方法


[0001]本专利技术属于半导体
，尤其涉及一种高性能InAs量子点激光器及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着微电子技术的日益成熟，摩尔定律正在逼近物理、技术和成本的极限。目前摩尔定律正在正面临严峻的挑战，但是同时挑战伴随着机遇。由于技术手段极限以及经济成本的限制，异质集成电路开始受到广泛的关注。其中，由于硅基光电子学（把互补性金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容的激光器、光调制器、光波导和光探测器等元件集成到微电子电路上）兼具光学元件的超高传输处理速度、带宽以及电子设备的低成本、小尺寸等特征，吸引了大量科研人员的兴趣。但是硅、锗等IV组元素是间接带隙半导体，发光性能较差。即使通过应变和重掺杂的方式使其变成直接带隙，其发光性能依旧没有达到商用水平。而III
‑
V族化合物半导体InAs，GaAs等材料都是直接带隙的材料，具有非常好的发光特性。其中量子点激光器由于拥有对缺陷的不敏感性、较低的电泵阈值电流以及良好的耐高温属性，辅以成熟的生长制备技术（如分子束外延技术），已经在通信波段被广泛运用。但是硅基III
‑
V族的直接外延技术依旧有存在技术难题，比如反相畴，穿透位错和微裂缝。这些位错会形成非辐射服和中心，严重的影响激光器的发光效率和寿命。所以如何减少位错以及在原生基底上获得更好的量子点激光器是科学家们主要研究的方向。
[0003]在传统InAs/GaAs 量子点激光器中，由于量子点中电荷的基态与激发态的能量差比空穴的大，在高温时空穴更容易从基态跃迁到激发态乃至异质节中而降低激光的光电转换效率，所以p型调制掺杂技术被用来提高激光器的特征温度。但是p型调制掺杂技术会增加激光器的阈值电流密度。获得较高的特征温度T0和低阈值电流密度的高性能量子点激光器是实现商业化的重要里程碑。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是，克服以上
技术介绍
中提到的不足和缺陷，通过对量子点激光器有源区进行特制的参杂从而提供一种高性能InAs量子点激光器及其制备方法。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：一种高性能InAs量子点激光器，包括依次层叠的衬底、GaAs缓冲层、下包覆层、InAs量子点有源区和上包覆层，所述InAs量子点有源区包括依次层叠的n型掺杂的量子点层、GaAs非掺杂间隔层、p型掺杂的GaAs层和GaAs非掺杂间隔层。
[0006]N型掺杂的量子点层为激光器中提供得发光和增益材料；N形掺杂给量子点提供额外的电子；p型掺杂的GaAs层为量子点提供额外的空穴。GaAs非掺杂层用来解决量子点自身带来的应力问题，从而保持在下一层的量子点材料生长中，保持GaAs材料本身的晶格常数。
[0007]优选的，p型掺杂的GaAs层厚度为5
ꢀ‑ꢀ
15nm。
[0008]优选的，所述下包覆层包括依次层叠的GaAs下接触层、Al
x
Ga1‑
x
As/GaAs n型下应变超晶格、Al
x
Ga1‑
x
As n型下限制层、Al
x
Ga1‑
x
As/GaAs 非掺杂下应变超晶格和GaAs非掺杂下波导层；所述上包覆层包括GaAs非掺杂上波导层、InAs量子点有源区、Al
x
Ga1‑
x
As或GaAs 非掺杂上应变超晶格、Al
x
Ga1‑
x
As p型上限制层、Al
x
Ga1‑
x
As/GaAs n型上应变超晶格和GaAs上接触层。
[0009]由于Al
x
Ga1‑
x
A和GaAs材料有着不同的折射率，N型超晶格和P型超晶格分别用于激光器的有源区的上下。
[0010]优选的，所述Al
x
Ga1‑
x
As/GaAs n型下应变超晶格和Al
x
Ga1‑
x
As/GaAs n型上应变超晶格厚度为50
‑
100 nm，所述Al
x
Ga1‑
x
As n型下限制层和Al
x
Ga1‑
x
As p型上限制层厚度为1200
‑
1500 nm，所述Al
x
Ga1‑
x
As/GaAs 非掺杂下应变超晶格和Al
x
Ga1‑
x
As/GaAs 非掺杂上应变超晶格厚度为10
‑
50 nm，所述Al
x
Ga1‑
x
As/GaAs n型上应变超晶格厚度为50
‑
100 nm，所述GaAs非掺杂下波导层和GaAs非掺杂上波导层厚度为40
ꢀ‑
150 nm，Al
x
Ga1‑
x
As中x为20%到95%，所述Al
x
Ga1‑
x
As/GaAs的超晶格材料中Al
x
Ga1‑
x
As和GaAs交替生长10
‑
30 周期。
[0011]优选的，所述GaAs下接触层为GaAs n型下接触层，厚度为150
‑
300 nm，掺杂浓度为1
‑5ꢀ×
10
18
cm
‑2。所述GaAs上接触层为GaAs p型上接触层，厚度为150
‑
300 nm。
[0012]接触层后续需要在GaAsn型下接触层和GaAsp型上接触层进行金属沉积，采用，能够形成低电阻率的电极。
[0013]优选的，所述衬底包括III
‑
V族化合物衬底和具有缺陷过滤层或Ge缓冲层的Si衬底中的至少一种。
[0014]在同一个技术构思下，本专利技术还提供一种高性能InAs量子点激光器的制备方法，包括以下步骤：（1）去除衬底表面氧化层，在衬底上进行GaAs缓冲层的生长；（2）在GaAs缓冲层上生长下包覆层；（3）生长InAs量子点有源区，In
x
Ga1‑
x
As量子井厚度为 30
‑
80 nm, 量子点的沉积量为2.5
ꢀ–ꢀ
3.3 原子层厚度，在量子点生长的过程中，对量子点进行n型掺杂，对量子点中的GaAs间隔层中的10 nm GaAs进行p型掺杂，所述n型掺杂的量子点层掺杂浓度为 0.1
‑5×
10
18 cm
‑3，温度为400
‑
600℃，所述p型掺杂的量子点层掺杂浓度为1
‑
10
×
10
17 cm
‑3；In
x
Ga1‑
x
As量子井中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高性能InAs量子点激光器，其特征在于，包括依次层叠的衬底、GaAs缓冲层、下包覆层、InAs量子点有源区和上包覆层，所述InAs量子点有源区包括依次层叠的n型掺杂的量子点层、GaAs非掺杂间隔层、p型掺杂的GaAs层和GaAs非掺杂间隔层。2.如权利要求1所述的高性能InAs量子点激光器，其特征在于，p型掺杂的GaAs层厚度5
ꢀ‑ꢀ
15nm。3.如权利要求1所述的高性能InAs量子点激光器，其特征在于，所述下包覆层包括依次层叠的GaAs下接触层、Al
x
Ga1‑
x
As/GaAs n型下超晶格、Al
x
Ga1‑
x
As n型下限制层、Al
x
Ga1‑
x
As/GaAs 非掺杂下应变超晶格和GaAs非掺杂下波导层；所述上包覆层包括GaAs非掺杂上波导层、InAs量子点有源区、Al
x
Ga1‑
x
As/GaAs 非掺杂上应变超晶格、Al
x
Ga1‑
x
As p型上限制层、Al
x
Ga1‑
x
As/GaAs n型上应变超晶格和GaAs上接触层，其中Al
x
Ga1‑
x
As中x为20%到80%。4.如权利要求3所述的高性能InAs量子点激光器，其特征在于，所述Al
x
Ga1‑
x
As/GaAs n型下应变超晶格和Al
x
Ga1‑
x
As/GaAs n型上应变超晶格厚度为50
‑
100 nm，所述Al
x
Ga1‑
x
As n型下限制层和Al
x
Ga1‑
x
Asp型上限制层厚度为1200
‑
1500 nm，所述Al
x
Ga1‑
x
As/GaAs 非掺杂下应变超晶格和Al
x
Ga1‑
x
As/GaAs 非掺杂上应变超晶格厚度为10
‑
50 nm，所述Al
x
Ga1‑
x
As/GaAs n型上应变超晶格厚度为50
‑
100 nm，所述GaAs非掺杂下波导层和GaAs非掺杂上波导层厚度为40
ꢀ‑
150 nm，Al
x
Ga1‑
x
As中x为20%到95%，所述Al
x
Ga1‑
x
As/GaAs的超晶格材料中Al
x
Ga1‑
x
As和GaAs交替生长10
‑
30 周期。5.如权利要求3所述的高性能InAs量子点激光器，其特征在于，所述GaAs下接触层为GaAsn型下接触层，厚度为150
‑
300 nm，所述GaAs上接触层为GaAsp型上接触层，厚度为150
‑
300 nm。6.如权利要求1所述的高性能InAs量子点激光器，其特征在于，所述衬底包括III
‑
V族化合物衬底和具有缺陷过滤层或Ge缓冲层的Si衬底中的至少一种。7.一种高性能InAs量子点激光器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）去除衬底表面氧化层，在衬底上进行GaAs缓冲层的生长；（2）在GaAs缓冲层上生长下包覆层；（3）生长InAs量子点有源区，In
x
Ga1‑
x
As量子井厚度为 30
‑
80 nm, 量子点的沉积量为2.5
ꢀ–ꢀ
3.3 原子层厚度，在量子点生长的过程中，对量子点进行n型掺杂，对量子点中的GaAs间隔层中的10 nm GaAs进行p型掺杂，所述n型掺杂的量子点层掺杂浓度为 0.1
...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘淑洁，卢莹，
申请(专利权)人：湖南汇思光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：