一种调制InAs量子点激光器工作波长的方法及结构

技术领域

本发明涉及半导体光电子材料及器件技术领域，特别涉及一种调制InAs(砷化铟)量子点激光器工作波长的方法和结构。

背景技术

半导体光电集成技术作为实现未来超高速超低损耗光互连技术的重要基础，已成为当前信息技术发展的重要前沿研究领域，而目前实现片上、片间光互连最为关键的要素之一是制备优质半导体光源。在半导体激光器中，量子点激光器具有阈值电流密度低、特征温度高和光增益高等优点，被视为半导体光源的理想材料。

高效的光电交互技术对于位于通讯波段的低功耗、高性能量子点激光器有着重要的市场需求。量子点激光器的有源区被宽带隙势垒区分割为许多小区域，其在三维方向上均接近或小于载流子的德布罗意波长，对载流子在空间三个方向上的运动均在量子尺度上进行了限制。此时，半导体材料原有的能带结构被重新分裂为分立的能级。因此，与量子阱和量子线激光器相比，量子点激光器除了功耗更低外，其在输出光谱纯度、阙值电流、温度和调制特性等方面的性能均可获得较大幅度的提升。

尤其是，量子点对缺陷的敏感度低，可以通过单片集成的方法，将量子点激光器光源以较低成本集成到与CMOS工艺兼容的硅衬底上，实现硅光子技术。对于两个通信波段1310nm(O波段)和1550nm(C波段)而言，主流的量子点激光器光源制造工艺是采用InAs(砷化铟)材料。

然而，在光纤通信中，如何通过一根光纤实现较大容量长途传输，从而充分利用光纤的巨大带宽资源，是吸引业界人士目光的一个重要研究方向。现阶段，较常见的调制激光器波长的方法如在信号源中采用外腔调谐式，即通过外置谐振腔达到选择激光器模式的目的，或在通信系统中加入调制电路等方法，不过结构或工艺相对复杂，成本相对较高。值得一提的是，具有两个或多个工作波长的激光器在医疗应用领域也有广泛的应用价值，例如，医疗美容中用于袪除色素和病变血管的激光，与单一模式的激光相比，双波长在降低引起皮肤损伤等副作用方面更加有效。因此，开发更加有效、简单的调制InAs量子点激光器波长的方法意义重大。

发明内容

本发明提供了一种调制InAs量子点激光器工作波长的结构和方法，该方法首先通过材料外延技术生长量子点激光器结构，材料生长结束后接着通过薄膜沉积技术制备一种或多种介电材料层，然后对其进行快速热退火处理，最后取出进行其余器件制备工艺流程，即可达到调制量子点激光器工作波长的目的。

为了达到上述目的，本发明提供的一种调制InAs量子点激光器工作波长的结构，其步骤包括首先通过材料外延技术生长量子点激光器结构，包含自下而上依次在Si或GaAs衬底上生长GaAs缓冲层和下接触层、AlGaAs下阻挡层、InAs量子点有源区、AlGaAs上阻挡层及GaAs上接触层，材料生长结束后接着通过薄膜沉积技术在量子点激光器结构上选择性制备介电材料层，然后通过热退火技术对该结构进行快速热退火处理，最后取出进行其余器件制备工艺流程。

优选地，所述材料外延技术包含分子束外延和金属有机化学气相沉积。

优选地，所述薄膜沉积技术包含化学气相沉积和物理气相沉积。

优选地，所述介电材料层的材料可为一种或多种材料；

优选地，所述选择性制备介电材料层，即为全区域或局部区域制备介电材料层；

优选地，所述介电材料层的热膨胀系数小于GaAs的热膨胀系数，即小于6.4×10

优选地，所述介电材料层的厚度为30～300nm；

优选地，所述快速热退火的温度为700～800

优选地，所述快速热退火的时间为5～60s；

本发明提供的一种调制InAs量子点激光器工作波长的方法，包括如下实施步骤：

步骤S1、首先采用材料外延生长技术，在Si或GaAs衬底上生长GaAs缓冲层和下接触层；

步骤S2、在GaAs缓冲层和下接触层上生长AlGaAs下阻挡层；

步骤S3、在AlGaAs下阻挡层上生长InAs量子点有源区；

步骤S4、在InAs量子点有源区上生长AlGaAs上阻挡层；

步骤S5、在AlGaAs上阻挡层上生长制备GaAs上接触层；

步骤S6、取出样品，放入薄膜沉积设备中，在GaAs上接触层上选择性制备一层包含一种或多种材料的介电材料，其厚度为30～300nm；

步骤S7、取出样品，放入退火炉中，进行快速热退火处理后，取出，再进行其余器件制备工艺流程。

优选地，所述步骤S1具体为：将Si或GaAs(100)衬底传入外延设备生长腔，生长高掺杂n型GaAs作为缓冲层，该层也可用作下接触层，即为所述GaAs缓冲层和下接触层；

所述步骤S2具体包括如下步骤：

步骤S21、生长Al含量为80％的高掺杂n型Al

步骤S22、生长Al含量由80％渐变至35％的掺杂n型Al

所述步骤S3具体包括如下步骤：

步骤S31、生长GaAs过渡层；

步骤S32、生长In组分为15％的InGaAs应变层；

步骤S33、生长InAs量子点层；

步骤S34、生长In组分为15％的InGaAs覆盖层；

步骤S35、生长GaAs隔离层；

所述步骤S4具体包括如下步骤：

步骤S41、生长Al含量由35％渐变至80％的掺杂p型Al

步骤S42、生长Al含量为80％的高掺杂p型Al

优选地，所述步骤S1中，所述高掺杂n型GaAs作为缓冲层的厚度为300nm，电子浓度为2×10

所述步骤S21中，所述高掺杂n型Al

所述步骤S22中，所述掺杂n型Al

所述步骤S31中，所述GaAs过渡层的厚度为50nm；

所述步骤S32中，所述InGaAs应变层的厚度为4nm；

所述步骤S33中，所述InAs量子点层的厚度为2.3ML；

所述步骤S34中，所述InGaAs覆盖层的厚度为2nm；

所述步骤S35中，所述GaAs隔离层的厚度为50nm；

所述步骤S41中，所述掺杂p型Al

所述步骤S42中，所述高掺杂p型Al

所述步骤S5中，所述高掺p型GaAs上接触层的厚度为150nm、空穴浓度为2×10

本发明能够取得下列有益效果：

本发明通过采用选择性制备介电层材料而后热退火的方法，使得在Si或GaAs衬底上生长的InAs量子点激光器工作波长可调，增强了其在光纤通信领域的实用性，简化了制备工艺技术，降低了调制激光器工作波长的成本，在拥有相近体系材料的器件研制中具有良好的通用性。

附图说明

图1为本发明的一种调制InAs量子点激光器工作波长的结构示意图；

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明针对现有的问题，提供了一种调制InAs量子点激光器工作波长的结构和方法，如图1所示，本发明的一种调制InAs量子点激光器工作波长的结构和方法，其步骤包括首先通过材料外延技术生长量子点激光器结构，包含自下而上依次在Si或GaAs衬底上生长GaAs缓冲层和下接触层、AlGaAs下阻挡层、InAs量子点有源区、AlGaAs上阻挡层及GaAs上接触层，材料生长结束后接着通过薄膜沉积技术在量子点激光器结构上选择性制备介电材料层，然后通过热退火技术对该结构进行快速热退火处理，最后取出进行其余器件制备工艺流程。

优选地，所述材料外延技术包含分子束外延和金属有机化学气相沉积。

优选地，所述薄膜沉积技术包含化学气相沉积和物理气相沉积。

优选地，所述介电材料层的材料可为一种或多种材料；

优选地，所述选择性制备介电材料层，即为全区域或局部区域制备介电材料层；

优选地，所述介电材料层的热膨胀系数小于GaAs的热膨胀系数，即小于6.4×10

优选地，所述介电材料层的厚度为30～300nm；

优选地，所述快速热退火的温度为700～800

优选地，所述快速热退火的时间为5～60s；

本发明提供的一种调制InAs量子点激光器工作波长的结构和方法，包括如下实施步骤：

步骤S1、首先采用材料外延生长技术，在Si或GaAs衬底上生长GaAs缓冲层和下接触层；

步骤S2、在GaAs缓冲层和下接触层上生长AlGaAs下阻挡层；

步骤S3、在AlGaAs下阻挡层上生长InAs量子点有源区；

步骤S4、在InAs量子点有源区上生长AlGaAs上阻挡层；

步骤S5、在AlGaAs上阻挡层上生长制备GaAs上接触层；

步骤S6、取出样品，放入薄膜沉积设备中，在GaAs上接触层上选择性制备一层包含一种或多种材料的介电材料，其厚度为30～300nm；

步骤S7、取出样品，放入退火炉中，进行快速热退火处理后，取出，再进行其余器件制备工艺流程。

所述步骤S1具体为：将Si或GaAs(100)衬底传入外延设备生长腔，生长高掺杂n型GaAs作为缓冲层，该层也可用作下接触层，即为所述GaAs缓冲层和下接触层；

所述步骤S2具体包括如下步骤：

步骤S21、生长Al含量为80％的高掺杂n型Al

步骤S22、生长Al含量由80％渐变至35％的掺杂n型Al

所述步骤S3具体包括如下步骤：

步骤S31、生长GaAs过渡层；

步骤S32、生长In组分为15％的InGaAs应变层；

步骤S33、生长InAs量子点层；

步骤S34、生长In组分为15％的InGaAs覆盖层；

步骤S35、生长GaAs隔离层；

所述步骤S4具体包括如下步骤：

步骤S41、生长Al含量由35％渐变至80％的掺杂p型Al

步骤S42、生长Al含量为80％的高掺杂p型Al

所述步骤S1中，所述高掺杂n型GaAs作为缓冲层的厚度为300nm，电子浓度为2×10

所述步骤S21中，所述高掺杂n型Al

所述步骤S22中，所述掺杂n型Al

所述步骤S31中，所述GaAs过渡层的厚度为50nm；

所述步骤S32中，所述InGaAs应变层的厚度为4nm；

所述步骤S33中，所述InAs量子点层的厚度为2.3ML；

所述步骤S34中，所述InGaAs覆盖层的厚度为2nm；

所述步骤S35中，所述GaAs隔离层的厚度为50nm；

所述步骤S41中，所述掺杂p型Al

所述步骤S42中，所述高掺杂p型Al

所述步骤S5中，所述高掺p型GaAs上接触层的厚度为150nm、空穴浓度为2×10

图1中，底色的灰度是代表半导体材料的禁带宽度，禁带宽度越宽，则颜色越透明。

本发明能够取得下列有益效果：

本发明通过采用选择性制备介电层材料而后热退火的方法，使得在Si或GaAs衬底上生长的InAs量子点激光器工作波长可调，增强了其在光纤通信领域的实用性，简化了制备工艺技术，降低了调制激光器工作波长的成本，在拥有相近体系材料的器件研制中具有良好的通用性。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。