CN111276869A - 量子点激光器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种量子点激光器及其制备方法。本发明量子点激光器由下至上依次包括：多孔单晶硅衬底、填充层、下电极、第一超晶格波导层、有源区、第二超晶格波导层、上电极。由于单晶硅衬底与有源区存在晶格失配，使器件的制作和性能都带来不利影响，因此，本发明量子点激光器通过采用多孔单晶硅衬底，利用多孔结构将单晶硅衬底与有源区的晶格失配造成的大量位错缺陷释放掉，从而提升所得量子点激光器的性能。
Description
技术领域
本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种量子点激光器及其制备方法。
背景技术
半导体光电器件的工作波长与制作器件所用的半导体材料存在密切关系。随着光电器件的发展，在追求更新、更小、性能更优越的量子器件的研究中发现，仅从一个维度对载流子进行限制是不够的，需要在两个或三个维度上对载流子实现量子限制，从而构成一维量子线或量子点。
量子线/量子点激光器具有高增益、低阈值电流、高微分增益和调制频率的优点，且其谱线宽度也得到了明显改善，在被研制出来后进行了广泛的优化和应用。然而，传统的在硅衬底上集成有源区量子点材料时，由于硅和III-V族化合物之间存在着巨大的晶格失配度，使这些化合物材料在硅衬底上进行异质外延生长时，存在着可能导致产品出现大量缺陷的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种量子点激光器及其制备方法，旨在解决现有硅衬底与III-V族化合物之间的晶格失配度导致激光器存在大量缺陷的问题。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明一方面提供一种量子点激光器，包括：
多孔单晶硅衬底；
填充层，其设置在所述多孔单晶硅衬底上；
下电极，其设置在所述填充层上；
第一超晶格波导层，其设置在所述下电极上；
有源区，其设置在所述第一超晶格波导层上；
第二超晶格波导层，其设置在所述有源区上；
上电极，其设置在所述第二超晶格波导层上。
作为本发明的一种优选技术方案，所述多孔单晶硅衬底与所述填充层相邻的面设置有若干个盲孔。
作为本发明的一种优选技术方案，所述盲孔的直径为50nm-100nm。
作为本发明的一种优选技术方案，所述盲孔的深度为100nm-110nm。
作为本发明的一种优选技术方案，所述多孔单晶硅衬底的厚度为360μm-380μm。
作为本发明的一种优选技术方案，所述填充层为砷化镓填充层。
作为本发明的一种优选技术方案，所述填充层的厚度为140nm-150nm。
作为本发明的一种优选技术方案，所述有源区包括交替设置的N+1层砷化铟量子点层和N层间隔层，且N为大于等于1的整数。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述间隔层为砷化镓间隔层。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述间隔层的厚度为38nm-40nm。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述砷化铟量子点层的厚度为2.5ML-2.7ML。
作为本发明的一种优选技术方案，所述填充层和所述下电极之间还设置有缓冲层。
作为本发明的一种优选技术方案，所述缓冲层为砷化镓缓冲层。
作为本发明的一种优选技术方案，所述缓冲层的厚度为480nm-520nm。
作为本发明的一种优选技术方案，所述下电极为N型掺杂Al0.3Ga0.7As导电层。
作为本发明的一种优选技术方案，所述下电极的厚度为1.49μm-1.51μm。
作为本发明的一种优选技术方案，所述第一超晶格波导层为多周期GaAs/Al0.3Ga0.7As超晶格波导层。
作为本发明的一种优选技术方案，所述第一超晶格波导层的厚度为75nm-85nm。
作为本发明的一种优选技术方案，所述第二超晶格波导层为多周期GaAs/Al0.3Ga0.7As超晶格波导层。
作为本发明的一种优选技术方案，所述第二超晶格波导层的厚度为75nm-85nm。
作为本发明的一种优选技术方案，所述上电极为P型掺杂Al0.3Ga0.7As导电层。
作为本发明的一种优选技术方案，所述上电极的厚度为1.49μm-1.51μm。
本发明另一方面提供一种量子点激光器的制备方法，包括如下步骤：
选择一单晶硅衬底；
在所述单晶硅衬底上刻蚀出若干个孔，得到多孔单晶硅衬底；
在所述多孔单晶硅衬底上依次生长填充层、下电极、第一超晶格波导层、有源区、第二超晶格波导层、上电极，得到量子点激光器。
硅衬底与外延层上的III-V族化合物之间存在晶格常数的差异即晶格失配，容易造成激光器产品具有大量缺陷。为了解决该问题，本发明提供的量子点激光器采用多孔单晶硅衬底，由于多孔单晶硅衬底上具有丰富的孔状结构，可以将硅与有源区材料的晶格失配造成的大量位错缺陷释放掉，以消除晶格失配对激光器件造成的不利影响，提升所得量子点激光器的性能。
本发明通过在单晶硅衬底上刻蚀出若干个孔得到多孔单晶硅衬底，所得多孔单晶硅衬底可消除其与有源区材料的晶格失配造成的大量位错缺陷，具有方法简单易行、便于操作实施的优点。
附图说明
图1为本发明一种实施方式提供的多孔单晶硅衬底的平面示意图；
图2为本发明一种实施方式提供的量子点激光器的结构示意图；
图3为本发明一种实施方式提供的多孔单晶硅衬底上生长砷化铟量子点材料，且表面未覆盖的AFM图；
图4为本发明一种实施方式提供的量子点激光器中的量子点发光谱图；
其中，图2中的附图标记如下：
10-多孔单晶硅衬底；20-填充层；30-缓冲层；40-下电极；50-第一超晶格波导层；60-有源区；62-砷化铟量子线层；64-间隔层；70-第二超晶格波导层；80-上电极。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和技术效果更加清楚，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。结合本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行；所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
在本发明的描述中，需要理解的是，除非上下文另外明确地使用，否则词的单数形式的表达应被理解为包该词的复数形式。术语“包括”或“具有”旨在指定特征、数量、步骤、操作、元件、部分或者其组合的存在，但不用于排除存在或可能添加一个或多个其它特征、数量、步骤、操作、元件、部分或者其组合。
在本发明的描述中，当一个元件例如层、膜、区域或基板被称为“在”另外的元件“上”时，其可直接在所述另外的元件上或者还可存在中间元件。相反，当一件元件被称为“直接在”另外的元件“上”时，则不存在中间元件。
在本发明的描述中，尽管术语“第一”、“第二”、“第三”可在本文中用于描述各种元件、组分、区域、层，但这些元件、组分、区域、层不应被这些术语限制。这些术语仅用于使一个元件、组分、区域、层区别于另外的元件、组分、区域、层。因此，在不背离本文的教导的情况下，说明书提到的“第一元件”、“组分”、“区域”、“层”可称为第二元件、组分、区域、层。
在本发明的描述中，“下”或“上”不是绝对的概念，而可以是能够根据观察者的视角通过分别替换“上”或“下”来解释的相对概念。
本发明实施例提供了一种量子点激光器，包括：
多孔单晶硅衬底；
填充层，其设置在多孔单晶硅衬底上；
下电极，其设置在填充层上；
第一超晶格波导层，其设置在下电极上；
有源区，其设置在第一超晶格波导层上；
第二超晶格波导层，其设置在有源区上；
上电极，其设置在第二超晶格波导层上。
图1示出了本发明量子点激光器中的多孔单晶硅衬底的平面示意图。结合图1可以看出，本发明多孔单晶硅衬底上具有若干个阵列排布的孔状结构，本发明通过采用这种非导体化的多孔单晶硅衬底，其丰富的孔状结构可以将硅衬底与有源区材料的晶格失配造成的大量位错缺陷释放掉，以消除晶格失配对激光器件造成的不利影响，从而使所得量子点激光器的性能得到提升。需要说明的是，图1的孔状结构仅代表了阵列排布的情形，本发明对于孔状结构的排列方式并无要求，孔状结构的排布方式也可以是随机的。
本发明量子点激光器的工作原理是：本发明量子点激光器的有源区增益介质由多个量子点材料组成，通过电流驱动注入载流子(电子和空穴)，注入的载流子被有源区的量子点捕获，在量子点的导带的电子会跃迁到价带的空穴复合，发出光子，当量子点发出的光增益大于激光器的损耗后，从激光器的腔面就发射出激光。
在一些实施例中，多孔单晶硅衬底上的孔状结构为盲孔，且该盲孔是在与填充层相邻的面进行设置。盲孔的直径过大，则破坏Si衬底的晶格完整性；盲孔的直径过小，则生长中不利释放缺陷；盲孔的深度过深，则不容易生长填充层；盲孔的深度过浅，则不足以完全释放硅与有源区材料晶格失配造成的位错缺陷。因此，优选地，盲孔的直径为50nm-100nm，盲孔的深度为100nm-110nm。具体地，典型而非限制性的盲孔直径为50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm；典型而非限制性的盲孔深度为100nm、102nm、104nm、105nm、106nm、108nm、110nm。
为了形成盲孔，多孔单晶硅衬底的厚度应大于多孔单晶硅衬底上的盲孔的深度。在一些实施例中，多孔单晶硅衬底的厚度为360μm-380μm。具体地，多孔单晶硅衬底典型而非限制性的厚度为360μm、365μm、370μm、375μm、380μm。
虽然在多孔单晶硅衬底上设置若干个孔状结构有助于释放硅衬底与有源区材料的晶格失配造成的大量位错缺陷，但是孔状结构自身也可能会使所得激光器的层状结构具有不够平整的问题。因此，在一些实施例中，采用砷化镓填充层对孔状结构进行填充，可以解决上述问题。优选地，填充层的厚度为140nm-150nm，既提升了结构的平整度，又防止填充层过厚而导致所得激光器尺寸过大的问题。具体地，典型而非限制性的填充层厚度为140nm、142nm、144nm、145nm、146nm、148nm、150nm。
为了进一步提升所得激光器的层状结构的平整度，还可在填充层与下电极之间设置缓冲层。在一些实施例中，缓冲层为砷化镓缓冲层，其厚度可以是480nm-520nm。具体地，典型而非限制性的缓冲层厚度为480nm、490nm、500nm、510nm、520nm。
在一些实施例中，第一超晶格波导层为多周期GaAs/Al0.3Ga0.7As超晶格波导层。超晶格波导层可以将有源区量子点发出的光限制在腔面激射，阻挡掺杂剂或其它杂质向有源区扩散，同时还可更进一步改善外延层的平整度。优选地，第一超晶格波导层的厚度为75nm-85nm。具体地，典型而非限制性的第一超晶格波导层的厚度为75nm、77nm、79nm、80nm、82nm、84nm、85nm。
进一步地，多周期GaAs/Al0.3Ga0.7As超晶格波导层的周期数为20，单周期GaAs/Al0.3Ga0.7As的厚度为2nm。周期数过少会导致不同层之间量子点的耦合；周期数过多会影响载流子的注入，进而影响激光器的性能。
在一些实施例中，第二超晶格波导层为多周期GaAs/Al0.3Ga0.7As超晶格波导层。超晶格波导层可以将有源区量子点发出的光限制在腔面激射，阻挡掺杂剂或其它杂质向有源区扩散，同时还可更进一步改善外延层的平整度。优选地，第二超晶格波导层的厚度为75nm-85nm。具体地，典型而非限制性的第二超晶格波导层的厚度为75nm、77nm、79nm、80nm、82nm、84nm、85nm。进一步地，多周期GaAs/Al0.3Ga0.7As超晶格波导层的周期数为20，单周期GaAs/Al0.3Ga0.7As的厚度为2nm。
在一些实施例中，由于Al0.3Ga0.7As与缓冲层材料砷化镓的晶格匹配，有利于载流子中的电子注入，所以下电极为n型掺杂Al0.3Ga0.7As导电层。优选地，下电极的厚度为1.49μm-1.51μm，既可以方便制作下电极，又可以节约激光器的成本；掺杂元素为Si，掺杂浓度为3×1018/cm3，可进一步促进载流子中的电子注入。具体地，典型而非限制性的下电极厚度为1.49μm、1.50μm、1.51μm。
在一些实施例中，由于Al0.3Ga0.7As与缓冲层材料砷化镓的晶格匹配，有利于载流子中的电子注入，所以上电极为P型Al0.3Ga0.7As导电层。优选地，上电极的厚度为1.49μm-1.51μm，既可以方便制作上电极，又可以节约激光器的成本；掺杂元素为Be，掺杂浓度为3×1018/cm3，可进一步促进载流子中的电子注入。具体地，典型而非限制性的上电极厚度为1.49μm、1.50μm、1.51μm。
在一些实施例中，有源区包括交替设置的N+1层砷化铟量子点层和N层间隔层，且N为大于等于1的整数。N的数值可根据实际需要进行调整，应理解的是，N越大，所得量子点激光器的光增益也越大。图2示出了N等于5时，所得量子点激光器的结构，包括：
多孔单晶硅衬底10；
填充层20，其设置在多孔单晶硅衬底10上；
缓冲层30，其设置在填充层20上；
下电极40，其设置在缓冲层30上；
第一超晶格波导层50，其设置在下电极40上；
有源区60，其设置在第一超晶格波导层50上；
第二超晶格波导层70，其设置在有源区60上；
上电极80，其设置在第二超晶格波导层70上；
其中，有源区由5层砷化铟量子点层62和4层间隔层64交替设置而成。
需要说明的是，图2中，为了使图示清楚，层和区域的尺寸会被夸大，从观察者的视角来描述。如果一个结构被称为在另一个结构上时，可以理解的是，该结构可以直接位于另一个结构上，或者另外的结构可以介于该结构与另一个结构之间。在整个说明书中，相同的附图标记表示相同的结构。
在一些实施例中，间隔层间隔于相邻两层砷化铟量子点层的中间，可以起到防止砷化铟量子点之间发生串扰。优选地，间隔层为砷化镓间隔层，这是因为砷化镓与缓冲层的晶格匹配，容易生长出高质量的砷化铟量子点。
间隔层过薄，则无法发挥其防串扰作用；间隔层过厚又会影响所得量子点激光器的体积和性能。因此，在一些实施例中，间隔层的厚度优选为38nm-42nm。具体地，典型而非限制性的间隔层厚度为38nm、39nm、40nm、41nm、42nm。
量子点的尺寸决定了所得量子点激光器的波长。在一些实施例中，单层砷化铟量子点的厚度为2.5ML-2.7ML，此厚度为生长量子点激光器的最佳厚度。具体地，典型而非限制性的单层砷化铟量子点厚度为2.5ML、2.6ML、2.7ML。
本发明实施例提供了一种量子点激光器的制备方法，包括如下步骤：
S1、选择一单晶硅衬底；
S2、在单晶硅衬底上刻蚀出若干个孔，得到多孔单晶硅衬底；
S3、在多孔单晶硅衬底上依次生长填充层、下电极、第一超晶格波导层、有源区、第二超晶格波导层、上电极，得到量子点激光器。
本发明通过在单晶硅衬底上刻蚀出若干个孔得到多孔单晶硅衬底，所得多孔单晶硅衬底可消除其与有源区材料的晶格失配造成的大量位错缺陷，具有方法简单易行、便于操作实施的优点。
由于本发明量子点激光器的填充层和下电极之间还可设置缓冲层，此时量子点激光器的制备方法与前述S1-S3大致相同，区别仅在于S3：在多孔单晶硅衬底上依次生长填充层、缓冲层、下电极、第一超晶格波导层、有源区、第二超晶格波导层、上电极，得到量子点激光器。
下面以砷化铟量子点层的层数等于5、间隔层的层数等于4、填充层和下电极之间设置有缓冲层为例来详细说明本发明量子点激光器的制备方法。
先选择一单晶硅衬底，然后反应离子刻蚀技术在单晶硅衬底上制作圆孔。在一些实施例中，利用SF6反应刻蚀气体，刻蚀功率为200W，反应气体压强为25Pa，反应气体流量为35sccm，刻蚀时间为10s，形成若干个直径为50nm、深度为100nm的圆孔，得到多孔单晶硅衬底(如图3所示)。
在所得多孔单晶硅衬底上利用外延技术生长填充层。在一些实施例中，填充层的生长温度设置为580℃。
当填充层生长完成后，停顿30秒，接着在填充层上生长缓冲层。在一些实施例中，缓冲层的生长温度设置为580℃。
缓冲层生长完毕后，在缓冲层上继续生长下电极。在一些实施例中，下电极的生长温度设置为580℃，生长速率为0.598μm/h。
在下电极表面生长第一超晶格波导层。在一些实施例中，第一超晶格波导层的生长温度设置为580℃。
然后在第一超晶格波导层表面生长有源区。有源区的生长具体是依次生长砷化铟量子点层A1、间隔层B1、砷化铟量子点层A2、间隔层B2、砷化铟量子点层A3、间隔层B3、砷化铟量子点层A4、间隔层B4、砷化铟量子点层A5。在一些实施例中，砷化铟量子点层A1/A2/A3/A4/A5的生长温度设置为500℃，生长速率为0.142ML/s，生长时间为17.6s；间隔层的生长温度设置为580℃，生长速率为0.598μm/h。
在有源区表面继续生长第二超晶格波导层。在一些实施例中，第一超晶格波导层的生长温度设置为580℃。
最后在第二超晶格波导层表面生长上电极，完成量子点激光器的制作。在一些实施例中，上电极的生长温度设置为580℃，生长速率为0.598μm/h。
可以理解的是，用砷化铟量子点层A1、砷化铟量子点层A2、砷化铟量子点层A3、砷化铟量子点层A4、砷化铟量子点层A5依次表示生长第一层砷化铟量子点层、第二层砷化铟量子点层、第三层砷化铟量子点层、第四层砷化铟量子点层、第五层砷化铟量子点层，这样表示是为了更清晰地说明激光器各层之间的结构关系，它们仅表示生长顺序的先后，而砷化铟量子点层A1、砷化铟量子点层A2、砷化铟量子点层A3、砷化铟量子点层A4、砷化铟量子点层A5各自的厚度、生长温度、所选材料等可以相同也可以不同。
同理，间隔层B1、间隔层B2、间隔层B3、间隔层B4依次表示生长第一层间隔层、第二层间隔层、第三层间隔层、第四层间隔层，它们仅表示生长顺序的先后，而间隔层B1、间隔层B2、间隔层B3、间隔层B4各自的厚度、生长温度、所选材料等可以相同也可以不同。
为使本发明上述实施细节和操作能清楚地被本领域技术人员理解，以及本发明量子点激光器及其制备方法的进步性能显著的体现，以下通过实施例来举例说明上述技术方案。
实施例
(1)在厚度为380μm左右的单晶硅衬底上，通过光刻技术在单晶硅衬底上制作直径为50nm、深度为100nm的圆，利用SF6反应刻蚀气体，刻蚀功率为200W，反应气体压强25Pa，反应气体流量为35sccm，刻蚀时间为10秒，得到多孔单晶硅衬底；
(2)在外延生长室内，先把多孔单晶硅衬底加热到940℃保持600s，之后把多孔单晶硅衬底温度降低到580℃，生长150nm的GaAs填充层，停顿30s，然后再生长500nm的GaAs缓冲层；
(3)在GaAs缓冲层上生长n型掺杂Al0.3Ga0.7As下电极，厚度为1.5微米，生长温度为580℃，生长速率为0.598μm/h，掺杂元素为Be，掺杂浓度为×1018/cm3；
(4)在n型掺杂Al0.3Ga0.7As下电极上生长20周期的GaAs/Al0.3Ga0.7As超晶格波导层，生长温度为580℃，单周期GaAs/Al0.3Ga0.7As的厚度分别为2nm，总厚度为80nm；
(5)有源区由5层InA量子点层和4层GaAs间隔层交替而成。单层InAs量子点的厚度为2.5ML，生长温度为500℃，InAs生长速率为0.142ML/s，生长时间为17.6秒；为了防止InAs量子点之间的串扰，每层InAs量子点由40nm的GaAs间隔层分隔，GaAs间隔层生长温度为580℃，生长速率为0.598μm/h；
(6)接下来生长20周期的GaAs/Al0.3Ga0.7As超晶格波导层，生长温度为580℃，单周期GaAs/Al0.3Ga0.7As的厚度分别为2nm，总厚度为80nm；
(7)最后生长p型掺杂Al0.3Ga0.7As上电极，厚度为1.5μm，掺杂元素为Be，浓度为3×1018/cm3，生长温度为580℃，生长速率为0.598μm/h，得到量子点激光器。
图3示出了步骤(1)所得多孔单晶硅衬底上生长InAs量子点材料，且表面未覆盖的AFM图，经统计，量子点密度为2×1010/cm2。量子点分布较为均匀，点的高度为2nm-4nm，直径为20nm-40nm。
图4示出了在低温77K、入射功率为16W/cm2时，所得量子点激光器的量子点发光谱图。可以看出，中心波长为1021nm，半峰宽为130mev。
以上所述实施例仅表达了本发明的个别实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种量子点激光器，包括：
多孔单晶硅衬底；
填充层，其设置在所述多孔单晶硅衬底上；
下电极，其设置在所述填充层上；
第一超晶格波导层，其设置在所述下电极上；
有源区，其设置在所述第一超晶格波导层上；
第二超晶格波导层，其设置在所述有源区上；
上电极，其设置在所述第二超晶格波导层上。
2.根据权利要求1所述的量子点激光器，其特征在于，所述多孔单晶硅衬底与所述填充层相邻的面设置有若干个盲孔；和/或
所述盲孔的直径为50nm-100nm；和/或
所述盲孔的深度为100nm-110nm；和/或
所述多孔单晶硅衬底的厚度为360μm-380μm。
3.根据权利要求1所述的量子点激光器，其特征在于，所述填充层为砷化镓填充层；和/或
所述填充层的厚度为140nm-150nm。
4.根据权利要求1所述的量子点激光器，其特征在于，所述有源区包括交替设置的N+1层砷化铟量子点层和N层间隔层，且N为大于等于1的整数。
5.根据权利要求4所述的量子点激光器，其特征在于，所述间隔层为砷化镓间隔层；和/或
所述间隔层的厚度为38nm-42nm；和/或
所述砷化铟量子点层的厚度为2.5ML-2.7ML。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的量子点激光器，其特征在于，所述填充层和所述下电极之间还设置有缓冲层；和/或
所述缓冲层为砷化镓缓冲层；和/或
所述缓冲层的厚度为480nm-520nm。
7.根据权利要求1-5中任意一项所述的量子点激光器，其特征在于，所述下电极为N型掺杂Al0.3Ga0.7As导电层；和/或
所述下电极的厚度为1.49μm-1.51μm。
8.根据权利要求1-5中任意一项所述的量子点激光器，其特征在于，所述第一超晶格波导层为多周期GaAs/Al0.3Ga0.7As超晶格波导层；和/或
所述第一超晶格波导层的厚度为75nm-85nm；和/或
所述第二超晶格波导层为多周期GaAs/Al0.3Ga0.7As超晶格波导层；和/或
所述第二超晶格波导层的厚度为75nm-85nm。
9.根据权利要求1-5中任意一项所述的量子点激光器，其特征在于，所述上电极为P型掺杂Al0.3Ga0.7As导电层；和/或
所述上电极的厚度为1.49μm-1.51μm。
10.一种量子点激光器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
选择一单晶硅衬底；
在所述单晶硅衬底上刻蚀出若干个孔，得到多孔单晶硅衬底；
在所述多孔单晶硅衬底上依次生长填充层、下电极、第一超晶格波导层、有源区、第二超晶格波导层、上电极，得到量子点激光器。
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