專利名稱：用于半導體光放大器的寬增益譜量子點材料結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體光電子材料和器件技術領域，尤其涉及一種用于半導體光放大 器的寬增益譜量子點材料結構。
背景技術：
隨著新一代大容量高速光通信技術和全光網(wǎng)絡技術的發(fā)展，波分復用系統(tǒng)由于能 夠最大限度地利用光纖的傳輸容量，已成為光信號傳輸?shù)年P鍵技術。然而，對于波分復用系 統(tǒng)中的多個信道的放大和處理，則需要經(jīng)過解復用之后分別進行，一方面使得系統(tǒng)造價過 高，另一方面導致速度瓶頸。利用量子點材料制作半導體光放大器，不僅可以實現(xiàn)多個信道 波長的同時放大和處理，而且保持光學透明傳輸，提高信號傳輸速率。目前利用自組織生長的不均勻的量子點材料制作的光電子器件主要有以下幾 種(1)寬光譜量子點激光器(參見 A. Kovsh，et al.，Opt. Lett.，Vol. 32，No. 7，pp 793-795，2007.)，有源區(qū)材料結構為3層各3個周期的砷化銦/銦鎵砷量子點，通過變化 InO. 15GaO. 85As應變減少層的厚度，有意地獲得更寬的量子點光躍遷，激射光譜的波長范 圍1.2-1. 28微米，然而，其光譜基態(tài)和激發(fā)態(tài)疊加區(qū)域有明顯的凹陷；(2)寬發(fā)射譜量子點超輻射發(fā)光管(參見L. H. Li, et al.，Phys. Stat. Sol. (B)， Vol. 243, No. 15，pp =3988-3992, 2006.)，有源區(qū)材料為7層不垂直耦合的量子點，通過變化 InGaAs應變減少層中銦的組分或每層中砷化銦的沉積量，在1. 3微米波段獲得115nm的發(fā) 光譜；另外，基于磷化銦基量子點材料制作的工作在1. 55微米波段的寬帶半導體光放 大器已經(jīng)有文獻報道(參見 T. Akiyama et al.，Photon. Technol. Lett.，Vol. 17，No. 8，pp 1614-1616,2005.)。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術問題本發(fā)明的主要目的在于提出一種用于半導體光放大器的寬增益譜量子點材料 結構，給出材料基本結構和生長參數(shù)，實現(xiàn)寬增益譜非均勻展寬的量子點，以此材料制作 的半導體光放大器稱作量子點半導體光放大器(quantum dot semiconductor optical amplifier, QD-S0A)，其工作窗口可以控制在1. 3微米光纖通信低損耗區(qū)域。( 二 )技術方案為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種用于半導體光放大器的寬增益譜量子點材料 結構，該結構利用多層不同尺寸設計的量子點的非均勻展寬特性，獲得寬的增益譜，包括一 N型砷化鎵襯底；一 N型砷化鎵緩沖層，生長在N型砷化鎵襯底上，用于隔離襯底上的缺陷；一 N型鋁鎵砷光學下限制層，生長在N型砷化鎵緩沖層上，用于光學模式和載流子的限制；一多層不同周期的自組織量子點有源層，生長在N型鋁鎵砷光學下限制層上；一 P型鋁鎵砷光學上限制層，生長在該量子點有源層上，用于光學模式和載流子 的限制；以及一 P型砷化鎵帽層，生長在該P型鋁鎵砷光學上限制層上，用于電極接觸。上述方案中，所述多層不同周期的自組織量子點有源層包括N1個周期砷化銦/砷化鎵堆垛生長的量子點層，附為4 6 ；N2個周期砷化銦/砷化鎵堆垛生長的量子點層，N2為3 5 ；以及N3個周期砷化銦/砷化鎵堆垛生長的量子點層，N3為2 4。上述方案中，所述每種堆垛生長的量子點層均生長在一量子點種子層上，在量子 點種子層生長之前均生長一層預應變層，在堆垛量子點層生長之后均生長一層應變減少 層，在應變減少層和預應變層之間為一砷化鎵隔離層，在第一個預應變層之前和最后一個 應變減少層之后分別生長一層砷化鎵。上述方案中，所述N型砷化鎵緩沖層和N型鋁鎵砷光學下限制層的生長溫度在 600°C，當?shù)谝粋€預應變層之前的砷化鎵層生長到80 lOOnm時，降低生長溫度至510°C，繼 續(xù)生長20 40nm的砷化鎵和多層不同周期的自組織量子點有源層，當最后一個應變減少 層之后的砷化鎵層生長到20 40nm時，重新升高生長溫度至600°C，繼續(xù)生長80 lOOnm 砷化鎵層、鋁鎵砷上限制層和砷化鎵帽層。上述方案中，所述量子點種子層結構為2 3個原子單層的砷化銦生長在8 10 個原子單層的砷化鎵上，種子層的生長是為了在生長周期結構的堆垛量子點層時有確定的 沉積位置，有利于周期沉積的砷化銦在生長方向耦合，形成柱狀的量子點。上述方案中，所述預應變層和應變減少層均為銦鎵砷層，銦的組分在0. 1 0. 3之 間，厚度分別在1 2nm和4 6nm。上述方案中，所述在應變減少層和預應變層之間的砷化鎵隔離層的厚度在40 80nm，是為了避免m，N2，N3不同層量子點之間耦合；不同尺寸設計的量子點在空間上被隔 離，具有各自的非均勻增益譜寬和躍遷能級，疊加后小量子點的基態(tài)和大量子點的激發(fā)態(tài) 增益譜相互交疊，形成大而平滑的非均勻展寬。上述方案中，所述每一層的量子點的非均勻展寬在10%以內(nèi)。上述方案中，所述多層不同周期的自組織量子點有源層采用低溫、預應變和生長 停頓相結合的方法生長，以達到長波長和寬增益譜。上述方案中，所述多層不同周期的自組織量子點有源層中量子點均采用自組織生 長，堆垛量子點層為2 4個原子單層的砷化鎵/I 2個原子單層的砷化銦的周期結構，周 期數(shù)目分別為附、N2、N3，砷化鎵和砷化銦生長過程中均停頓80 100秒，附> N2 > N3， 附在4 6之間，N2在3 5之間，N3在2 4之間，三層具有不同堆垛周期，以獲得不同 尺寸的量子點分布，其中每一層的量子點的非均勻展寬在10%以內(nèi)。(三)有益效果本發(fā)明提供的這種用于半導體光放大器的寬增益譜量子點材料結構，給出材料基 本結構和生長參數(shù)，利用多層不同尺寸設計的量子點的非均勻展寬特性，獲得寬的增益譜， 實現(xiàn)寬增益譜非均勻展寬的量子點，以此材料制作的半導體光放大器稱作量子點半導體光放大器(quantum dot semiconductor optical amplifier，QD-SOA)，其工作窗口可以控制 在1. 3微米光纖通信低損耗區(qū)域。


圖1是本發(fā)明提供的用于半導體光放大器的寬增益譜量子點材料結構的示意圖；圖2是多層不同周期的自組織量子點有源層4的生長示意圖；圖3是周期生長的砷化鎵/砷化銦形成柱狀量子點的示意圖；圖4是不同大小量子點群增益譜擴展示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。請結合參閱附圖，圖1是本發(fā)明提供的用于半導體光放大器的寬增益譜量子點材 料結構的示意圖，該結構利用多層不同尺寸設計的量子點的非均勻展寬特性，獲得寬的增 益譜，包括一 N型砷化鎵襯底1 ；一 N型砷化鎵緩沖層2，生長在N型砷化鎵襯底1上，生長溫度600°C，用于隔離襯 底上的缺陷；一 N型鋁鎵砷光學下限制層3，生長在N型砷化鎵緩沖層2上，生長溫度600°C，用 于光學模式和載流子的限制；一多層不同周期的自組織量子點有源層4，生長在鋁鎵砷光學下限制層3上，采用 低溫、預應變和生長停頓相結合的方法生長，以達到長波長和寬增益譜；該有源層4的結構包括一 N1個周期砷化銦/砷化鎵堆垛生長的量子點層，附為4 6 ；一 N2個周期砷化銦/砷化鎵堆垛生長的量子點層，N2為3 5 ；一 N3個周期砷化銦/砷化鎵堆垛生長的量子點層，N3為2 4 ；每一層的量子點的非均勻展寬在10%以內(nèi)；每種堆垛生長的量子點層均生長在量子點種子層上；在量子點種子層生長之前均生長一層預應變層；在堆垛量子點層生長之后均生長一層應變減少層；在應變減少層和預應變層之間為一砷化鎵隔離層；在第一個預應變層之前和最后一個應變減少層之后分別生長一層砷化鎵Al，A2。其中砷化鎵A1在600°C生長80 lOOnm之后，降低生長溫度至510°C，繼續(xù)生長 20 40nm，然后保持510°C生長量子點結構B1，B2，B3和砷化鎵隔離層，砷化鎵A2在510°C 生長20 40nm之后，升高生長溫度至600°C，繼續(xù)生長80 lOOnm，然后保持600°C生長下 述P型鋁鎵砷上限制層5。一 P型鋁鎵砷光學上限制層5，生長在自組織量子點有源層4上，同樣用于光學模 式和載流子的限制，生長溫度600°C ；一 P型砷化鎵帽層6，生長在該P型鋁鎵砷光學上限制層上，起電極接觸作用，生長溫度600°C。其中Bl，B2，B3的結構如圖3所示，其中包括預應變層1，采用銦鎵砷材料，銦的組分在0. 1 0. 3之間，厚度在1 2nm ；8 10個原子單層的砷化鎵2，生長在預應變層1上；2 3個原子單層的砷化銦3，生長在砷化鎵2上，自組織形成砷化銦量子點，2和 3構成量子點種子層；2 4個原子單層的砷化鎵4，生長在砷化銦量子點3上，生長后停頓80-100秒；1 2個原子單層的砷化銦5，生長在砷化鎵4上，生長后停頓80-100秒，自組織 形成砷化銦量子點，由于種子層的存在，該層量子點形成時，更加易于沉積到種子層點的正 上方，4和5組成周期單元，擴展到N個周期，當N = Nl，N2, N3時，分別對應Bl，B2, B3結 構；應變減少層6，采用銦鎵砷材料，銦的組分在0. 1 0. 3之間，生長在最后一層砷化 銦自組織量子點上，厚度在4 6nm。利用本發(fā)明設計可以得到多層不同大小組群的量子點分布，每一層內(nèi)量子點的非 均勻展寬在10 %以內(nèi)，層與層之間通過有意設計不同的周期數(shù)目，獲得不同大小和形貌的 量子點，人為造成不均勻分布。這樣，不同層之間的非均勻展寬的增益譜相互疊加，小量子 點的基態(tài)擴展到大量子點的激發(fā)態(tài)，整個增益譜表現(xiàn)出平滑的寬帶性質，如圖4所表示。利 用本發(fā)明設計的量子點材料制作的半導體光放大器，可以同時對多個波長信道進行放大和 處理，這種QD-S0A器件將成為下一代光通信和光網(wǎng)絡中的關鍵器件。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保 護范圍之內(nèi)。
權利要求
一種用于半導體光放大器的寬增益譜量子點材料結構，其特征在于，該結構利用多層不同尺寸設計的量子點的非均勻展寬特性，獲得寬的增益譜，包括一N型砷化鎵襯底；一N型砷化鎵緩沖層，生長在N型砷化鎵襯底上，用于隔離襯底上的缺陷；一N型鋁鎵砷光學下限制層，生長在N型砷化鎵緩沖層上，用于光學模式和載流子的限制；一多層不同周期的自組織量子點有源層，生長在N型鋁鎵砷光學下限制層上；一P型鋁鎵砷光學上限制層，生長在該量子點有源層上，用于光學模式和載流子的限制；以及一P型砷化鎵帽層，生長在該P型鋁鎵砷光學上限制層上，用于電極接觸。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于半導體光放大器的寬增益譜量子點材料結構，其特征在 于，所述多層不同周期的自組織量子點有源層包括N1個周期砷化銦/砷化鎵堆垛生長的量子點層，m為4 6 ；N2個周期砷化銦/砷化鎵堆垛生長的量子點層，N2為3 5 ；以及N3個周期砷化銦/砷化鎵堆垛生長的量子點層，N3為2 4。
3.根據(jù)權利要求2所述的用于半導體光放大器的寬增益譜量子點材料結構，其特征在 于，所述每種堆垛生長的量子點層均生長在一量子點種子層上，在量子點種子層生長之前 均生長一層預應變層，在堆垛量子點層生長之后均生長一層應變減少層，在應變減少層和 預應變層之間為一砷化鎵隔離層，在第一個預應變層之前和最后一個應變減少層之后分別 生長一層砷化鎵。
4.根據(jù)權利要求3所述的用于半導體光放大器的寬增益譜量子點材料結構，其特征在 于，所述N型砷化鎵緩沖層和N型鋁鎵砷光學下限制層的生長溫度在600°C，當?shù)谝粋€預應 變層之前的砷化鎵層生長到80 lOOnm時，降低生長溫度至510°C，繼續(xù)生長20 40nm的 砷化鎵和多層不同周期的自組織量子點有源層，當最后一個應變減少層之后的砷化鎵層生 長到20 40nm時，重新升高生長溫度至600°C，繼續(xù)生長80 lOOnm砷化鎵層、鋁鎵砷上 限制層和砷化鎵帽層。
5.根據(jù)權利要求4所述的用于半導體光放大器的寬增益譜量子點材料結構，其特征在 于，所述量子點種子層結構為2 3個原子單層的砷化銦生長在8 10個原子單層的砷化 鎵上，種子層的生長是為了在生長周期結構的堆垛量子點層時有確定的沉積位置，有利于 周期沉積的砷化銦在生長方向耦合，形成柱狀的量子點。
6.根據(jù)權利要求3所述的用于半導體光放大器的寬增益譜量子點材料結構，其特征 在于，所述預應變層和應變減少層均為銦鎵砷層，銦的組分在0. 1 0. 3之間，厚度分別在 1 2nm 禾口 4 6nm。
7.根據(jù)權利要求3所述的用于半導體光放大器的寬增益譜量子點材料結構，其特征 在于，所述在應變減少層和預應變層之間的砷化鎵隔離層的厚度在40 80nm，是為了避免 Nl, N2, N3不同層量子點之間耦合；不同尺寸設計的量子點在空間上被隔離，具有各自的非 均勻增益譜寬和躍遷能級，疊加后小量子點的基態(tài)和大量子點的激發(fā)態(tài)增益譜相互交疊， 形成大而平滑的非均勻展寬。
8.根據(jù)權利要求2所述的用于半導體光放大器的寬增益譜量子點材料結構，其特征在于，所述每一層的量子點的非均勻展寬在10%以內(nèi)。
9.根據(jù)權利要求1所述的用于半導體光放大器的寬增益譜量子點材料結構，其特征在 于，所述多層不同周期的自組織量子點有源層采用低溫、預應變和生長停頓相結合的方法 生長，以達到長波長和寬增益譜。
10.根據(jù)權利要求1所述的用于半導體光放大器的寬增益譜量子點材料結構，其特征 在于，所述多層不同周期的自組織量子點有源層中量子點均采用自組織生長，堆垛量子點 層為2 4個原子單層的砷化鎵/I 2個原子單層的砷化銦的周期結構，周期數(shù)目分別為 m、N2、N3，砷化鎵和砷化銦生長過程中均停頓80 100秒，m > N2 > N3，m在4 6之 間，N2在3 5之間，N3在2 4之間，三層具有不同堆垛周期，以獲得不同尺寸的量子點 分布，其中每一層的量子點的非均勻展寬在10%以內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于半導體光放大器的寬增益譜量子點材料結構，包括一N型砷化鎵襯底；一N型砷化鎵緩沖層，生長在N型砷化鎵襯底上，用于隔離襯底上的缺陷；一N型鋁鎵砷光學下限制層，生長在N型砷化鎵緩沖層上，用于光學模式和載流子的限制；一多層不同周期的自組織量子點有源層，生長在N型鋁鎵砷光學下限制層上；一P型鋁鎵砷光學上限制層，生長在該量子點有源層上，用于光學模式和載流子的限制；以及一P型砷化鎵帽層，生長在該P型鋁鎵砷光學上限制層上，用于電極接觸。該結構利用多層不同尺寸設計的量子點的非均勻展寬特性，獲得寬的增益譜。
文檔編號H01S5/30GK101867155SQ20091008198
公開日2010年10月20日 申請日期2009年4月15日 優(yōu)先權日2009年4月15日
發(fā)明者劉王來, 葉小玲, 徐波, 王占國 申請人:中國科學院半導體研究所