大晶格失配可調諧量子阱激光器外延芯片的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于半導體技術領域，具體地涉及通過分子束外延(MBE)或者金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)生長大失配In (Ga) As/InP量子阱材料，通過引入Zn擴散緩沖層及精確調控激光器包層的Zn摻雜濃度，實現波長大范圍可調諧激光器外延芯片的制作方法。
【背景技術】
[0002]自上世紀六十年代初半導體激光器問世以來，因其具有波長覆蓋范圍廣、結構緊湊、可靠性高和易于集成性等性能優勢，已在人們的日常生活，工、農業生產以及國防軍事等領域得到廣泛的應用。隨著新興應用領域的不斷拓展，人們對半導體激光器的性能也提出了新的更高的要求。低成本、可調諧激光器成為人們研宄的熱點。InP基In(Ga)As量子阱由于其波長覆蓋1.6微米至3.0微米這一超寬范圍而在氣體探測，生物醫療，超長距離通信等多方面具有重要應用。同時，由于具有高質量，低成本的襯底材料，InP基激光器因其兼容傳統通訊用激光器的成熟工藝，且易與其它器件實現集成等優勢相比于其他體系(如GaSb基激光器材料體系)而具有更大的競爭力和應用前景。但目前，由于In(Ga)As/InP材料具有較大的晶格失配，高質量的量子阱材料制備較困難，特別是發光波長大于2微米的激光器中，量子阱層中In(Ga)As材料為In組分幾乎是100%的InAs。其與襯底的晶格失配達到3.2%。這在外延制備過程中容易引入缺陷，如何保證高質量的材料質量成為制備高性能激光器的關鍵。另一方面，在實際應用中，通常需要對激光波長進行調諧以滿足實際應用的需要，激光器的可調諧性也成為一項重要的指標。目前，人們主要通過量子阱層材料的組分以及材料厚度來進行激光波長的選擇。而對于純InAs材料的量子阱只能通過阱層的厚度來進行激光波長的調節，為了得到2微米波長的InAs/InP量子阱材料，InAs阱層的厚度需低于2nm，過薄的量子阱具有較大的量子尺寸效應，量子阱帶底能級距勢皇的高度較低，載流子容易逃逸出勢阱，造成激光器不能穩定工作。本發明提供一種大晶格失配可調諧量子阱激光器外延芯片的制作方法，通過固定量子阱的生長條件和參數，在量子阱有源層上方引入Zn擴散緩沖層，結合對包層InP材料中的Zn摻雜濃度進行精確調控，有效引導、控制Zn雜質向有源區的擴散，實現量子阱有源區波長寬達275nm范圍的調諧。由于這些激光芯片具有相同的有源層生長參數和條件，一次有源區外延生長可實現多波長激光器的制作，此方法的實施也將極大降低激光器芯片外延的整體成本。
【發明內容】
[0003]本發明提供一種大晶格失配可調諧量子阱激光器外延芯片的制作方法，具體通過在量子阱有源區上方引入Zn擴散緩沖層，結合對包層InP材料中的Zn摻雜濃度進行精確調控，實現量子阱激光器波長大范圍的調諧。
[0004]本發明提供一種大晶格失配可調諧量子阱激光器外延芯片的制作方法，包括如下步驟:
[0005]步驟1:選擇一 InP襯底；
[0006]步驟2:在該襯底上依次沉積InP緩沖層、下波導層、下限制層、量子阱層、上限制層、上波導層和InP蓋層；
[0007]步驟3:在InP蓋層上外延Zn擴散緩沖層；
[0008]步驟4:在Zn擴散緩沖層上外延Zn摻雜InP上包層、梯度層及InGaAs接觸層，完成制備。
[0009]本發明的有益效果是，其是通過在量子阱有源區上方引入Zn擴散緩沖層，結合對包層InP材料中的Zn摻雜濃度進行精確調控，實現量子阱激光器波長大范圍的調諧。
【附圖說明】
[0010]為了進一步說明本發明的具體技術內容，以下結合實施例及附圖詳細說明如后，其中:
[0011]圖1為本發明的制作流程圖；
[0012]圖2為本發明的結構示意圖；
[0013]圖3為不同緩沖層厚度及包層摻雜濃度下激光器的室溫光致熒光譜。
[0014]圖4是不同緩沖層厚度及包層摻雜濃度下激光器的激射譜。
【具體實施方式】
[0015]請參閱圖1、圖2所示，本發明一種大晶格失配可調諧量子阱激光器外延芯片的制作方法，包括如下步驟:
[0016]步驟1:選擇一 InP襯底1，其中InP襯底I為InP單晶片，晶向為(001)，偏角在±0.5°以內，厚度為325-375 μ m，摻雜濃度為(2-6) X 11W3;
[0017]步驟2:在該襯底I上依次沉積InP緩沖層2、下波導層3、下限制層4、量子阱層
5、上限制層6、上波導層7和InP蓋層8 ；InP緩沖層2厚度為500nm，生長溫度介于600至660°C之間，摻雜濃度介于I X 117至2 X 10 18CnT3之間，生長速度約0.4-0.6nm/s，過快的生長速度不利于高質量緩沖層的形成；其中下波導層3和上波導層7的材料為InGaAsP材料，該下波導層3和上波導層7的厚度為50-500nm，生長溫度介于450_650°C之間，室溫光致焚光波長介于1000-1700nm之間；其中下限制層4和上限制層6的材料為In (Al) GaAs，厚度介于O-1OOnm之間，生長溫度介于450_650°C之間，Al組分根據擬設計的勢皇高度進行調節，一般介于O至80%之間，Al組分的引入可以有效提高量子阱層的載流子限制作用，有利于提高激光器輸出特性的溫度穩定性，但由于含Al材料容易氧化，特別是在較低的生長溫度下，過高的Al組分會降低材料的晶體質量；其中量子阱層5為交替生長的勢皇層和阱層，其層數為1-10，其材料為InxGahAs，其中In組分介于55%至100 %，其生長溫度介于450°C至650°C之間，該量子阱層5的層數為1-10，本實施例中采用InAs材料，厚度為5nm，生長速度為0.lnm/s ;InP蓋層8的生長溫度與上波導層7相同，生長厚度為5_10nm，此層材料的主要目的是在接下來的變溫過程中保護波導層材料表面形貌。
[0018]步驟3:在InP蓋層8上外延Zn擴散緩沖層9 ;本實施例中，Zn擴散緩沖層9為InP材料，厚度介于0-300nm之間，生長溫度介于600至650°C之間。擴散緩沖層9的厚度需根據上包層的摻雜濃度來確定，在后續的上包層10中Zn摻雜濃度越高，Zn原子越容易向有源區擴散；由于有源區量子阱層5的發光波長與Zn擴入量直接相關，因此擴散緩沖層9的厚度直接影響此制作方法的實施效果。
[0019]步驟4:在Zn擴散緩沖層9上外延Zn摻雜InP上包層10、梯度層11、及InGaAs接觸層12 ;InP上包層10厚度介于500-1500nm之間，生長溫度為600°C，其摻雜濃度需精確控制，濃度介于5E16至5E18cm_3之間；由于摻雜濃度直接影響激光器激射過程中P摻雜區空穴向有緣區內的注入，較高的摻雜濃度有利于提高空穴的注入效率并降低串聯電阻，因此，我們采用梯度摻雜結構，摻雜濃度由1E17至2E18cm_3逐步升高。梯度層11為InAlGaAs材料或者InGaAsP材料，厚度介于O至10nm之間，其摻雜濃度為5E18cm_3;InGaAs接觸層12的摻雜濃度大于5E18cm_3，生長溫度低于650°C，本實施例中，我們采用的摻雜濃度為1.5E19cm_3，生長溫度為600°C，過高的生長溫度會導致Zn向外擴散逃逸，從而降低接觸層的摻雜濃度，增大接觸電阻。
[0020]參閱圖3、圖4所示，圖3為具有相同量子阱層5生長結構和參數條件下，通過固定Zn擴散緩沖層9的厚度為140nm，不同InP上包層10摻雜濃度下激光器有源層的室溫光致熒光譜。其中，樣品I為參考樣品，其InP上包層10未摻雜。樣品2、樣品3、樣品4的InP上包層10摻雜濃度隨InP厚度增加逐漸增大，其增大梯度分別為lE17cnT3至6E17cnT3、2E17cm_3至lE18cm_3、lE18cm_3至2E18cm_3逐步提高。由圖可知，隨著包層摻雜濃度的逐漸提升，激光器有源區發光峰值波長由參考樣品I的2385nm逐漸藍移至樣品4對應的2110nm。其波長調諧范圍寬達275nm。圖4給出了具有相同量子阱層5生長結構和參數條件下，通過固定Zn擴散緩沖層9的厚度為140nm，不同InP上包層10摻雜濃度下激光器的室溫激射譜。由圖可知，通過選取合適的Zn擴散緩沖層厚度及包層Zn摻雜濃度，我們成功制備了波長覆蓋2155nm至2300nm的室溫工作的激光器。
[0021]以上所述外延材料生長設備為MOCVD，外延生長過程中使用的源分別是三甲基銦(TMIn)，三乙基鎵(TEGa)，砷烷(AsH3)，磷烷(PH3)，硅烷(SiH4)，二乙基鋅(DEZn)。
[0022]以上所述，僅為本發明中的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術范圍內，可輕易想到的變換或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
【主權項】
1.一種大晶格失配可調諧量子阱激光器外延芯片的制作方法，包括如下步驟: 步驟1:選擇一 InP襯底； 步驟2:在該襯底上依次沉積InP緩沖層、下波導層、下限制層、量子阱層、上限制層、上波導層和InP蓋層； 步驟3:在InP蓋層上外延Zn擴散緩沖層； 步驟4:在Zn擴散緩沖層上外延Zn摻雜InP上包層、梯度層及InGaAs接觸層，完成制備。
2.根據權利要求1所述的大晶格失配可調諧量子阱激光器外延芯片的制作方法，其中量子阱層為交替生長的勢皇層和阱層，其層數為1-10，其材料為InxGai_xAs，其中In組分介于50%至100%，其生長溫度介于450°C至650°C之間。
3.根據權利要求1所述的大晶格失配可調諧量子阱激光器外延芯片的制作方法，其中下波導層和上波導層的材料為InGaAsP或In (Al) GaAs，該下波導層和上波導層的厚度介于50-500nm 之間。
4.根據權利要求1所述的大晶格失配可調諧量子阱激光器外延芯片的制作方法，其中Zn擴散緩沖層為InP材料，厚度介于0-300nm之間，生長溫度介于550至650°C之間。
5.根據權利要求1所述的大晶格失配可調諧量子阱激光器外延芯片的制作方法，其中InP上包層厚度介于500-1500nm之間，其摻雜濃度需精確控制，濃度介于5E16至5E18cnT3之間。
6.根據權利要求1所述的大晶格失配可調諧量子阱激光器外延芯片的制作方法，其中梯度層為InAlGaAs材料或者InGaAsP材料，厚度介于O至10nm之間，其摻雜濃度大于lE17cm30
7.根據權利要求1所述的大晶格失配可調諧量子阱激光器外延芯片的制作方法，其中InGaAs接觸層的摻雜濃度大于5E18cnT3，生長溫度低于650°C。
【專利摘要】一種大晶格失配可調諧量子阱激光器外延芯片的制作方法，包括如下步驟：步驟1：選擇一InP襯底；步驟2：在該襯底上依次沉積InP緩沖層、下波導層、下限制層、量子阱層、上限制層、上波導層和InP蓋層；步驟3：在InP蓋層上外延Zn擴散緩沖層；步驟4：在Zn擴散緩沖層上外延Zn摻雜InP上包層、梯度層及InGaAs接觸層，完成制備。本發明可以實現量子阱激光器波長大范圍的調諧。
【IPC分類】H01S5-343, H01S5-34
【公開號】CN104638516
【申請號】CN201510111671
【發明人】羅帥, 季海銘, 楊濤
【申請人】中國科學院半導體研究所
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2015年3月13日