阅读说明：本技术 长波长GaInNAs/InGaAs复合量子点垂直腔面发射激光器 (Long wavelength GaInNAs/InGaAs composite quantum dot vertical cavity surface emitting laser ) 是由 黄珊珊 黄辉廉 文宏 叶旺 刘建庆 于 2019-12-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种长波长GaInNAs/InGaAs复合量子点垂直腔面发射激光器,包括n型GaAs衬底,n型GaAs衬底上表面由下至上依次设置有n型GaAs缓冲层、n型DBR、非掺杂量子点有源层和p型DBR,在p型DBR上制备有上电极,在n型GaAs衬底的下表面制备有下电极；非掺杂量子点有源层由非掺杂GaInNAs/InGaAs复合量子点和非掺杂GaAs势垒层混合而成,非掺杂GaInNAs/InGaAs复合量子点的内部为呈3D岛状结构的GaInNAs量子点,外部为InGaAs包覆层,通过调整InGaAs包覆层中的铟的含量来缓冲GaInNAs量子点与非掺杂GaAs势垒层间由晶格常数差异导致的应力,通过调整GaInNAs量子点中的氮及铟的含量来控制激光器的发射波长达到1.31至1.55μm。本发明具有更低的阈值电流、更窄的光谱线宽、更高的功率输出等特性。(The invention discloses a long-wavelength GaInNAs/InGaAs composite quantum dot vertical cavity surface emitting laser, which comprises an n-type GaAs substrate, wherein an n-type GaAs buffer layer, an n-type DBR, a non-doped quantum dot active layer and a p-type DBR are sequentially arranged on the upper surface of the n-type GaAs substrate from bottom to top; the undoped GaInNAs/InGaAs composite quantum dot is internally provided with a GaInNAs quantum dot in a 3D island-shaped structure, the outer part of the undoped GaInNAs/InGaAs composite quantum dot is provided with an InGaAs coating layer, the stress between the GaInNAs quantum dot and the undoped GaAs barrier layer caused by lattice constant difference is buffered by adjusting the content of indium in the InGaAs coating layer, and the emission wavelength of the laser is controlled to reach 1.31-1.55 mu m by adjusting the content of nitrogen and indium in the GaInNAs quantum dot. The invention has the characteristics of lower threshold current, narrower spectral line width, higher power output and the like.)

长波长GaInNAs/InGaAs复合量子点垂直腔面发射激光器

技术领域

本发明涉及半导体激光器的技术领域，尤其是指一种长波长GaInNAs/InGaAs复合量子点垂直腔面发射激光器。

背景技术

随着光通信领域的高速发展，国际上一直在探寻低成本、高速率和低功耗的新型光有源器件。其中，激射波长为1.31/1.55μm的光源已经成为中长距离和高速光通信的重要光源。长波长垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有与光纤偶尔效率高、调制速率高和功耗低等优点。然而，GaInAsP/InP VCSEL的研制近年来进展不大，主要原因是：1)GaInAsP/InP系材料的导带边偏差小，电子限制能力差，导致严重的载流子泄露，器件的特征温度只有50K；2)GaInAsP/InP系材料的折射率差别小，要制作高反射率的分布布拉格反射镜(DBR)十分困难；3)存在严重的非辐射复合，而且电流限制结构的能力差。

目前，最有可能实用化的长波长VCSEL为GaInNAs/GaAs VCESL，其特点如下：1)特征温度可高达180～200K，具有高度温度稳定性；2)可与高反射率的AlAs/GaAs DBR相集成；3)GaAs作为衬底，晶体质量、器件与集成电路的加工工艺比InP优越，且成本低。通过在InGaAs中引入N，可以使GaInNAs的带隙对应波长扩展到1.3～1.55μm区域。但是，GaInNAs/GaAs VCSEL的制作难点在于：当GaInNAs/GaAs增益波长接近1310或1550nm，材料中N含量增加，GaInNAs并不能形成具有完整晶型的混晶，会出现分相，或形成其它非辐射俘获中心和缺陷，材料质量大幅度下降，激光器表现出比传统激光器高得多的阈值电流密度；因此，要获得高质量的量子肼，应选取N的含量较低为好，但是，要增加增益的峰值波长，必需要提高In含量，导致量子肼的应变量增加，而高应变的GaInNAs/GaAs量子肼影响激光器的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种长波长GaInNAs/InGaAs复合量子点垂直腔面发射激光器，采用GaInNAs/InGaAs复合量子点结构，可以通过改变GaInNAs量子点中的的氮及铟的含量来控制激光器的发射波长达到1.31～1.55μm，结合量子点超晶格结构的优势，通过控制生长条件，得到高质量的以GaInNAs/InGaAs复合量子点及GaAs势垒层的非掺杂量子点有源层。相对于传统量子肼结构，量子点有源材料将使VCSEL获得更低的阈值电流、更窄的光谱线宽、更高的功率输出等优异的特性。同时可以防止在传统量子阱结构中产生的长波范围光学质量下降，并且防止GaInNAs量子点受到热处理时所出现的发射波长朝较短波长范围移动。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：长波长GaInNAs/InGaAs复合量子点垂直腔面发射激光器，包括GaAs衬底，所述GaAs衬底为n型单晶片，即n型GaAs衬底，在所述n型GaAs衬底上表面按照层状叠加结构由下至上依次设置有n型GaAs缓冲层、n型DBR、非掺杂量子点有源层和p型DBR，在所述p型DBR上制备有上电极，在所述n型GaAs衬底的下表面制备有下电极；其中，所述非掺杂量子点有源层由非掺杂GaInNAs/InGaAs复合量子点和非掺杂GaAs势垒层混合而成，所述非掺杂GaInNAs/InGaAs复合量子点区分有内、外两部分，其内部为呈3D岛状结构的GaInNAs量子点，其外部为InGaAs包覆层，所述InGaAs包覆层包覆GaInNAs量子点，通过调整InGaAs包覆层中的铟的含量来缓冲GaInNAs量子点与非掺杂GaAs势垒层间由晶格常数差异导致的应力，通过调整GaInNAs量子点中的氮及铟的含量来控制激光器的发射波长达到1.31至1.55μm。

进一步，所述GaInNAs量子点采用应变自组装方法生长，且利用了层-岛生长模式，即SK模式：当外延层的带隙低于衬底，并与衬底晶格具有大的正失配，且具有小的界面能时，在外延初始阶段是二维层状生长，这种二维层称为浸润层，随着浸润层厚度增加和应变能不断积累，达到临界厚度时，外延生长由二维层状生长转变为三维岛状生长，由于应变能是以形成3D岛的形式得到部分释放，这些岛中不含有位错，岛的尺寸有规律分布，底部直径为几十纳米，高几个纳米，当用禁带宽度大的材料将其包围起来，小岛中的载流子将受到三维限制，形成量子点，利用应变自组装技术能够制备出尺寸和空间分布均匀的无缺陷的量子点材料。

进一步，所述GaInNAs量子点的生长温度在480～520℃，直径3nm至30nm。

进一步，所述InGaAs包覆层的生长温度在480～520℃，厚度为3nm至30nm。

进一步，所述非掺杂GaAs势垒层的厚度为5nm至50nm。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1)量子点与量子肼结构相比电子***维数减少，使得激光器获得更低的阈值电流、更窄的光谱线宽、更高的功率输出等优异的特性。

2)利用应变自组装技术可以制备出尺寸和空间分布比较均匀的无缺陷的量子点材料。其应变能是以形成3D岛状的形式得到部分释放，这些岛中不含有位错，避免了传统GaInNAs/GaAs量子阱结构带来的材料质量问题及晶格失配缺陷。

3)GaInNAs需要低的生长温度以提高氮的并入，但是低温生长将导致GaInNAs材料进入3D生长模式，不利于量子阱结构的生长，而量子点结构的生长正好需要低的生长温度。

4)在量子点上增加InGaAs包覆层，可以防止被热处理时发生的发射波长移动到短波长范围的问题，并且InGaAs作为过渡层可以改善GaInNAs量子点与非掺杂GaAs势垒层间的界面质量。

附图说明

图1为长波长GaInNAs/InGaAs复合量子点垂直腔面发射激光器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本实施例所述的长波长GaInNAs/InGaAs复合量子点垂直腔面发射激光器，包括n型GaAs衬底1，在所述n型GaAs衬底1上表面按照层状叠加结构由下至上依次设置有n型GaAs缓冲层2、n型DBR 3、非掺杂量子点有源层4和p型DBR 5，在所述p型DBR 5上制备有上电极6，在所述n型GaAs衬底1的下表面制备有下电极7；其中，所述非掺杂量子点有源层4由非掺杂GaInNAs/InGaAs复合量子点41和非掺杂GaAs势垒层42混合而成，所述非掺杂GaAs势垒层的厚度约为5nm至50nm，所述非掺杂GaInNAs/InGaAs复合量子点41区分有内、外两部分，其内部为呈3D岛状结构的GaInNAs量子点411，其外部为InGaAs包覆层412，所述GaInNAs量子点411的生长温度在480～520℃，直径约3nm至30nm，所述InGaAs包覆层的生长温度在480～520℃，厚度约为3nm至30nm，所述InGaAs包覆层412包覆GaInNAs量子点411，通过调整InGaAs包覆层412中的铟的含量来缓冲GaInNAs量子点411与非掺杂GaAs势垒层42间由晶格常数差异导致的应力，通过调整GaInNAs量子点411中的氮及铟的含量来控制激光器的发射波长达到1.31至1.55μm。

所述GaInNAs量子点411采用应变自组装方法生长，且利用了层-岛(SK)生长模式：当外延层的带隙低于衬底，并与衬底晶格具有较大的正失配，且具有较小的界面能时，在外延初始阶段是二维层状生长，这种二维层称为浸润层，随着浸润层厚度增加和应变能不断积累，达到临界厚度(通常只有几个分子层)时，外延生长由二维层状生长转变为三维岛状生长，由于应变能是以形成3D岛的形式得到部分释放，这些岛中不含有位错，岛的尺寸有一定的分布，底部直径一般为几十纳米，高约几个纳米，当用禁带宽度大的材料将其包围起来，小岛中的载流子将受到三维限制，形成量子点，利用应变自组装技术可以制备出尺寸和空间分布比较均匀的无缺陷的量子点材料，降低生长温度、增加生长速度和降低V/III比可使生长模式更早出现，有利于量子点的生长，此外，GaInNAs的生长温度降低更有利于N的并入。

通常在量子点上需要在高于650℃下生长上盖层，此时会对量子点产生具有不良影响的退火效应，造成严重的蓝移和谱线的展宽，使得器件很难实现在长波下工作。在GaInNAs岛状结构上相同温度生长薄的InGaAs包覆层，可以防止被热处理时发生的发射波长移动到短波长范围的问题，并且InGaAs作为过渡层可以改善GaInNAs量子点与非掺杂GaAs势垒层间的界面质量。

下面为本实施例上述长波长GaInNAs/InGaAs复合量子点垂直腔面发射激光器的具体制备过程，其情况如下：

首先，以4英寸n型GaAs单晶片为衬底，然后采用金属有机化学气相沉积技术(MOCVD)或分子束外延生长技术(MBE)在GaAs衬底的上表面依次生长n型GaAs缓冲层、n型DBR、非掺杂GaAs势垒层，然后利用层-岛(SK)生长模式应变自组装生长量子点法制作非掺杂GaInNAs/InGaAs复合量子点，接着生长p型DBR，最后在激光器两端制备接触电极，即可完成长波长GaInNAs/InGaAs复合量子点垂直腔面发射激光器的制备。

综上所述，本发明充分结合GaInNAs材料和量子点结构的特点，不仅可以避免传统GaInNAs/GaAs量子阱结构带来的材料质量问题及晶格失配缺陷，还能防止GaInNAs材料被热处理时发生的发射波长移动到短波长范围的问题，并且InGaAs作为过渡层可以改善GaInNAs量子点与非掺杂GaAs势垒层间的界面质量，从而获得更低的阈值电流、更窄的光谱线宽、更高的功率输出等优异的特性，值得推广。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。