一种制备超宽发光谱的砷化铟/磷化铟量子点激光器外延片的方法
阅读说明：本技术 一种制备超宽发光谱的砷化铟/磷化铟量子点激光器外延片的方法 (Method for preparing ultra-wide light-emitting spectrum indium arsenide/indium phosphide quantum dot laser epitaxial wafer ) 是由 王岩 徐鹏飞 罗帅 季海铭 于 2021-08-11 设计创作，主要内容包括：一种制备超宽发光谱的砷化铟/磷化铟量子点激光器外延片的方法,为在磷化铟衬底上外延生长缓冲层和下分别限制层；再堆叠生长多层量子点有源层；再沉积上分别限制层和欧姆接触层后,完成制备。其通过控制量子点的沉积厚度来调节所生长量子点的大小,同时通过调节量子点盖层两步生长中第一盖层的厚度来调节所生长量子点的高度,以实现不同大小和高度的量子点堆叠生长,进而调节并使得所制备的砷化铟/磷化铟量子点外延片具有超宽发光谱,其步骤简单,操作方便、可控可调节,制得的外延片是制备可调谐激光器的理想材料,具有很强的实用性和广泛的适用性。(A method for preparing indium arsenide/indium phosphide quantum dot laser epitaxial wafer with ultra-wide light-emitting spectrum is to epitaxially grow a buffer layer and a lower limiting layer on an indium phosphide substrate; then, stacking and growing a plurality of quantum dot active layers; and depositing a limiting layer and an ohmic contact layer respectively to finish the preparation. The size of the grown quantum dots is adjusted by controlling the deposition thickness of the quantum dots, the height of the grown quantum dots is adjusted by adjusting the thickness of the first cover layer in the two-step growth of the quantum dot cover layer, so that the stacked growth of the quantum dots with different sizes and heights is realized, and the prepared indium arsenide/indium phosphide quantum dot epitaxial wafer is adjusted and has an ultra-wide luminescence spectrum.)
技术领域
本发明涉及一种制备激光器外延片的方法，具体涉及一种制备超宽发光谱的砷化铟/磷化铟量子点激光器外延片的方法，属于半导体技术领域。
背景技术
半导体量子点激光器由于具有低的线宽增强因子、高的温度稳定性以及超快的载流子动力学等特性，在实现宽带可调谐方面具有独特优势。其在光纤通信、生物医疗和环境监测等领域具有广泛的应用前景。
在几种量子点材料中，以波长约1.3μm的砷化铟/砷化镓量子点最受关注，并且由于外延材料的高生长质量而获得了许多良好的性能。但是，砷化铟/砷化镓量子点材料难以覆盖1.55μm光通信波段，砷化铟/磷化铟量子点材料因此成为人们关注的焦点。
利用应变异质外延中的自组织生长模式（SK）形成量子点是目前应用最普遍的量子点制备方法。生长初始，其外延层的表面能和界面能之和小于衬底的表面能，外延层能完全浸润衬底。但外延层与衬底材料失配较大，随着外延层厚度的增加，体系应变能逐渐增大。当达到某一临界厚度时（通常几个原子层厚），外延材料由二维向三维转变，形成岛状生长。SK自组织模式的优点在于可以通过简单地外延获得缺陷较少的量子点结构，利用微区PL测试单个量子点发光，其发射光谱半宽只有0.1meV，为典型的洛伦兹形。
但是，实际情况中采用SK模式生长的量子点都存在本征的尺寸非均匀性，从而导致能级的非均匀展宽。由SK模式生长的量子点尺寸分布难以控制，其光谱存在较大的非均匀展宽（约 20～100 meV范围或更宽）。这对于普通的某一特定波长的激光器，不利于其增益的提高。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种制备超宽发光谱的砷化铟/磷化铟量子点激光器外延片的方法。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种制备超宽发光谱的砷化铟/磷化铟量子点激光器外延片的方法，包括如下步骤：
S1：在磷化铟衬底上外延生长缓冲层和下分别限制层；
S2：在下分别限制层上堆叠生长多层量子点有源层；
S3：在量子点有源层上沉积上分别限制层和欧姆接触层，完成制备。
上述量子点有源层的堆叠层数为1-30层。
上述量子点有源层包括量子点层及之上的第一盖层、第二盖层；所述量子点层包括砷化铟量子点层。
进一步的，上述量子点层的生长温度为430-560℃，沉积厚度为1-5个原子单层之间。
进一步的，上述第一盖层的生长温度为430-560℃之间，沉积厚度为1-20nm。
进一步的，上述第二盖层的厚度小于60nm。
进一步的，上述多层量子点有源层，彼此的量子点层的沉积厚度或不同；通过沉积厚度调节量子点的大小，进而调节其发光波长。
进一步的，上述多层量子点有源层，彼此的第一盖层的沉积厚度或不同；通过第一盖层沉积厚度调节最终所得量子点的高度，进而调节其发光波长。
上述外延生长包括分子束外延法和金属有机化学沉积法。
本发明的有益之处在于：
本发明的一种制备超宽发光谱的砷化铟/磷化铟量子点激光器外延片的方法，可通过分子束外延（MBE）或者金属有机化学气相沉积（MOCVD）制备砷化铟/磷化铟量子点激光器外延片，通过控制量子点的沉积厚度来调节所生长量子点的大小，同时通过调节量子点盖层两步生长中第一盖层的厚度来调节所生长量子点的高度，以实现不同大小和高度的量子点堆叠生长，进而调节并使得所制备的砷化铟/磷化铟量子点外延片具有超宽发光谱，进而实现砷化铟/磷化铟量子点发光波长从1.3-1.7微米宽达400nm范围内的出光波长及光谱宽度的可控调节。
本发明的一种制备超宽发光谱的砷化铟/磷化铟量子点激光器外延片的方法，其步骤简单，操作方便、可控可调节，制得的砷化铟/磷化铟量子点外延片具有超宽发光谱，是制备可调谐激光器的理想材料，具有很强的实用性和广泛的适用性。
附图说明
图1 为外延片的结构示意图。
图2 为样品1和样品2的光致发光谱对比图。
附图中标记的含义如下：10、衬底，20、缓冲层，30、下分别限制层，41、第一量子点有源层，42、第二量子点有源层，43、第三量子点有源层，50、上分别限制层，60、欧姆接触层。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
实施例：样品1
一种制备超宽发光谱的砷化铟/磷化铟量子点激光器外延片的方法，包括如下步骤：
步骤1：选择衬底 10，该衬底为n＋型磷化铟单晶片，晶向为（100），其掺杂元素为Si，掺杂浓度为（1-3）×1018cm-3。
步骤2：在磷化铟衬底上外延生长一层磷化铟缓冲层20，该磷化铟缓冲层的生长厚度为500nm，对其进行n型掺杂，掺杂元素为Si元素，掺杂浓度为1×1018 cm-3。
步骤3：在磷化铟缓冲层20上外延生长铟镓砷磷下分别限制层30，生长厚度为200nm，其为本征材料，不进行掺杂。
步骤4：通过对量子点沉积厚度和第一盖层厚度的调控，在铟镓砷磷下分别限制层上堆叠生长量子点大小和高度不同的量子点有源层：
在铟镓砷磷下分别限制层30上外延生长多周期的砷化铟量子点有源层，该多周期的砷化铟量子点有源层的周期数（层数）为1-30。每层量子点有源层中包含三层结构，分别为量子点层、第一盖层和第二盖层。
在本实施例中选择的量子点有源层周期数为3，分别标记为第一量子点有源层41、第二量子点有源层42和第三量子点有源层43。
第一量子点有源层41的第一量子点层标记为411，对应的第一盖层为412，第二盖层为413；
第二量子点有源层42的第二量子点层标记为421，对应的第一盖层为422，第二盖层为423；
第三量子点有源层43的第三量子点层标记为431，对应的第一盖层为432，第二盖层为433。
其中，第一量子点层411的生长温度为490℃，沉积速率为0.25ML/s，沉积厚度为1.5ML。而后，在第一量子点层411上生长第一盖层412，生长温度为490℃，其Ⅴ/Ⅲ为200，厚度为8nm。然后，生长第二盖层413，厚度为35nm，生长温度为550℃。
而后，生长第二量子点有源层42：首先，生长第二量子点层421，其生长温度为490℃，沉积速率为0.25ML/s，沉积厚度为2.0ML。在第二量子点层421层上生长第一盖层422，生长温度为490℃，沉积厚度为10nm。再生长第二盖层423层，厚度为35nm，生长温度为550℃。
最后，生长第三量子点有源层43：首先，生长第三量子点层431，其生长温度为490℃，沉积速率为0.25ML/s，沉积厚度为2.5ML。在第三量子点层431上生长第一盖层432，生长温度为490℃，其Ⅴ/Ⅲ为200，沉积厚度为12nm。再生长第二盖层433，厚度为35nm，生长温度为550℃。
步骤5：在砷化铟量子点有源层上沉积铟镓砷磷上分别限制层50，生长厚度为200nm，其为本征材料，不进行掺杂。
步骤6：在铟镓砷磷上分别限制层上沉积铟镓砷欧姆接触层60，生长厚度为200nm，对其进行p型掺杂，掺杂元素为Zn元素，掺杂浓度为2×1019 cm-3。
对比例：样品2
为进一步阐释按照本发明中方法所生长的样品的超宽发光谱特性，按照上述制备样品1的步骤制备了样品2，
区别在于：第一量子点有源层41中的第一量子点层的厚度为2ML。其余均采用一样的生长条件，以使其所制备的量子点的大小和高度尽量集中在一个区间。
如图2所示，为样品1与样品2的光致发光谱（PL）比较图。从两个样品的PL结果可以看出，采用堆叠生长量子点大小和高度不同的量子点有源层的方法能够有效的拓宽量子点有源区的发光谱宽度。
可见，以此方法为基础，生长叠层结构量子点作为半导体量子点激光器的有源区可以使得激光器具有超宽的增益谱及优异的可调谐性能。
本发明通过控制量子点的沉积厚度来调节所生长量子点的大小，量子点的大小和形貌不同，发光波长亦会不同。通过调整量子点层的沉积厚度，能够有效的调整量子点的大小，进而改变其发光波长。同时，量子点高度的变化也会明显影响量子点的基态能级位置，进而改变量子点的发光波长。通过两步盖层技术可以有效控制量子点的高度及其分布的均匀性。
两步盖层法的过程如下：量子点沉积并熟化完成后，先生长第一盖层，第一盖层的厚度一般低于量子点的高度。由于盖层与量子点顶部较大的晶格失配能，盖层优先在量子点之间的浸润层上生长。由于第一盖层总厚度低于较大量子点的高度，因此，较大量子点的顶部暴露在 V 族氛围下。这样，顶部砷化铟与V族氛围中的磷原子发生互换反应，形成比砷化铟晶格常数更小的（砷）磷化铟材料。新形成的（砷）磷化铟在应力的作用下，铟原子倾向于向点中间的区域迁移。结果量子点顶部砷化铟被削平，量子点的高度由第一盖层的厚度决定。
通过本发明的方法可以实现砷化铟/磷化铟量子点发光波长从1.3-1.7微米宽达400nm范围内的出光波长及光谱宽度的可控调节，是制备可调谐激光器的理想材料。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
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