一种纳米图形衬底侧向外延硅基量子点激光器材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种纳米图形衬底侧向外延硅基量子点激光器材料及其制备方法，属于半导体激光器技术领域。本发明在单晶硅衬底上制作种子层、位错阻挡层和激光器材料。所述的种子层包括GaAs低温成核层和GaAs高温缓冲层；位错阻挡层包括纳米尺寸图形掩膜和GaAs侧向外延层；激光器材料包括n型欧姆接触层、n型限制层、下波导层、量子点有源区、上波导层、p型限制层和p型欧姆接触层。本发明通过图形衬底对穿透位错的阻挡作用，能有效地降低GaAs外延层的位错密度，提高GaAs外延层的晶体质量，进而提高量子点激光器性能和质量。本发明能够大面积、高重复性、均匀地完成材料生长和制备，更加符合产业化的需求。

主权项

一种纳米图形衬底侧向外延硅基量子点激光器材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步，在单晶硅衬底上制作GaAs低温成核层；具体为：将清洁的单晶硅衬底在氢气环境升温到220℃烘烤30分钟；然后在氢气和砷烷混合气体环境升温到750℃，烘烤15分钟；最后降温到400～420℃利用MOCVD方法生长15～20nm的GaAs低温成核层，生长源流量为：三甲基镓2.7×10^‑5mol/min，砷烷6.7×10^‑3mol/min；第二步，在所述的GaAs低温成核层上制作GaAs高温缓冲层；具体为：首先经过10分钟，从低温缓冲层生长温度的基础上升温到610～640℃，利用MOCVD方法生长200～400nm GaAs高温缓冲层；然后经6分钟升温到670～690℃，生长1000～1500nm GaAs高温缓冲层；第三步，在所述的GaAs高温缓冲层上制作纳米尺寸图形掩膜；具体为：首先生长SiO₂薄膜，然后将设计好的图形转移到SiO₂薄膜上，最后刻蚀出图形，形成纳米尺寸图形掩膜；第四步，在所述纳米尺寸图形掩膜上制作GaAs侧向外延层；具体为：在750℃下，利用MOCVD方法，首先进行选区外延，三甲基镓6.75×10^‑6mol/min，V/III比为200，生长时间400s；然后进行横向合并生长，三甲基镓13.5×10^‑6mol/min，V/III比为400，生长时间900s；最后进行平面生长，三甲基镓2.7×10^‑5mol/min，V/III比为400，生长时间900s；第五步，在所述GaAs侧向外延层上制作n型欧姆接触层；具体为：在680～720℃下利用MOCVD方法生长300nm～500nm厚的n型Si掺杂GaAs，掺杂浓度为5×10¹⁸～1×10¹⁹cm^‑3，生长源流量为：三甲基镓4.0×10^‑5mol/min，砷烷6.7×10^‑3mol/min，硅烷4.3×10^‑6mol/min；第六步，在所述n型欧姆接触层上制作n型限制层；具体为：在700℃～720℃下利用MOCVD方法生长1300nm～1800nm厚的n型Si掺杂AlGaAs，掺杂浓度为10¹⁷～10¹⁸cm^‑3，生长源流量为：三甲基镓4.0×10^‑5mol/min，三甲基铝2.6×10^‑5mol/min，砷烷6.7×10^‑3mol/min，硅烷4.3×10^‑7mol/min～4.4×10^‑6mol/min；第七步，在所述n型限制层上制作下波导层；具体为：在600℃～720℃下利用MOCVD方法生长80nm～100nm厚的非故意掺杂AlGaAs，生长源流量为：三甲基镓4.0×10^‑5mol/min，三甲基铝8.7×10^‑6mol/min，砷烷6.7×10^‑3mol/min；第八步，在所述下波导层上制作量子点有源区；所述的量子有源区包括N层量子点结构，N为3～10，每层量子点结构包含InAs量子点层、GaAs盖层和p掺杂的GaAs隔离层，每层量子点结构的制作方法为：在480℃～500℃下利用MOCVD方法生长非故意掺杂的InAs量子点层，生长时间55s，V/III比为5～15，生长源流量为：三甲基铟8.6×10^‑7mol/min，砷烷4.9×10^‑6mol/min；在480℃～500℃下利用MOCVD方法生长6～10nm非故意掺杂的GaAs盖层，V/III比为50～100，生长源流量为：三甲基镓4.0×10^‑5mol/min，砷烷2.7×10^‑3mol/min；在580℃～600℃下利用MOCVD方法生长25～40nm p掺杂的GaAs隔离层，掺杂形式为调制掺杂，在距离InAs量子点层25nm处掺入Be，掺杂浓度为5×10¹⁷cm^‑3，V/III比为50～100，生长源流量为：三甲基镓4.0×10^‑5mol/min，砷烷2.7×10^‑3mol/min；第九步，在所述的量子点有源区上制作上波导层；具体为：在600℃～700℃下利用MOCVD方法生长80nm～100nm厚的非故意掺杂AlGaAs，生长源流量为：三甲基镓4.0×10^‑5mol/min，三甲基铝8.7×10^‑6mol/min，砷烷6.7×10^‑3mol/min；第十步，在所述上波导层上制作p型限制层；具体为：在700℃～720℃下利用MOCVD方法生长1300nm～1500nm厚的p型掺杂AlGaAs，掺杂浓度为10¹⁷～10¹⁸cm^‑3，生长源流量为：三甲基镓4.0×10^‑5mol/min，三甲基铝2.6×10^‑5mol/min，砷烷6.7×10^‑3mol/min，二乙基锌9.2×10^‑7mol/min～9.2×10^‑6mol/min；第十一步，在所述p型限制层上制作p型欧姆接触层；具体为：在550℃～700℃下利用MOCVD方法生长150nm～300nm厚的p型重掺杂GaAs，掺杂浓度为10¹⁹～10²⁰cm^‑3，生长源流量为：三甲基镓4.0×10^‑5mol/min，砷烷2.7×10^‑3mol/min，二乙基锌3.7×10^‑6mol/min。