用于半导体光放大器的宽增益谱量子点材料结构

摘要

本发明公开了一种用于半导体光放大器的宽增益谱量子点材料结构，包括：一N型砷化镓衬底；一N型砷化镓缓冲层，生长在N型砷化镓衬底上，用于隔离衬底上的缺陷；一N型铝镓砷光学下限制层，生长在N型砷化镓缓冲层上，用于光学模式和载流子的限制；一多层不同周期的自组织量子点有源层，生长在N型铝镓砷光学下限制层上；一P型铝镓砷光学上限制层，生长在该量子点有源层上，用于光学模式和载流子的限制；以及一P型砷化镓帽层，生长在该P型铝镓砷光学上限制层上，用于电极接触。该结构利用多层不同尺寸设计的量子点的非均匀展宽特性，获得宽的增益谱。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电子材料和器件技术领域，尤其涉及一种用于半导体光放大器的宽增益谱量子点材料结构。

背景技术

随着新一代大容量高速光通信技术和全光网络技术的发展，波分复用系统由于能够最大限度地利用光纤的传输容量，已成为光信号传输的关键技术。然而，对于波分复用系统中的多个信道的放大和处理，则需要经过解复用之后分别进行，一方面使得系统造价过高，另一方面导致速度瓶颈。利用量子点材料制作半导体光放大器，不仅可以实现多个信道波长的同时放大和处理，而且保持光学透明传输，提高信号传输速率。

目前利用自组织生长的不均匀的量子点材料制作的光电子器件主要有以下几种：

(1)宽光谱量子点激光器(参见A.Kovsh，et al.，Opt.Lett.，Vol.32，No.7，pp：793-795，2007.)，有源区材料结构为3层各3个周期的砷化铟/铟镓砷量子点，通过变化In0.15Ga0.85As应变减少层的厚度，有意地获得更宽的量子点光跃迁，激射光谱的波长范围1.2-1.28微米，然而，其光谱基态和激发态叠加区域有明显的凹陷；

(2)宽发射谱量子点超辐射发光管(参见L.H.Li，et al.，Phys.Stat.Sol.(B)，Vol.243，No.15，pp：3988-3992，2006.)，有源区材料为7层不垂直耦合的量子点，通过变化InGaAs应变减少层中铟的组分或每层中砷化铟的沉积量，在1.3微米波段获得115nm的发光谱；

另外，基于磷化铟基量子点材料制作的工作在1.55微米波段的宽带半导体光放大器已经有文献报道(参见T.Akiyama et al.，Photon.Technol.Lett.，Vol.17，No.8，pp：1614-1616，2005.)。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的主要目的在于提出一种用于半导体光放大器的宽增益谱量子点材料结构，给出材料基本结构和生长参数，实现宽增益谱非均匀展宽的量子点，以此材料制作的半导体光放大器称作量子点半导体光放大器(quantum dot semiconductor optical amplifier，QD-SOA)，其工作窗口可以控制在1.3微米光纤通信低损耗区域。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种用于半导体光放大器的宽增益谱量子点材料结构，该结构利用多层不同尺寸设计的量子点的非均匀展宽特性，获得宽的增益谱，包括：

一N型砷化镓衬底；

一N型砷化镓缓冲层，生长在N型砷化镓衬底上，用于隔离衬底上的缺陷；

一N型铝镓砷光学下限制层，生长在N型砷化镓缓冲层上，用于光学模式和载流子的限制；

一多层不同周期的自组织量子点有源层，生长在N型铝镓砷光学下限制层上；

一P型铝镓砷光学上限制层，生长在该量子点有源层上，用于光学模式和载流子的限制；以及

一P型砷化镓帽层，生长在该P型铝镓砷光学上限制层上，用于电极接触。

上述方案中，所述多层不同周期的自组织量子点有源层包括：

N1个周期砷化铟/砷化镓堆垛生长的量子点层，N1为4～6；

N2个周期砷化铟/砷化镓堆垛生长的量子点层，N2为3～5；以及

N3个周期砷化铟/砷化镓堆垛生长的量子点层，N3为2～4。

上述方案中，所述每种堆垛生长的量子点层均生长在一量子点种子层上，在量子点种子层生长之前均生长一层预应变层，在堆垛量子点层生长之后均生长一层应变减少层，在应变减少层和预应变层之间为一砷化镓隔离层，在第一个预应变层之前和最后一个应变减少层之后分别生长一层砷化镓。

上述方案中，所述N型砷化镓缓冲层和N型铝镓砷光学下限制层的生长温度在600℃，当第一个预应变层之前的砷化镓层生长到80～100nm时，降低生长温度至510℃，继续生长20～40nm的砷化镓和多层不同周期的自组织量子点有源层，当最后一个应变减少层之后的砷化镓层生长到20～40nm时，重新升高生长温度至600℃，继续生长80～100nm砷化镓层、铝镓砷上限制层和砷化镓帽层。

上述方案中，所述量子点种子层结构为2～3个原子单层的砷化铟生长在8～10个原子单层的砷化镓上，种子层的生长是为了在生长周期结构的堆垛量子点层时有确定的沉积位置，有利于周期沉积的砷化铟在生长方向耦合，形成柱状的量子点。

上述方案中，所述预应变层和应变减少层均为铟镓砷层，铟的组分在0.1～0.3之间，厚度分别在1～2nm和4～6nm。

上述方案中，所述在应变减少层和预应变层之间的砷化镓隔离层的厚度在40～80nm，是为了避免N1，N2，N3不同层量子点之间耦合；不同尺寸设计的量子点在空间上被隔离，具有各自的非均匀增益谱宽和跃迁能级，叠加后小量子点的基态和大量子点的激发态增益谱相互交叠，形成大而平滑的非均匀展宽。

上述方案中，所述每一层的量子点的非均匀展宽在10％以内。

上述方案中，所述多层不同周期的自组织量子点有源层采用低温、预应变和生长停顿相结合的方法生长，以达到长波长和宽增益谱。

上述方案中，所述多层不同周期的自组织量子点有源层中量子点均采用自组织生长，堆垛量子点层为2～4个原子单层的砷化镓/1～2个原子单层的砷化铟的周期结构，周期数目分别为N1、N2、N3，砷化镓和砷化铟生长过程中均停顿80～100秒，N1＞N2＞N3，N1在4～6之间，N2在3～5之间，N3在2～4之间，三层具有不同堆垛周期，以获得不同尺寸的量子点分布，其中每一层的量子点的非均匀展宽在10％以内。

(三)有益效果

本发明提供的这种用于半导体光放大器的宽增益谱量子点材料结构，给出材料基本结构和生长参数，利用多层不同尺寸设计的量子点的非均匀展宽特性，获得宽的增益谱，实现宽增益谱非均匀展宽的量子点，以此材料制作的半导体光放大器称作量子点半导体光放大器(quantum dot semiconductor optical amplifier，QD-SOA)，其工作窗口可以控制在1.3微米光纤通信低损耗区域。

附图说明

图1是本发明提供的用于半导体光放大器的宽增益谱量子点材料结构的示意图；

图2是多层不同周期的自组织量子点有源层4的生长示意图；

图3是周期生长的砷化镓/砷化铟形成柱状量子点的示意图；

图4是不同大小量子点群增益谱扩展示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

请结合参阅附图，图1是本发明提供的用于半导体光放大器的宽增益谱量子点材料结构的示意图，该结构利用多层不同尺寸设计的量子点的非均匀展宽特性，获得宽的增益谱，包括：

一N型砷化镓衬底1；

一N型砷化镓缓冲层2，生长在N型砷化镓衬底1上，生长温度600℃，用于隔离衬底上的缺陷；

一N型铝镓砷光学下限制层3，生长在N型砷化镓缓冲层2上，生长温度600℃，用于光学模式和载流子的限制；

一多层不同周期的自组织量子点有源层4，生长在铝镓砷光学下限制层3上，采用低温、预应变和生长停顿相结合的方法生长，以达到长波长和宽增益谱；

该有源层4的结构包括：

一N1个周期砷化铟/砷化镓堆垛生长的量子点层，N1为4～6；

一N2个周期砷化铟/砷化镓堆垛生长的量子点层，N2为3～5；

一N3个周期砷化铟/砷化镓堆垛生长的量子点层，N3为2～4；

每一层的量子点的非均匀展宽在10％以内；

每种堆垛生长的量子点层均生长在量子点种子层上；

在量子点种子层生长之前均生长一层预应变层；

在堆垛量子点层生长之后均生长一层应变减少层；

在应变减少层和预应变层之间为一砷化镓隔离层；

在第一个预应变层之前和最后一个应变减少层之后分别生长一层砷化镓A1，A2。

其中砷化镓A1在600℃生长80～100nm之后，降低生长温度至510℃，继续生长20～40nm，然后保持510℃生长量子点结构B1，B2，B3和砷化镓隔离层，砷化镓A2在510℃生长20～40nm之后，升高生长温度至600℃，继续生长80～100nm，然后保持600℃生长下述P型铝镓砷上限制层5。

一P型铝镓砷光学上限制层5，生长在自组织量子点有源层4上，同样用于光学模式和载流子的限制，生长温度600℃；

一P型砷化镓帽层6，生长在该P型铝镓砷光学上限制层上，起电极接触作用，生长温度600℃。

其中B1，B2，B3的结构如图3所示，其中包括：

预应变层1，采用铟镓砷材料，铟的组分在0.1～0.3之间，厚度在1～2nm；

8～10个原子单层的砷化镓2，生长在预应变层1上；

2～3个原子单层的砷化铟3，生长在砷化镓2上，自组织形成砷化铟量子点，2和3构成量子点种子层；

2～4个原子单层的砷化镓4，生长在砷化铟量子点3上，生长后停顿80-100秒；

1～2个原子单层的砷化铟5，生长在砷化镓4上，生长后停顿80-100秒，自组织形成砷化铟量子点，由于种子层的存在，该层量子点形成时，更加易于沉积到种子层点的正上方，4和5组成周期单元，扩展到N个周期，当N＝N1，N2，N3时，分别对应B1，B2，B3结构；

应变减少层6，采用铟镓砷材料，铟的组分在0.1～0.3之间，生长在最后一层砷化铟自组织量子点上，厚度在4～6nm。

利用本发明设计可以得到多层不同大小组群的量子点分布，每一层内量子点的非均匀展宽在10％以内，层与层之间通过有意设计不同的周期数目，获得不同大小和形貌的量子点，人为造成不均匀分布。这样，不同层之间的非均匀展宽的增益谱相互叠加，小量子点的基态扩展到大量子点的激发态，整个增益谱表现出平滑的宽带性质，如图4所表示。利用本发明设计的量子点材料制作的半导体光放大器，可以同时对多个波长信道进行放大和处理，这种QD-SOA器件将成为下一代光通信和光网络中的关键器件。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。