[發明專利]用于半導體光放大器的寬增益譜量子點材料結構

無效

• 申請號: 200910081987.3
• 申請日: 2009-04-15
• 公開（公告）號: CN101867155A
• 公開（公告）日: 2010-10-20
• 發明（設計）人: 劉王來;葉小玲;徐波;王占國
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H01S5/30
• 分類號: H01S5/30
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 周國城

技術領域

本發明涉及半導體光電子材料和器件技術領域，尤其涉及一種用于半導體光放大器的寬增益譜量子點材料結構。

背景技術

隨著新一代大容量高速光通信技術和全光網絡技術的發展，波分復用系統由于能夠最大限度地利用光纖的傳輸容量，已成為光信號傳輸的關鍵技術。然而，對于波分復用系統中的多個信道的放大和處理，則需要經過解復用之后分別進行，一方面使得系統造價過高，另一方面導致速度瓶頸。利用量子點材料制作半導體光放大器，不僅可以實現多個信道波長的同時放大和處理，而且保持光學透明傳輸，提高信號傳輸速率。

目前利用自組織生長的不均勻的量子點材料制作的光電子器件主要有以下幾種：

(1)寬光譜量子點激光器(參見A.Kovsh，et?al.，Opt.Lett.，Vol.32，No.7，pp：793-795，2007.)，有源區材料結構為3層各3個周期的砷化銦/銦鎵砷量子點，通過變化In0.15Ga0.85As應變減少層的厚度，有意地獲得更寬的量子點光躍遷，激射光譜的波長范圍1.2-1.28微米，然而，其光譜基態和激發態疊加區域有明顯的凹陷；

(2)寬發射譜量子點超輻射發光管(參見L.H.Li，et?al.，Phys.Stat.Sol.(B)，Vol.243，No.15，pp：3988-3992，2006.)，有源區材料為7層不垂直耦合的量子點，通過變化InGaAs應變減少層中銦的組分或每層中砷化銦的沉積量，在1.3微米波段獲得115nm的發光譜；

另外，基于磷化銦基量子點材料制作的工作在1.55微米波段的寬帶半導體光放大器已經有文獻報道(參見T.Akiyama?et?al.，Photon.Technol.Lett.，Vol.17，No.8，pp：1614-1616，2005.)。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本發明的主要目的在于提出一種用于半導體光放大器的寬增益譜量子點材料結構，給出材料基本結構和生長參數，實現寬增益譜非均勻展寬的量子點，以此材料制作的半導體光放大器稱作量子點半導體光放大器(quantum?dot?semiconductor?optical?amplifier，QD-SOA)，其工作窗口可以控制在1.3微米光纖通信低損耗區域。

(二)技術方案

為達到上述目的，本發明提供了一種用于半導體光放大器的寬增益譜量子點材料結構，該結構利用多層不同尺寸設計的量子點的非均勻展寬特性，獲得寬的增益譜，包括：

一N型砷化鎵襯底；

一N型砷化鎵緩沖層，生長在N型砷化鎵襯底上，用于隔離襯底上的缺陷；

一N型鋁鎵砷光學下限制層，生長在N型砷化鎵緩沖層上，用于光學模式和載流子的限制；

一多層不同周期的自組織量子點有源層，生長在N型鋁鎵砷光學下限制層上；

一P型鋁鎵砷光學上限制層，生長在該量子點有源層上，用于光學模式和載流子的限制；以及

一P型砷化鎵帽層，生長在該P型鋁鎵砷光學上限制層上，用于電極接觸。

上述方案中，所述多層不同周期的自組織量子點有源層包括：

N1個周期砷化銦/砷化鎵堆垛生長的量子點層，N1為4～6；

N2個周期砷化銦/砷化鎵堆垛生長的量子點層，N2為3～5；以及

N3個周期砷化銦/砷化鎵堆垛生長的量子點層，N3為2～4。

上述方案中，所述每種堆垛生長的量子點層均生長在一量子點種子層上，在量子點種子層生長之前均生長一層預應變層，在堆垛量子點層生長之后均生長一層應變減少層，在應變減少層和預應變層之間為一砷化鎵隔離層，在第一個預應變層之前和最后一個應變減少層之后分別生長一層砷化鎵。

上述方案中，所述N型砷化鎵緩沖層和N型鋁鎵砷光學下限制層的生長溫度在600℃，當第一個預應變層之前的砷化鎵層生長到80～100nm時，降低生長溫度至510℃，繼續生長20～40nm的砷化鎵和多層不同周期的自組織量子點有源層，當最后一個應變減少層之后的砷化鎵層生長到20～40nm時，重新升高生長溫度至600℃，繼續生長80～100nm砷化鎵層、鋁鎵砷上限制層和砷化鎵帽層。

上述方案中，所述量子點種子層結構為2～3個原子單層的砷化銦生長在8～10個原子單層的砷化鎵上，種子層的生長是為了在生長周期結構的堆垛量子點層時有確定的沉積位置，有利于周期沉積的砷化銦在生長方向耦合，形成柱狀的量子點。

上述方案中，所述預應變層和應變減少層均為銦鎵砷層，銦的組分在0.1～0.3之間，厚度分別在1～2nm和4～6nm。