GaAs基1.55微米自组织InAs量子点材料生长研究进展
Research Progress on the Growth of 1.55 μm Self-Assembled InAs Quantum Dots Based on GaAs

作者: 曾丽娜 , 杨云帆 , 李林 , 刘兆悦 , 李再金 , 赵志斌 , 陈浩 , 乔忠良 , 曲轶 , 刘国军 :海南师范大学物理与电子工程学院,海南省激光技术与光电功能材料重点实验室,海南 海口; 秦振 :吉林大学教育技术中心,吉林 长春;

关键词: 外延生长InAs量子点应变减小层1.55微米Epitaxial Growth InAs Quantum Dots Strain Reducing Layer 1.55 μm

摘要: 光纤通讯用GaAs基高性能1.55微米量子点激光器引起了人们的广泛关注。然而,由较大晶格失配引起的应变、位错等缺陷,导致GaAs基InAs量子点材料的光增益严重降低。目前利用低温外延生长,InGaAs或AlGaAsSb缓冲层,GaAsSb盖层,高In组分InGaAs应变减小层技术,以及引入Sb元素,能拓展InAs量子点的发光波长至1.55微米,然而量子点表面和界面缺陷导致发光特性严重变差。Sb对InAs量子点材料的缺陷、面密度、均匀性及光学特性均有影响。

Abstract: There has been considerable interest in the development of high performance 1.55 µm quantum dots (QDs) lasers based on GaAs for optical communications. However, the optical gain of GaAs-based InAs quantum dot materials seriously decrease due to the large lattice mismatch de-fects such as strains and dislocations. Currently using low-temperature epitaxial growth, InGaAs or AlGaAsSb buffer layer, GaAsSb cap layer, high In composition InGaAs strain reduction layer, and the cooperation of Sb element can expand the emission wavelength of InAs dots up to 1.55 microns. However, the surface and interface defects of the QDs cause serious deterioration of the Photolu-minescence. Sb element affects the InAs QDs material defects, density, uniformity and optical properties.

1. 前言

光纤通讯有更高的数据传输速率和更大的通道密度,更远的传输距离以及更低的成本等优点。光纤系统在0.85 μm、1.3 µm和1.55 µm的吸收波段上相当于一个透明的“窗口”,符合光通讯对激光器波长的要求。最大传输距离与波长的对应关系为1 km对应波长0.85 µm,10 km对应波长1.3 µm,100 km对应波长1.55 µm。目前最普遍的光通讯用1.55 µm光源是InP基材料体系InGaAsP和InGaAsN异质结半导体激光器。但该材料体系存在的最大难题是晶格匹配层之间折射率差很小,载流子的限制能力较差,四元材料较差的导热性以及小的带隙补偿,限制了该材料体系在激光器中的应用。

近年来,以量子点结构为有源区的量子点激光器理论上具有更低的阈值电流密度、更高的光增益、更高的特征温度和更宽的调制带宽等优点,极大地改善了半导体激光器的性能,对未来半导体激光器市场的发展方向影响巨大。自组织量子点材料及器件研究是目前国际上最前沿的研究课题之一。中国、欧洲、美国、日本等国家都开展了自组织量子点材料和量子点激光器的研究,取得了很大进展。

对长波长1.55 µm量子点材料和激光器的研究,主要分为InP基和GaAs基材料体系。首先介绍InP基InAs量子点材料研究状况。

2. InP基InAs量子点材料研究进展

2005年日本富士通实验室研究结果表明,在InP衬底上外延生长InAs量子点,可以拓展量子点的发光波长至1.6 µm波段 [1]。然而原子力显微镜(AFM)测试结果表明,面密度为1.7 ´ 1010 cm−2,量子点包含有多种菱形结构的多面体,量子点的尺寸均匀性很差,样品PL光谱中多个发光峰是不同尺寸的量子点发光。

2006年乔治亚理工学院报道了在InP衬底上MOCVD外延生长InAlAs量子点,拓展了量子点的发光波长至1.55 µm,但观察到量子点尺寸呈双模分布,不同尺寸量子点发光使PL谱线宽较宽,样品室温PL谱如图1所示 [2]。

Figure 1. PL images of In0.92Al0.08As/InP quantum dot samples with different growth temperatures and thicknesses at room temperature [2]

图1. 不同生长温度和厚度的In0.92Al0.08As/InP量子点样品的室温PL图 [2]

2011年~2012年,丹麦科技大学和德国卡塞尔大学分别报道了InP衬底上外延生长InAs量子点激光器,激射波长为1.5~1.55 µm [3] [4]。

2013年日本国家信息通信技术研究所研究了InP基InAs量子点外延生长特性,样品的室温发光波长达到了1.55 µm [5]。研究结果表明,随着量子点尺寸增大,出现了发光波长兰移反常现象。该样品发光现象可以理解为在InAs量子点外延生长过程中In原子的偏析和再蒸发共同作用的结果。

3. GaAs基长波长量子点材料的研究进展

和InP基量子点材料体系相比,GaAs基1.3 µm长波长量子点材料的研究报道较多。这是因为GaAs基In(Ga)As量子点体系因其独特、优越的光电性质,已经成为替代目前InP基材料,制备光通讯用1.3 µm波段长波长半导体激光器的热门材料之一,引起各国科学家的高度重视。这不仅仅是因为GaAs衬底比InP衬底价格便宜,而且还可以使用AlGaAs作为限制层和波导层,实现对有源区载流子的更强限制特性,更重要的是同时可以很方便地与现有的GaAs微电子工艺技术融合在一起。因此,GaAs基材料体系比InP基材料体系则要优越得多,目前正在逐步取代InP基材料,应用在光电子器件中。

在InAs量子点层和GaAs盖层中间插入高In组分InxGa1−xAs应变减小层是量子点发光波长红移的有效方法,In组分含量为20%左右即可以拓展InAs量子点材料的发光波长至1.3 µm波段 [6] [7]。虽然采用更高In组分(31%)可以拓展InAs量子点材料的发光波长至1.55 µm波段 [8],不同In组分InxGa1−xAs应变减小层的量子点材料室温PL谱,如图2所示。然而随着In组分的增加,总应变不断积累,会增大失配位错,导致PL谱强度严重降低,使其在该波段的器件应用受到了极大限制。因此,近几年对量子点激光器的研究主要集中在1.3 µm波段上。目前,许多科研小组采用外延技术生长GaAs基In(Ga)As自组织量子点激光器,其基态激射波长达到1.3 µm以上 [9] [10] [11] [12]。2006年美国密西根大学报道了具有较好发光特性的GaAs基InAs量子点激光器材料,PL谱线宽约为30 meV,获得了超低阈值电流密度量子点激光器,激射波长达到1.45 µm [13]。2008年该小组利用渐变InGaAs缓冲层,拓展量子点激光器的激射波长至1.52 µm [14]。

生长温度(a):550℃,(b):630℃,(c)~(f):650℃;量子点厚度:(a):3 ML,(b) 4 ML,(c)~(f):5 ML

Figure 2. PL spectra of InAs quantum dot materials with different In composition InxGa1-xAs strain reducing layers at room temperature [9]

图2. 不同In组分InxGa1-xAs应变减小层的InAs量子点材料的室温PL谱 [9]

人们在研究中发现,虽然利用低温外延生长 [15],以及高In组分InxGa1−xAs应变减小层技术能拓展InAs量子点的发光波长,但其发光特性却严重变差。因此,需要尝试新的量子点制备方法。在量子点的外延生长过程中,引入氮(元素N)能够拓展InAs量子点的发光波长从1.3 µm到1.55 µm。日本神户大学研究了含N的InAs/GaAs量子点材料的应变状态和发光特性,表明N能调控量子点尺寸,抑制In的偏析,改变由晶格失配引起量子点与盖层界面的应力,并形成InAsN量子点合金,从而增大量子点的发光波长 [16]。与此同时,美国斯坦福大学理论计算并实验验证了稀氮和锑(元素Sb)量子阱导带补偿结构,该结构能有效地限制电子和空穴,实验结果表明的Ga0.62In0.38NxAs0.991−xSb0.009/GaNyAs1−y/GaAs量子阱样品的室温下的发光波长达到了1.5~1.65 µm [17]。

2003年美国新墨西哥大学Huffaker等人研究了GaAs衬底上外延生长AlGaAsSb缓冲层结构,样品的TEM图如图3(a)所示。然后在AlGaAsSb缓冲层上外延生长InAs量子点。他们的研究结果表明,通过渐变AlGaAsxSb1−x (x = 0~0.24)缓冲层能有效过滤位错,通过位错使应变弛豫,如图3(b)所示。量子点样品发光波长达到1.63 µm,光谱的半峰宽度小于50 meV [18]。

2005年西班牙学者为了比较GaAsSb层的位置对InGaAs量子点样品的影响,研究了具有GaAsSb层(Sb含量为17%)的三种不同结构InGaAs量子点样品发光性质,样品的低温PL谱如图4(a)所示 [19]。三种结构分别为InGaAs量子点(QDs)在GaAsSb层上方(QDs on GaAsSb),中间(GaAsSb/QDs/GaAsSb)和下方(GaAsSb on QDs)。InGaAs量子点在GaAsSb层上方时,PL谱兰移至1.03 µm,这是由于增加了量子点的成核密度,减小了量子点的尺寸。而InGaAs量子点在GaAsSb层中间和下方(以下称盖层)时,样品的PL谱中心波长红移。不同盖层结构对量子点的发光性质影响较大,与GaAs盖层结构相比,采用GaAsSb盖层结构可以拓展InGaAs量子点的发光波长至1.62 µm,但光谱线宽严重展宽,PL谱如图4(b)所示。

2006年英国谢菲尔德大学研究了带有GaAsSb盖层的InAs量子点的发光性质,室温下量子点样品的发光波长达到了1.6 µm。研究结果表明,含有GaAsSb (Sb组分含量分别为22%,26%时)盖层的InAs量子点的发光波长分别为1.52 µm、1.60 µm。与Sb含量为14%的量子点相比,样品PL谱发光波长红移,但发光强度大大降低,光谱线宽严重展宽。随激发功率的增加,PL光谱发生兰移,没有观察到GaAsSb/GaAs导带补偿效应,表明观察到长波长的发光现象不是来源于GaAsSb/GaAs界面处,而是来源于II型结构 [20]。该小组的研究结果表明含有GaAsSb盖层的量子点样品,Sb含量达到14%时,会发生I型向II型结构转变。

(a) (b)

Figure 3. (a) AlGaAsSb buffer layer structure and (b) TEM image [18]

图3. (a) AlGaAsSb缓冲层结构和(b)TEM图 [18]

Figure 4. (a) PL image of InGaAs quantum dots at different positions above, in the middle, and below the GaAsSb layer at low-temperature; (b) PL diagram of InGaAs quantum dots with the cap layer being GaAs and GaAsSb, respectively

图4. (a) InGaAs量子点在GaAsSb层上方,中间,下方不同位置时低温PL图;(b) 盖层分别为GaAs和GaAsSb层的InGaAs量子点的PL图

随后谢菲尔德大学该研究小组比较研究了具有GaAsSb缓冲层和InGaAs缓冲层的InAs量子点材料特性 [21]。PL光谱表明,有GaAsSb缓冲层的InAs量子点样品室温下的发光波长达到了1.55 µm,明显提高了样品的发光强度,其发光强度大约是InGaAs缓冲层样品的24倍。和InGaAs缓冲层相比,GaAsSb缓冲层的样品表面更平滑,从而明显改善了InAs量子点样品的发光特性。这是因为在外延生长GaAsSb缓冲层后,GaAsSb和GaAs的界面处的位错使更多应变发生弛豫。

台湾学者的研究结果表明,GaAsSb/GaAs导带补偿,取决于GaAsSb中Sb的组分含量。当Sb组分较小时,能带结构是I型结构,即电子在GaAsSb层局域化,这种I型结构能较好限制载流子,适于应用在发光器件;当Sb组分大于0.43时,能带结构变成II型结构,即电子在GaAs势垒层局域化,这种II型结构可应用于双极晶体管和红外探测器 [22]。

许多科研机构报道了长波长InAs/GaAs量子点的表面形貌、界面、缺陷和发光性质,研究了GaAsSb缓冲层或GaAsSb盖层对InAs量子点的作用,分析了Sb对InAs量子点材料的缺陷、面密度、均匀性及光学特性的影响。这是因为许多报道的研究结果表明,引入锑原子(无机源或有机源锑,Sb),即在外延InAs量子点时采用Sb原子作为表面活性剂可以调节量子点的尺寸,改善量子点尺寸均匀性,量子点发光波长红移 [23] [24]。更重要的是引入Sb的InAs量子点材料不仅获得了较好的荧光光谱特性,还可以抑制在高温退火过程中引起的发光波长兰移,能够控制量子点激光器的发射波长在1.3 µm以上 [25] [26]。引入Sb作为表面活性剂生长InAs量子点,解决了由于高温退火导致量子点发光波长兰移的难题,获得了高密度InAs/GaAs量子点及实现了1.3 µm波段的量子点激光器。

东京工业大学研究人员分析了Sb原子作为表面活性剂对InAs量子点的影响 [27]。他们分析了在外延生长量子点前与生长量子点后,Sb源快门的开启顺序和时间对量子点尺寸和发光特性的影响。通过短时间开启Sb源快门,即控制少量Sb原子进入反应室(以下称Sb“照射”),能起到改变表面能量的作用,表面能量的变化可以改变量子点的稳定状态。另外,改变量子点盖层的厚度或者改变InGaAs应变减小层的In组分,都影响量子点的应力分布。在盖层的生长过程中,可以调整量子点的尺寸和形状。InGaAs应变减小层则可以减小界面互混,抑制In从量子点中向外扩散,Sb对InAs量子点发光性质的影响,如图5所示。

Figure 5. The effect of Sb on the luminescence properties of InAs quantum dots [27]

图5. Sb对InAs量子点发光性质的影响 [27]

2006年东京大学报道了MOCVD外延生长1.55 µm波段的InAs/GaAs量子点材料 [24]。外延生长InAs量子点完成后,使用Sb照射,样品的中心发光波长拓展至1.56微米,室温光谱线宽为31.1 meV。我们认为比较有意义的结果是引入Sb照射的InAs量子点外延生长方法,可以一定程度减小InGaAs应变减小层中In含量。InGaAs应变减小层中较低含量的In含量的量子点样品能明显改善室温下的发光特性,如图6(a)所示。

然而,在Sb照射后,InAs量子点尺寸却没有明显变化,AFM表面形貌如图6(b)所示,表明量子点发光波长红移的原因是Sb原子合并至InAs量子点中,形成了InAsSb量子点。虽然该文献表明,此时Sb的作用机理与之前报道的Sb作为表面活性剂的机理完全不同,但并没有给出明确的解释。因此,这是我们需要研究的一个主要内容,研究InAsSb量子点的生长机理。

(a)(b)

Figure 6. (a) The relationship between the integrated intensity of the PL spectrum of the sample and the temperature (the square point indicates that the In content in InGaAs is 0.24, and the triangle indicates that the In content is 0.36). The inset is PL spectrum of the sample at room temperature; (b) Height distribution of InAs quantum dots containing Sb (the inset is the AFM surface topography of quantum dots)

图6. (a) 样品PL谱积分强度与温度的关系(正方形点表示InGaAs中In含量为0.24,三角形表示In含量为0.36),插入图为样品的室温PL谱;(b) 含有Sb的InAs量子点高度分布图(插入图为量子点AFM表面形貌图)

日本富士通研究人员研究了InP基InAsSb量子点材料特性,表明Sb作为表面活性剂,在调控量子点形状方面,Sb含量是一个主要的影响因素。研究结果表明Sb不仅抑制了高应变量子阱的粗糙度,而且影响量子点的三维生长,Sb含量决定着量子点的形状。随着Sb含量的增加,量子点可以逐渐转变成量子线 [28]。

总之,国内外许多科研小组已进行这种材料与器件的研究。与国外许多科研机构的研究报道相比,国内在长波长量子点激光器材料与器件应用方面的研究较少。在国内,中国科学院半导体研究所采用MBE外延生长短周期GaAs/InAs超晶格结构,拓展了InAs量子点的发光波长从1.27 µm到1.53 µm [29]。深圳信息职业技术学院和中国科学院上海微系统与信息技术研究所联合小组,利用GSMBE外延生长InAs/InP量子点材料,室温下获得了三种颜色的InAs/InP量子点激光器。长春理工大学采用MBE外延生长InAs/GaAs量子点材料,获得了1.5 µm量子点激光器材料 [30],并提出一种采用InGaSb柱形量子点实现高效率1.5 µm通讯波段激光器外延结构的MBE外延生长新方法 [31],研究结果表明量子点的形貌和形状决定1.55 µm量子点激光器的输出特性。

4. 总结

本文分析了高质量1.55 µm自组织InAs量子点激光器材料外延生长方法、InAs量子点材料的缺陷、面密度、均匀性及光学特性的影响。基于量子点材料的缺陷调控技术,降低缺陷及失配位错密度,最大限度地消除缺陷对量子点材料质量的影响。随着研究人员对GaAs基半导体材料特性的深入研究,不断改进外延生长工艺,GaAs基1.55 µm自组织InAs量子点激光器材料质量及其器件特性将进一步得到明显改善。

基金项目

海南省自然科学基金(2019RC190,2019RC192),海南省高等学校科学研究项目(Hnky2020ZD-12,Hnky2020-24),海南省高等学校教学改革项目(Hnjg2021ZD-22),榕树基金(202011658007X),海南省科技项目(ZDYF2020217,ZDYF2020020,ZDYF2020036),国家自然科学基金项目(62064004,61964007,61864002),海南省重大科技计划项目(ZDKJ2019005),和中国工程科技发展战略项目(19-HN-XZ-07)资助。

NOTES

*通讯作者。

文章引用: 曾丽娜 , 杨云帆 , 秦振 , 李林 , 刘兆悦 , 李再金 , 赵志斌 , 陈浩 , 乔忠良 , 曲轶 , 刘国军 (2021) GaAs基1.55微米自组织InAs量子点材料生长研究进展。 现代物理, 11, 88-97. doi: 10.12677/MP.2021.114012

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