CN102157903B - “w”型锑化物二类量子阱的外延生长方法 - Google Patents
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Abstract
一种“W”型锑化物二类量子阱的外延生长方法，包括如下步骤：步骤1：选择一衬底；步骤2：对该衬底进行脱氧除气处理并观察表面再构；步骤3：在该衬底上依次生长缓冲层、10个周期的“W”结构二类量子阱有源区和GaSb盖层。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，主要是一种在GaSb衬底上生长二类“W”型量子阱结构的方法。
背景技术
随着科学技术的发展，中红外2-5μm波段的半导体激光器得到了越来越多的关注。主要的应用有化学气体探测、通信、生物医学以及军事上的电子对抗等领域。传统的Si基、GaAs基材料系带隙比较宽，不能满足对波长的要求，而锑化物(GaSb基)材料具有相对较窄的带隙，从而成为这一波段的主要研究对象。目前无论是材料方面还是器件方面，中红外2-5μm波段的半导体光电器件均还不够成熟。
目前在中红外波段的研究方向很多，在2-3μm波段，四元锑化物的一类量子阱激光器已经成为最具竞争力的研究对象。而在3-5μm波段，研究的方向还很多，主要有：量子级联和带间级联激光器，锑化物一类、二类量子阱激光器，以及InAs/GaSb短周期超晶格激光器等，在这些众多的方向中，“W”型二类量子阱激光器一直都是佼佼者，最初的“W”结构由美国海军实验室的J.R.Meyer等人提出，其中的“W”是指由材料导带边的位置所构成的形状类似“W”型，一个“W”结构主要是由两个电子阱中间夹一个空穴阱来构成。由于具有比普通量子阱更强的限制电子和空穴的结构，“W”型二类量子阱能更好的实现电子和空穴的二维输运、增强电子和空穴的耦合，以及对于俄歇复合有更好的抑制作用。
传统的“W”结构一般是用AlSb/InAs/Ga1-xInxSb材料系，垒层AlSb也可用有用含Al和Sb的三元或者四元材料来替代，而在本发明的“W”结构中，外延生长时在InAs和GaInSb界面中间插入一层InSb薄层，从而形成InSb界面并且阻碍了GaAs界面的形成，同时把中间的空穴阱用GaSb/InSb/GaSb的生长方法取代了直接生长三元材料GaxIn1-xSb。这样做的优势在于：由于三元的GaxIn1-xSb材料会有分凝、解吸附以及组分不均匀等情况发生，二元的材料更易于控制和生长。不仅如此，目前InAs/GaSb超晶格红外探测器已可作为实用型器件来应用，对这类材料的生长也已相对成熟，更易于我们进行分析研究。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种“W”型锑化物二类量子阱的外延生长方法，通过InSb过渡层的插入来改进界面的类型，形成InSb界面的同时抑制GaAs界面的产生。在生长空穴阱时，用二元材料GaSb/InSb/GaSb取代三元材料Ga1-xInxSb，通过控制GaSb和InSb的厚度来等效三元材料Ga1-xInxSb中In和Ga的组分。
本发明提供一种“W”型锑化物二类量子阱的外延生长方法，包括如下步骤：
步骤1：选择一衬底；
步骤2：对该衬底进行脱氧除气处理并观察表面再构；
步骤3：在该衬底上依次生长缓冲层、10个周期的“W”结构二类量子阱有源区和GaSb盖层。
其中该衬底为GaSb(001)衬底。
其中该缓冲层的材料为GaSb。
其中该10个周期的“W”结构二类量子阱有源区的每个周期包括：一Al0.35Ga0.65Sb垒层，在Al0.35Ga0.65Sb垒层上依次生长有InAs电子阱层、InSb过渡层、空穴阱层、InSb过渡层、InAs电子阱层和Al0.35Ga0.65Sb垒层，该InSb过渡层和InSb过渡层形成InSb界面，同时抑制GaAs界面的产生。
其中空穴阱层包括下GaSb层及在其上依次生长的InSb层和上GaSb层。
其中所述的脱氧除气处理并观察表面再构，是指脱氧的温度为630℃，再将温度升至660℃除气，15分钟后降至610℃，生长5min的GaSb后降温至490℃观察到再构。
其中空穴阱层中的下GaSb层、InSb层和上GaSb层的生长时间分别为9s、2s、9s。
附图说明
为进一步说明本发明的技术特征，结合以下附图，对本发明作一详细的描述，其中：
图1是外延结构示意图；
图2是用八带K·P模型模拟的“W”型量子阱结构的能带图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种“W”型锑化物二类量子阱的外延生长方法，包括如下步骤：
步骤1：选择一衬底10，该衬底10为GaSb(001)衬底；
步骤2：对该衬底10进行脱氧除气处理并观察表面再构，是指脱氧的温度为630℃，再将温度升至660℃除气，15分钟后降至610℃，生长5min的GaSb后降温至490℃观察到再构。
步骤3：在该衬底10上依次生长缓冲层11、10个周期的“W”结构二类量子阱有源区12和GaSb盖层13，该缓冲层11的材料为GaSb，所述该10个周期的“W”结构二类量子阱有源区12的每个周期包括：一Al0.35Ga0.65Sb垒层121，生长时间16s，厚度为4nm，该层和Al0.35Ga0.65Sb垒层127作为“W”型二类量子阱结构的垒层，主要是对电子和空穴有更好的限制作用，并可以形成二维的态密度分布，提高电子和空穴波函数的耦合程度，使得达到阈值时，每单位注入载流子会产生更高的增益。在Al0.35Ga0.65Sb垒层依次生长有InAs电子阱层122，生长时间36s，厚度是2nm，InSb过渡层123，生长时间2s，空穴阱层124、InSb过渡层125，生长时间2s、InAs电子阱层126，生长时间36s，厚度是2nm，和Al0.35Ga0.65Sb垒层127，生长时间16s，厚度为4nm。众所周知，InAs/GaSb材料在生长的过程中会形成不同类型的界面，我们在生长的过程中插入该InSb过渡层123和InSb过渡层125主要是为了易于形成InSb界面，同时抑制GaAs界面的产生，其中所述的空穴阱层124包括下GaSb层及在其上依次生长的InSb层和上GaSb层，代替了原来直接生长三元材料GaxIn1-xSb，目的在于避免三元GaxIn1-xSb材料解吸附以及组分不均匀等情况发生，同时相比三元材料而言，二元的材料更易于控制和生长。其中所述的空穴阱层124中的下GaSb层、InSb层和上GaSb层的生长时间分别为9s、2s、9s。最后，在Al0.35Ga0.65Sb垒层127上再生长一层GaSb盖层13，生长时间为100s，从而完成“W”型有源区的结构生长。
图2显示了用八带K·P模型模拟的“W”型量子阱结构的能带图。
以上所述的系统框图和实施电路图，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。
Claims (6)
1.一种“W”型锑化物二类量子阱的外延生长方法，包括如下步骤：
步骤1：选择一衬底；
步骤2：对该衬底进行脱氧除气处理并观察表面再构；
步骤3：在该衬底上依次生长缓冲层、10个周期的“W”结构二类量子阱有源区和GaSb盖层；
其中该10个周期的“W”结构二类量子阱有源区的每个周期包括：一Al0.35Ga0.658b垒层，在Al0.35Ga0.65Sb垒层上依次生长有Inas电子阱层、InSb过渡层、空穴阱层、InSb过渡层、InAs电子阱层和Al0.35Ga0.65Sb垒层，该InSb过渡层和InSb过渡层形成InSb界面，同时抑制GaAs界面的产生。
2.根据权利要求1所述的“W”型锑化物二类量子阱的外延生长方法，其中该衬底为GaSb(001)衬底。
3.根据权利要求1所述的“W”型锑化物二类量子阱的外延生长方法，其中该缓冲层的材料为GaSb。
4.根据权利要求1所述的“W”型锑化物二类量子阱的外延生长方法，其中空穴阱层包括下GaSb层及在其上依次生长的InSb层和上GaSb层。
5.根据权利要求1所述的“W”型锑化物二类量子阱的外延生长方法，其中所述的脱氧除气处理并观察表面再构，是指脱氧的温度为630℃，再将温度升至660℃除气，15分钟后降至610℃，生长5min的GaSb后降温至490℃观察到再构。
6.根据权利要求4所述的“W”型锑化物二类量子阱的外延生长方法，其中空穴阱层中的下GaSb层、InSb层和上GaSb层的生长时间分别为9s、2s、9s。
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