CN102208756A - 在磷化铟衬底上生长砷化铟/铟镓砷量子阱材料的方法 - Google Patents

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Abstract

一种在磷化铟衬底上生长砷化铟/铟镓砷量子阱材料的方法，包括如下步骤：步骤1：选择一衬底；步骤2：在衬底上依次生长一缓冲层、一下波导层、一双量子阱结构、一上波导层和一盖层，完成在磷化铟衬底上生长砷化铟/铟镓砷量子阱材料的制作。其是通过在较低温度下生长合适的InAs量子阱厚度，起到了在大应变条件下减小缺陷，增加跃迁波长到2.3μm的作用。

Description

在磷化铟衬底上生长砷化铟/铟镓砷量子阱材料的方法
技术领域
本发明属于半导体激光器制造技术领域，具体地涉及一种磷化铟衬底上生长砷化铟/铟镓砷量子阱材料的方法。
背景技术
波长超过2μm的中红外激光器由于在气体探测方面的潜在应用价值在科研界获得极大的关注。在1994年，以InAs为阱，In0.53Ga0.47As为垒层的量子阱结构首次在1.7μm中红外激光器中运用。从此之后，涌现出了很多关于InAs量子阱激光器的报道，尤其是在2μm波段大气探测领域的应用。并且随着MOCVD(金属有机化合物气相沉积)技术的日臻完善，2μm波段激光器的最终商用具有了良好的基础。利用MOCVD技术生长2μm波段InAs/InGaAs量子阱材料需要注意如下两个问题：1.InAs量子阱材料由于在高温下容易挥发，需要在合适的温度窗口下(460℃-500℃)进行生长；2.InAs量子阱材料与InP衬底的应变高达3.2％，超过其临界厚度便极容易产生缺陷造成材料质量下降，然而另一方面InAs厚度过小又会直接制约波长跃迁，需要控制InAs厚度。
对此我们采用了在InAs量子阱材料最佳温度窗口(460℃-500℃)进行了材料的生长，并且形成了低于InAs临界厚度的4nm阱宽的InAs量子阱。不仅形成晶格质量良好的InAs量子阱材料还满足2μm以上波段跃迁的需求。目前我们通过实验测试得出材料在室温下跃迁波长为2.26μm，并且有着良好的晶体质量。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种在磷化铟衬底上生长砷化铟/铟镓砷量子阱材料的方法，通过在较低温度下生长合适的InAs量子阱厚度，起到了在大应变条件下减小缺陷，增加跃迁波长到2.3μm的作用。
本发明提供一种在磷化铟衬底上生长砷化铟/铟镓砷量子阱材料的方法，包括如下步骤：
步骤1：选择一衬底；
步骤2：在衬底上依次生长一缓冲层、一下波导层、一双量子阱结构、一上波导层和一盖层，完成在磷化铟衬底上生长砷化铟/铟镓砷量子阱材料的制作。
其中衬底为半绝缘的InP单晶片。
其中缓冲层为本征InP缓冲层，其沉积厚度为200至400nm，生长温度介于550至650℃之间。
其中下波导层的材料为InxGa1-xAsyP1-y，其带隙对应的波长为1.3μm，其沉积厚度不大于100nm，生长温度介于550至650℃之间。
其中所述的双量子阱结构层中的每一量子阱结构层包括：一InxGa1-xAs垒层和生长在其上的InAs量子阱层，在该双量子阱结构层的最上层还单独生长一层InxGa1-xAs垒层。
其中所述的InAs量子阱的沉积厚度不大于5nm，生长温度介于460至500℃之间。
其中所述的InxGa1-xAs垒层的沉积厚度不大于20nm，生长温度介于460至500℃之间。
其中步骤2是采用金属有机化合物气相沉积法。
其中上波导层的材料为InxGa1-xAsyP1-y，其带隙对应的波长为1.3μm，其厚度不大于100nm，生长温度介于550至650℃之间，该上波导层和下波导层的晶格均与衬底匹配。
其中盖层的材料为InP，其厚度不大于100nm，生长温度介于550至650℃之间。
附图说明
为了进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1是本发明InAs/InxGa1-xAs量子阱材料的结构示意图。
图2是利用金属有机化合物气相沉积方法得到的InAs/InxGa1-xAs量子阱材料的室温PL图谱以及X射线衍射图(XRD)。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种在磷化铟衬底上生长砷化铟/铟镓砷量子阱材料的方法，包括如下步骤：
步骤1：选择一衬底10，该衬底10为半绝缘的InP单晶片；
步骤2：采用金属有机化合物气相沉积法，在衬底10上依次生长一缓冲层11、一下波导层12、一双量子阱结构13、一上波导层14和一盖层15，完成在磷化铟衬底上生长砷化铟/铟镓砷量子阱材料的制作。
其中缓冲层11为本征InP缓冲层，减小外延层缺陷密度，提高晶体材料质量，其沉积厚度为200至400nm，生长温度介于550至650℃之间。
其中下波导层12的材料为InxGa1-xAsyP1-y，其带隙对应的波长为1.3μm(其中InxGa1-xAsyP1-y各组分x为0.72，y为0.61)，其沉积厚度不大于100nm，生长温度介于550至650℃之间。
其中所述的双量子阱结构层13中的每一量子阱结构层包括：一InxGa1-xAs垒层131和生长在其上的InAs量子阱层132，在该双量子阱结构层13的最上层还单独生长一层InxGa1-xAs垒层131，构成了经典的量子阱三明治结构。
其中所述的InAs量子阱132的沉积厚度不大于5nm，生长温度介于460至500℃之间，通过降低生长温度至该区间内，起到抑制量子阱中应力释放的作用，利于平整陡峭的晶体界面形成。
其中所述的InxGa1-xAs垒层131的沉积厚度不大于20nm，生长温度介于460至500℃之间，其中In的组分x介于0.52和0.54之间，晶格与衬底10匹配，减小了其与衬底10之间由于晶格失配造成的应力累积。
其中上波导层14的材料为InxGa1-xAsyP1-y，其带隙对应的波长为1.3μm，其厚度不大于100nm，生长温度介于550至650℃之间，该上波导层14和下波导层12的晶格均与衬底10匹配，在量子阱结构两侧形成波导结构，限制载流子分布，起到了量子限制作用。
其中盖层15的材料为InP，其厚度不大于100nm，生长温度介于550至650℃之间，起到了防止表面氧化的作用。
所测试的具有4nm阱宽的InAs量子阱材料结构的PL室温图谱如图2所示，其中心波长为2.26μm，并且XRD图谱中明显的卫星峰也反应出了该结构良好的晶体质量。
实施例
请再参阅图1所示，本发明一种在磷化铟衬底上生长砷化铟/铟镓砷量子阱材料的方法，包括如下步骤：
步骤1：选择一半绝缘的InP单晶片作为衬底10；
步骤2：采用金属有机化合物气相沉积法，在衬底10上依次生长一缓冲层11、一下波导层12、一双量子阱结构13、一上波导层14和一盖层15，完成在磷化铟衬底上生长砷化铟/铟镓砷量子阱材料的制作。
其中缓冲层11为本征InP缓冲层，其沉积厚度为200nm，生长温度为610℃。
其中下波导层12的材料为In0.72Ga0.28As0.61P0.39，其带隙对应的波长为1.3μm，其沉积厚度不大于100nm，生长温度为610℃。
其中所述的双量子阱结构层13中的每一量子阱结构层包括：一In0.53Ga0.47As垒层131和生长在其上的InAs量子阱层132，该In0.53Ga0.47As垒层131的沉积厚度不大于20nm，生长温度为480℃，该InAs量子阱132的沉积厚度为4nm，生长温度为480℃，在该双量子阱结构层13的最上层还单独生长一层In0.53Ga0.47As垒层131。
其中上波导层14的材料为In0.72Ga0.28As0.61P0.39，其带隙对应的波长为1.3μm，其沉积厚度不大于100nm，生长温度为610℃，该上波导层14和下波导层12的晶格均与衬底10匹配。
其中盖层15的材料为InP，其厚度为50nm，生长温度为610℃。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种在磷化铟衬底上生长砷化铟/铟镓砷量子阱材料的方法，包括如下步骤：
步骤1：选择一衬底；
步骤2：在衬底上依次生长一缓冲层、一下波导层、一双量子阱结构、一上波导层和一盖层，完成在磷化铟衬底上生长砷化铟/铟镓砷量子阱材料的制作。
2.根据权利要求1所述的在磷化铟衬底上生长砷化铟/铟镓砷量子阱材料的方法，其中衬底为半绝缘的InP单晶片。
3.根据权利要求1所述的在磷化铟衬底上生长砷化铟/铟镓砷量子阱材料的方法，其中缓冲层为本征InP缓冲层，其沉积厚度为200至400nm，生长温度介于550至650℃之间。
4.根据权利要求1所述的在磷化铟衬底上生长砷化铟/铟镓砷量子阱材料的方法，其中下波导层的材料为InxGa1-xAsyP1-y，其带隙对应的波长为1.3μm，其沉积厚度不大于100nm，生长温度介于550至650℃之间。
5.根据权利要求1所述的在磷化铟衬底上生长砷化铟/铟镓砷量子阱材料的方法，其中所述的双量子阱结构层中的每一量子阱结构层包括：一InxGa1-xAs垒层和生长在其上的InAs量子阱层，在该双量子阱结构层的最上层还单独生长一层InxGa1-xAs垒层。
6.根据权利要求5所述的在磷化铟衬底上生长砷化铟/铟镓砷量子阱材料的方法，其中所述的InAs量子阱的沉积厚度不大于5nm，生长温度介于460至500℃之间。
7.根据权利要求5所述的在磷化铟衬底上生长砷化铟/铟镓砷量子阱材料的方法，其中所述的InxGa1-xAs垒层的沉积厚度不大于20nm，生长温度介于460至500℃之间。
8.根据权利要求1所述的在磷化铟衬底上生长砷化铟/铟镓砷量子阱材料的方法，其中步骤2是采用金属有机化合物气相沉积法。
9.根据权利要求1所述的在磷化铟衬底上生长砷化铟/铟镓砷量子阱材料的方法，其中上波导层的材料为InxGa1-xAsyP1-y，其带隙对应的波长为1.3μm，其厚度不大于100nm，生长温度介于550至650℃之间，该上波导层和下波导层的晶格均与衬底匹配。
10.根据权利要求1所述的在磷化铟衬底上生长砷化铟/铟镓砷量子阱材料的方法，其中盖层的材料为InP，其厚度不大于100nm，生长温度介于550至650℃之间。
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