CN103151710B - GaAs基含B高应变量子阱及其制备方法、半导体激光器 - Google Patents

GaAs基含B高应变量子阱及其制备方法、半导体激光器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及半导体光电子材料与器件领域，公开了一种GaAs基含B高应变量子阱的制备方法，包括步骤：S1、在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层；S2、在所述GaAs缓冲层的顶部生长高应变阱层，生长过程中通入B源形成含B高应变阱层；S3、在所述含B高应变阱层上生长GaAs垒层或应变补偿垒层，形成GaAs基含B高应变量子阱。本发明还公开了一种GaAs基含B高应变量子阱以及一种边发射半导体激光器。本发明通过将B并入到InGaAs或GaAsSb中补偿In、Sb并入GaAs导致的晶格常数变大，从而实现对晶格失配度的调控；通过将B并入到InGaAs或GaAsSb中降低高应变InGaAs或GaAsSb的表面能，从而进一步拓展InGaAs/GaAs和GaAsSb/GaAs高应变量子阱的发光波长；通过对含B高应变阱层进行应变补偿，从而提高量子阱的光学质量。

Description

GaAs基含B高应变量子阱及其制备方法、半导体激光器
技术领域
本发明涉及半导体光电子材料与器件领域，尤其涉及一种GaAs基含B(硼)高应变量子阱及其制备方法，以及基于此含B高应变量子阱的边发射半导体激光器。
背景技术
GaAs(砷化镓)基InGaAs/GaAs和GaAsSb/GaAs高应变量子阱(Quantum Well，QW)结构(其中InGaAs和GaAsSb为阱层，GaAs为垒层)因其可在GaAs衬底上实现长波长发光而一直受到人们关注，并被广泛应用于半导体激光器、光探测器及超辐射管的研制。
对于InGaAs/GaAs高应变量子阱，由于受InGaAs阱中In(铟)组分的限制，在GaAs衬底上生长的InGaAs/GaAs高应变QW的最长室温光致发光谱(RT-PL谱)峰值波长仅1.257μm[Appl.Phys.Lett.，84，5100(2004)]，还无法实现1.3μm或更长波段发光。目前，拓展InGaAs/GaAs高应变QW的发光波长主要通过在阱区中掺入V族氮(Nitrogen，N)元素来实现，利用N并入造成的能带弯曲效应来进一步减小带隙，进而将发光波长拓展到1.3μm甚至1.55μm波段。但是N并入会带来很多不利的影响(如N在外延层中分布不均匀、导致相分凝、引入缺陷使得材料质量劣化等)，最终影响含N半导体光电子器件的寿命和可靠性。
另外一种可在GaAs衬底上实现长波长发光的材料系是GaAsSb/GaAs高应变QW。目前，尽管GaAsSb/GaAs高应变QW已实现了1.295μm波长连续激射[Electron.Lett.，37，566(2001)]，但进一步向长波长拓展就需要加大Sb(锑)组分，这使得阱和垒之间应变更大，材料制备更加困难。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：1)如何解决由于InGaAs及GaAsSb阱层与GaAs垒层之间晶格失配(或称为应变)度大而导致InGaAs及GaAsSb阱层中In、Sb组分不能继续提高，从而使得InGaAs/GaAs及GaAsSb/GaAs量子阱发光波长无法拓展的问题。2)如何解决由于InGaAs/GaAs及GaAsSb/GaAs高应变量子阱中阱层材料表面能过高，导致InGaAs/GaAs及GaAsSb/GaAs量子阱发光波长无法拓展的问题。3)如何有效提高InGaAs/GaAs及GaAsSb/GaAs高应变量子阱光学质量。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供了一种GaAs基含B高应变量子阱的制备方法，包括以下步骤：
S1、在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层；
S2、在所述GaAs缓冲层的顶部生长高应变阱层，生长过程中通入B源以形成含B高应变阱层；
S3、在所述含B高应变阱层上生长GaAs垒层或应变补偿垒层，以形成GaAs基含B高应变量子阱。
优选地，在S3步骤之后还包括：S4、重复步骤S2、S3若干次，形成多量子阱。
在步骤S4之后还包括：S5、用一定厚度的GaAs盖帽层覆盖所述含B量子阱，以形成更优的含B量子阱。
所述应变补偿层材料为GaAsP、InGaP、BGaAs、GaAs-GaAsP、GaAs-InGaP、GaAs-BGaAs、GaAsP-GaAs、InGaP-GaAs、BGaAs-GaAs中的一种或几种的组合。
优选地，BInGaAs或BGaAsSb阱层的材料中，In或Sb的组分大于或等于30％。
本发明还提供了一种采用所述的方法所制备的GaAs基含B高应变量子阱。
本发明还提供了一种边发射半导体激光器，所述激光器以所述的GaAs基含B高应变量子阱作为有源区。
(三)有益效果
本发明的GaAs基含B高应变量子阱(BInGaAs/GaAs和BGaAsSb/GaAs高应变QW)的制备方法中，通过将B并入到InGaAs或GaAsSb中以弥补In、Sb并入GaAs所导致的晶格常数变大的缺陷，从而实现对晶格失配度的调控；通过将B并入到InGaAs或GaAsSb中降低高应变InGaAs或GaAsSb的表面能，从而进一步拓展了InGaAs/GaAs和GaAsSb/GaAs高应变QW的发光波长；通过应变补偿提高了含硼量子阱的光学质量。
附图说明
图1为在GaAs衬底上生长BInGaAs/GaAs MQW的外延结构示意图；
图2为以BInGaAs/GaAs量子阱作为有源区的边发射激光器外延结构示意图；
图3为在GaAs衬底上生长BGaAsSb/GaAs MQW的外延结构示意图；
图4为以BGaAsSb/GaAs量子阱作为有源区的边发射激光器外延结构示意图；
图5为5周期BInGaAs/GaAs量子阱的X射线衍射(XRD)ω-2θ扫描图样；
图6为5周期BInGaAs/GaAs量子阱的室温PL谱图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明的具体思路如下：III族元素B具有小共价半径(B、Ga、In原子共价半径分别为As、Sb原子共价半径分别为 )，因此B并入到InGaAs或GaAsSb中可以补偿In、Sb并入GaAs导致的晶格常数变大，从而实现对晶格失配度的调控。此外过高的表面能会导致二维(2D)生长转变三维(3D)生长，从而影响量子阱界面质量，甚至导致3D成岛形成量子点，因此B并入有可能降低高应变InGaAs或GaAsSb的表面能，从而抑制2D生长到3D生长的转化。从这两方面考虑，B的并入就使得提升已受晶格失配度和2D-3D生长模式转变限制的InGaAs/GaAs应变QW中的In组分以及GaAsSb/GaAs应变QW中的Sb组分成为可能，从而进一步拓展InGaAs/GaAs和GaAsSb/GaAs高应变QW的发光波长。
实施例1
本发明实施例在GaAs衬底(GaAs substrate)上生长5周期BInGaAs/GaAs高应变多量子阱结构的方法，可以增大GaAs基InGaAs/GaAs高应变多量子阱的发光波长，如图1所示，包括步骤：
a、在GaAs衬底上生长一层GaAs缓冲层(GaAs buffer layer)，以确保衬底表面平滑且无明显缺陷；
b、在GaAs缓冲层的顶部上生长高应变ByInxGa1-x-yAs阱层。B并入会抵消In、Sb并入造成的晶格常数过大的问题。在B并入的同时，增大In或Sb源的摩尔流量，从而使得阱层中In或Sb组分进一步提升；高应变ByInxGa1-x-yAs阱层中In的组分大于或等于30％，且可通过增大B组分进一步提高。
c、在高应变ByInxGa1-x-yAs阱层上生长GaAs垒层或应变补偿垒层(如GaAsP、InGaP、BGaAs、GaAs-GaAsP、GaAs-InGaP、GaAs-BGaAs、GaAsP-GaAs、InGaP-GaAs、BGaAs-GaAs等)，形成GaAs基含B高应变量子阱；
d、重复步骤b、c五次以形成5周期高应变BInGaAs/GaAs多量子阱结构(MQW结构)，具体周期数可根据需要变化；
e、用一定厚度的GaAs盖帽层(GaAs cap)覆盖MQW结构，形成更优的含B量子阱。盖帽层的厚度根据需要而定，其主要作用是保护MQW结构，避免其与空气直接接触而发生氧化。
本实施例是在GaAs衬底上生长BInGaAs/GaAs MQW。如图5和图6所示，X射线衍射(XRD)测得的峰间距为-5780arcsec，室温光致发光谱(RT-PL谱)峰值波长为1164nm。当无B并入时，XRD测得的峰间距为-5780arcsec的InGaAs/GaAs MQW的室温PL谱峰值波长仅为1100nm。若在此BInGaAs/GaAs MQW基础上增大In源的流量(增大为30％的组分含量)，则可使In的并入比进一步提高，从而得到更长的发光波长。图5表明在GaAs衬底上生长的是高应变多量子阱结构，卫星峰明显，晶体质量高；图6表明该应变量子阱的室温光荧光谱的强度高、谱线窄，光学质量高。
InAs材料与GaAs材料的晶格失配度为7.1％，GaSb材料与GaAs材料的晶格失配度为7.8％，InxGa1-xAs、GaAs1-xSbx(也省略地记为InGaAs或GaAsSb)三元合金与GaAs材料的晶格失配度可以通过维加德定律(Vegard’s law)求出。并入B后，阱层材料由InGaAs或GaAsSb变为ByInxGa1-x-yAs或ByGa1-yAs1-xSbx(也省略地记为BInGaAs或BGaAsSb)四元合金(其中，0＜x＜1、0＜y＜1)。在相同的In或Sb组分下，四元合金的晶格常数要比三元合金的晶格常数小，而垒层材料的晶格常数不变，因此根据公式(1)、公式(2)可知晶格失配度变小。
维加德定律如下：a_AxB1-xC＝x·a_AC+(1-x)·a_BC    (1)
其中，a_ABC代表三元合金的晶格常数，a_AC和a_BC分别代表构成三元合金的二元合金的晶格常数。
晶格失配度＝[(阱层材料的晶格常数-衬底材料的晶格常数)/衬底材料的晶格常数]×100％                            (2)
实施例2
本实施例公开了一种采用实施例1所述的方法制备的GaAs基含B高应变量子阱，其以BInGaAs或BGaAsSb作为阱层，以GaAs作为垒层。
实施例3
本实施例公开了一种边发射半导体激光器，其以实施例2所述的含B量子阱作为有源区，如图2、图4所示。
本实施例与现有的GaAs基InGaAs/GaAs、GaAsSb/GaAs量子阱边发射激光器的区别在于有源区增益介质材料不同。这样，采用图2和图4结构的激光器就可以工作在更长的波长。
以上所述仅是本发明的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种GaAs基含B高应变量子阱的制备方法，包括以下步骤：
S1、在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层；
S2、在所述GaAs缓冲层顶部生长高应变阱层，生长过程中通入B源以形成含B高应变阱层，所述含B高应变阱层的材料为BGaAsSb，且Sb的组分大于或等于30％；
S3、在所述含B高应变阱层上生长应变补偿垒层或GaAs垒层，以形成GaAs基含B高应变量子阱。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在S3步骤之后还包括：S4、重复步骤S2、S3若干次，形成多量子阱。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述应变补偿层的材料为GaAsP、InGaP、BGaAs、GaAs-GaAsP、GaAs-InGaP、GaAs-BGaAs、GaAsP-GaAs、InGaP-GaAs、BGaAs-GaAs中的一种或几种的组合。
4.一种采用权利要求1～3中任一项所述的方法所制备的GaAs基含B高应变量子阱。
5.一种边发射半导体激光器，其特征在于，所述激光器以权利要求4所述的GaAs基含B高应变量子阱作为有源区。
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