CN103367567B - 基于铋元素的非矩形iii-v族半导体量子阱的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于铋元素的非矩形III-V族半导体量子阱的制备方法，包括生长III-V族半导体量子阱的势阱材料和势垒材料，所述的势阱材料和势垒材料的生长过程中均加入铋元素。本发明在生长量子势阱和势垒材料过程中同时打开铋束源快门，利用铋元素引起的III族元素互扩散实现非矩形量子阱结构，该方法可有效地控制材料组分，克服了采用常规生长方法只适合生长组分突变矩形量子阱结构的问题，为量子结构和功能的设计及实现引入更大的自由度；本发明的制备方法适合采用分子束外延、原子层沉积等多种材料生长手段，操作工艺简单方便。

Description

基于铋元素的非矩形III-V族半导体量子阱的制备方法
技术领域
本发明属于半导体微结构材料的制备领域，特别涉及一种基于铋元素的非矩形III-V族半导体量子阱的制备方法。
背景技术
随着薄膜材料外延手段和半导体物理知识的发展，使得量子微结构成功地在实验上获得制备，推动了半导体激光器、半导体探测器等光电子器件和电子器件的快速发展。这些器件已经在不同领域获得了广泛应用，并且对人们深入理解和发展各种量子理论起到重要作用，同时也反过来推动了分子束外延（MBE）和金属有机物气相外延（MOCVD）等各种薄层外延方法的发展。目前，所采用的量子结构主要是基于异质材料构成的，例如：人们发展了在GaAs衬底上的AlGaAs为势垒，GaAs为量子阱的典型AlGaAs/GaAs体系量子结构；在InP衬底上发展了以InAlAs为势垒，InGaAs为量子阱的典型InAlAs/InGaAs体系量子结构，这些量子结构都已广泛用于各种激光器、光电探测器及其他光电子和微电子器件中。在这些应用中人们目前普遍采用的是组分突变的矩形量子结构，这种结构在一般情况可以满足人们的需要，且具有设计和生长较简单的优点，得到了很好的发展，特别是对于晶格匹配的材料体系。随着研究的深入，这种矩形量子结构也带来一些限制，例如：对矩形量子结构除材料组分外，可变参数就是势阱和势垒的宽度，这样对一些特殊功能设计要求往往不能满足；再如：对于采用晶格失配的材料体系，组分突变的矩形量子结构往往引起较大的应变积累，这一方面限制了材料设计和生长的范围，另一方面也不利于高质量材料的生长。
近年来，稀铋半导体材料因具有很多独特而重要的特性而引起了国际上越来越多的关注。人们发现当在III-V族材料中加入铋后会产生比较大的带隙收缩。铋元素主要对价带产生作用，对导带作用很小，空穴迁移率只是随着铋浓度的升高而略微降低。同时，人们还发现GaAsBi材料的带隙对温度依赖度远小于GaAs或InGaAsP材料。由于铋元素有很大的原子质量，预计铋化物具有很大的自旋-轨道分裂能，可以抑制俄歇复合，提高激光器的特征温度。因此，稀铋材料可以扩展传统III-V族半导体材料与器件的波长，减弱或消除俄歇复合，提高半导体光电器件的工作温度和特征温度。而且铋元素在普通生长温度下III-V族材料的生长中起表面活化剂的作用，有利于形成平整的界面，增强材料的光学特性。最近，人们发现铋元素在III-V族材料中由于与III族元素产生的化学键能较小，很容易产生空位，从而引起III族元素在界面处的互扩散，特别是在较高的生长温度下更为明显。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于铋元素的非矩形III-V族半导体量子阱的制备方法，该方法可用常规分子束外延、原子层沉积等多种材料生长手段进行生长，操作工艺简单方便，该方法可有效地控制材料组分，克服了采用常规生长方法只适合生长组分突变矩形量子阱结构的问题，为量子结构和功能的设计及实现引入更大的自由度。
本发明的一种基于铋元素的非矩形III-V族半导体量子阱的制备方法，包括：生长III-V族半导体量子阱的势阱材料和势垒材料，所述的势阱材料和势垒材料的生长过程中均加入铋元素。
所得到的III-V族半导体量子阱为非矩形结构。
所述的III-V族半导体量子阱为以InP为衬底的In0.53Ga0.47As/InAs材料，其制备方法为：先生长In0.53Ga0.47As势垒，然后生长InAs势阱底，再生长In0.53Ga0.47As势垒，生长上述势垒和势阱底的整个过程中均加入铋元素。
本发明针对III-V族半导体传统矩形量子结构及其工艺实现中存在的问题，需要在非矩形量子阱制备方法方面进行创新，本发明旨在利用铋元素引起III族元素互扩散的特性提供一种非矩形III-V族半导体量子阱的制备方法。
本发明的生长III-V族半导体量子阱的势阱和势垒材料过程中同时打开铋束源快门，利用的铋元素引起的III族元素互扩散实现非矩形量子阱结构。应用这种方法可有效地控制材料组分，克服了采用常规生长方法只适合生长组分突变矩形量子阱结构的问题，为量子结构和功能的设计及实现引入更大的自由度。
本发明中可以通过调节生长温度和生长速率对III-V族半导体量子阱的界面形状进行调控。
有益效果
（1）本发明的制备方法可用常规分子束外延、原子层沉积等多种材料生长手段进行生长，操作工艺简单方便；
（2）本发明的制备方法可有效地控制材料组分，克服了采用常规生长方法只适合生长组分突变矩形量子阱结构的问题，为量子结构和功能的设计及实现引入更大的自由度。
附图说明
图1是基于铋元素的非矩形III-V族半导体量子阱的能带示意图；
图2是实施例1的基于铋元素的In0.53Ga0.47As/InAs非矩形量子阱的能带示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
以下以在InP衬底上的In0.53Ga0.47As/InAs非矩形量子阱制备方法为例来说明这种基于铋元素的非矩形III-V族半导体量子阱制备方法：
（1）需要在InP衬底上生长以In0.53Ga0.47As为势垒，In0.53Ga0.47As/InAs为非矩形势阱的量子阱结构；
（2）外延生长采用常规分子束外延方法，先生长In0.53Ga0.47As势垒，再生长InAs作为势阱底，然后再生长In0.53Ga0.47As势垒（如图2中实线所示），生长量子阱过程中打开铋束源快门，铋元素将引起界面处In与Ga元素的互扩散，使量子阱形成非矩形结构（如图2中虚线a和点线b所示）。
通过调节生长温度和生长速率可以调控量子阱界面形状，例如，可以通过增加生长温度或降低生长速率将如图2中点线b所示的量子阱形状调节为如图2中虚线a所示的量子阱形状。
实际生长此非矩形量子阱结构时势阱和势垒都可以按需求重复进行，完成特定量子阱数目的生长，此结构即可用于结构和光学测试，也可直接应用到半导体激光器等器件结构中去。

Claims (2)

1.一种基于铋元素的非矩形III-V族半导体量子阱的制备方法，包括生长III-V族半导体量子阱的势阱材料和势垒材料，其特征在于：所述的势阱材料和势垒材料的生长过程中均加入铋元素，通过调节生长温度和生长速率对III-V族半导体量子阱的界面形状进行调控，所得到的III-V族半导体量子阱为非矩形结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于铋元素的非矩形III-V族半导体量子阱的制备方法，其特征在于：所述的III-V族半导体量子阱为以InP为衬底的In0.53Ga0.47As/InAs材料，其制备方法为先生长In0.53Ga0.47As势垒，然后生长InAs势阱底，再生长In0.53Ga0.47As势垒，生长上述势垒和势阱底的整个过程中均加入铋元素。
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