CN104073876B - 一种提高异质材料界面质量的分子束外延生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提高异质材料界面质量的分子束外延生长方法，在分子束外延生长异质材料时，先关闭生长前一层材料所需的所有快门，经过t秒后再打开生长后一层材料所需的所有快门，即可；其中，0<t≤0.5。本发明克服快门机械移动过程引起的异质材料界面问题，使异质材料具有更优的异质界面质量，可用于制备多量子阱、超晶格、量子级联激光器等多种结构，具有广泛的应用前景。

Description

一种提高异质材料界面质量的分子束外延生长方法
技术领域
本发明属于半导体材料生长领域，特别涉及一种提高异质材料界面质量的分子束外延生长方法。
背景技术
上世纪六七十年代以来，量子阱、超晶格等量子结构理论的发展推动半导体能带工程的广泛应用。分子束外延、化学气相沉积、原子层沉积等半导体薄膜材料现代生长技术的发展并日臻完善，更是使得各种新型半导体材料和器件的发展日新月异，在微电子和光电子的众多领域发挥了重要作用。
例如，1994年发明的量子级联激光器就是半导体薄膜材料生长技术和半导体能带工程结合的典型例子，是激光器发展史上的一个里程碑。量子级联激光器是一种子带间跃迁的单极性激光器，由多层薄膜材料组成的类似超晶格结构构成激光器的有源区结构，激光器的波长主要由有源区多层薄膜材料的厚度决定。所以有源区多层材料的控制精度和材料质量对量子级联激光器的性能起着至关重要的作用。量子级联激光器的研究最早主要基于与InP衬底晶格匹配的InGaAs/InAlAs材料体系开展，与InP衬底晶格匹配的InGaAs/InAlAs量子级联激光器激射波长主要处于6-10微米波段，而相对InP衬底应变补偿的InGaAs/InAlAs量子级联激光器的激射波长则可以覆盖3-6微米波段。有源区的每个周期一般包含20-30层超薄InGaAs/InAlAs材料，最薄的可能只有几埃，约为一个原子层。而有源区包含的周期数为20-100，所以整个有源区的层数就会达到几百至几千层。InGaAs/InAlAs异质材料界面的质量会影响到界面散射等过程，是影响激光器器件性能的关键核心因素。
在常规的分子束外延生长异质材料过程中，一般在关闭生长前一层材料所需快门的同时打开生长后一层材料所需的快门。例如，在生长InGaAs/InAlAs量子级联激光器有源区材料时，在生长完InGaAs、马上生长InAlAs材料时，同时关闭Ga束源炉快门和打开Al束源炉快门，而保持In束源炉快门一直打开。束源炉快门的开关是依靠快门的机械移动完成的，这种机械移动过程需要一定的时间，一般约0.1-0.5秒，在快门移动过程中会影响源炉束流到达样品表面的量，从而影响异质界面的质量。如在InGaAs/InAlAs界面处，关闭Ga快门和打开Al快门同时进行，在快门移动过程中存在一个短时间Ga和Al的快门均开了一部分，这样在界面处会明显形成一层InAlGaAs材料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种提高异质材料界面质量的分子束外延生长方法，该方法克服快门机械移动过程引起的异质材料界面问题，使异质材料具有更优的异质界面质量，可用于制备多量子阱、超晶格、量子级联激光器等多种结构，具有广泛的应用前景。
本发明的一种提高异质材料界面质量的分子束外延生长方法，在分子束外延生长异质材料时，先关闭生长前一层材料所需的所有快门，经过t秒后再打开生长后一层材料所需的所有快门，即可；其中，0<t≤0.5。
所述异质材料为InGaAs/InAlAs、InGaP/InAlP或InGaAs/AlGaAs。
所述异质材料用于多量子阱、超晶格或量子级联激光器结构。
异质材料为InGaP/InAlP，在生长完InAlP后关闭In和Al束源炉的快门，经过0.3秒后再打开In和Ga束源炉的快门。
异质材料为InGaAs/InAlAs，在生长完InGaAs后关闭In和Ga束源炉的快门，经过0.5秒后再打开In和Al束源炉的快门。
有益效果
本发明克服快门机械移动过程引起的异质材料界面问题，使异质材料具有更优的异质界面质量，可用于制备多量子阱、超晶格、量子级联激光器等多种结构，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明的方法示意图；
图2是实施例1中InGaP/InAlP多量子阱快门开关示意图；
图3是实施例2中的InGaAs/InAlAs超晶格快门开关示意图；
图4是实施例2中采用本发明方法制备的超晶格和常规方法制备超晶格的室温光致发光图。
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
要提高分子束外延生长InGaP/InAlP多量子阱区域InGaP/InAlP异质界面质量，采用如下方法：
1、先生长InAlP势垒层，在生长完InAlP材料后，同时关闭In和Al束源炉的快门，停止生长InAlP材料。
2、维持0.3秒时间。
3、同时打开In和Ga束源炉的快门，开始生长InGaP势阱材料。
4、生长完InGaP材料后，同时关闭In和Ga束源炉的快门，停止生长InGaP材料。
5、再次维持0.3秒时间。
6、再次同时打开In和Ga束源炉的快门，开始生长InAlP材料，如此循环，完成InGaP/InAlP多量子阱的生长。
实施例2
要提高分子束外延生长InGaAs/InAlAs应变补偿超晶格中InGaAs/InAlAs异质界面质量，采用如下方法：
1、先生长6nm厚的In0.38Al0.62As作为超晶格的垒层，然后同时关闭In和Al束源炉的快门，停止生长In0.38Al0.62As材料。
2、维持0.5秒时间。
3、然后同时打开In和Ga束源炉的快门，开始生长In0.64Ga0.36As材料，生长厚度10nm。
4、生长完In0.64Ga0.36As材料后，同时关闭In和Ga束源炉的快门，停止生长In0.64Ga0.36As材料。
5、再次维持0.5秒时间。
6、再次同时打开In和Al束源炉的快门，开始生长In0.38Al0.62As材料，如此循环，重复40周期，完成In0.64Ga0.36As/In0.38Al0.62As应变补偿超晶格材料的生长。
7、如图4所示，采用此生长方法生长的样品室温光致发光强度大大强于常规方法生长的参考样品室温光致发光强度，说明采用本发明的生长方法可以很好地提高异质材料界面质量。

Claims (5)

1.一种提高异质材料界面质量的分子束外延生长方法，其特征在于：
在分子束外延生长异质材料时，先关闭生长前一层材料所需的所有快门，经过t秒后再打开生长后一层材料所需的所有快门，即可；其中，0<t≤0.5。
2.根据权利要求1所述的一种提高异质材料界面质量的分子束外延生长方法，其特征在于：所述异质材料为InGaAs/InAlAs、InGaP/InAlP或InGaAs/AlGaAs。
3.根据权利要求1所述的一种提高异质材料界面质量的分子束外延生长方法，其特征在于：所述异质材料用于多量子阱、超晶格或量子级联激光器结构。
4.根据权利要求1所述的一种提高异质材料界面质量的分子束外延生长方法，其特征在于：异质材料为InGaP/InAlP，在生长完InAlP后关闭In和Al束源炉的快门，经过0.3秒后再打开In和Ga束源炉的快门。
5.根据权利要求1所述的一种提高异质材料界面质量的分子束外延生长方法，其特征在于：异质材料为InGaAs/InAlAs，在生长完InGaAs后关闭In和Ga束源炉的快门，经过0.5秒后再打开In和Al束源炉的快门。
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