CN109217109B - 基于数字合金势垒的量子阱结构、外延结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种基于数字合金势垒的量子阱结构、外延结构及其制备方法，该基于数字合金势垒的量子阱结构包括：阱层和势垒层，阱层为体材料结构；势垒层分别形成于阱层的上下表面上，其为数字合金结构。本公开提供的基于数字合金势垒的量子阱结构、外延结构及其制备方法中量子阱结构中势垒层采用数字合金结构，阱层采用体材料结构，此种量子阱结构结合了数字合金和体材料两者的优势：数字合金的能带区别于体材料的能带，更大的电子带阶和空穴带阶可以更有效地将电子和空穴限制在阱内，减小了载流子的泄露，提高了量子效率。

Description

基于数字合金势垒的量子阱结构、外延结构及其制备方法
技术领域
本公开涉及半导体光电子材料技术领域，尤其涉及一种基于数字合金势垒的量子阱结构、外延结构及其制备方法。
背景技术
在半导体激光器结构中引入量子阱结构构成量子阱激光器已经有数十年的历史。引入量子阱结构之后，相比于之前异质结结构，激光器各方面性能都有大幅度提升，目前已经得到了广泛的应用。目前中红外GaSb基半导体结构主要是量子阱结构，其生长的方式有金属有机物气相外延(MOCVD)，分子束外延(MBE)等。
对于半导体量子阱激光器的量子阱来说，通常的量子阱结构可以是单量子阱、双量子阱以及三量子阱结构。图1-3分别显示了单量子阱、双量子阱以及三量子阱的示意图。由图可知量子阱是两个宽带隙的材料(势垒)将窄带隙的材料(阱)夹在中间，形成三明治结构。由于能带差异，电子和空穴被限制在量子阱中。当量子阱导带中的电子与价带中的电子发生复合时，就会释放一个光子，从而发光，如图4所示。发光的波长与阱的材料、阱的应力和阱的厚度均有关。
然而，在实现本公开的过程中，本申请发明人发现，传统的III-V族量子阱结构电子带阶和空穴带阶较小，容易发生载流子泄露；并且在生长过程中V族元素(尤其是As)不稳定容易引发生长波动和生长缺陷；同时含有量子阱结构的器件在生长过程中，其它层的缺陷容易蔓延到有源区(量子阱)中，导致器件性能降低。
公开内容
(一)要解决的技术问题
基于上述技术问题，本公开提供一种基于数字合金势垒的量子阱结构、外延结构及其制备方法，以缓解传统的III-V族量子阱结构电子带阶和空穴带阶较小，容易发生载流子泄露；并且在生长过程中V族元素不稳定容易引发生长波动和生长缺陷；同时含有量子阱结构的器件在生长过程中，其它层的缺陷容易蔓延到有源区(量子阱)中，导致器件性能降低的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供一种基于数字合金势垒的量子阱结构，包括：阱层，其为体材料结构；以及势垒层，分别形成于所述阱层的上下表面上，其为数字合金结构。
在本公开的一些实施例中，所述阱层包含InGaSb体材料或InGaAsSb体材料。
在本公开的一些实施例中，所述势垒层包含：二元材料AlSb/GaSb/AlAs、三元材料AlAsSb/GaAsSb/InAsSb或所述二元材料和所述三元材料的结合。
根据本公开的另一个方面，还提供一种基于数字合金势垒的量子阱外延结构，其由下至上依次包括：衬底缓冲层，用于缓冲应力，避免应力释放；有源区，形成于所述衬底缓冲层上，其由下至上依次包含有五个本公开提供的基于数字合金势垒的量子阱结构，其中，相邻的两个阱层共用一个势垒层；以及保护盖层，形成于所述有源区中最上层的所述势垒层上。
在本公开的一些实施例中，所述有源区中与所述衬底缓冲层相邻的所述势垒层包含多层特定生长时序的周期性结构，每个所述周期性结构的厚度介于2nm至5nm之间。
在本公开的一些实施例中，其中：所述势垒层的所述数字合金结构为Al0.5Ga0.5As0.04Sb0.96，所述周期性结构由下至上依次为：AlSb层，其厚度介于0.6nm至1.5nm之间；AlAs层，其厚度介于0.1nm至0.3nm之间；AlSb层，其厚度介于0.6nm至1.5nm之间；以及GaSb层，其厚度介于0.7nm至1.7nm之间。
在本公开的一些实施例中，所述势垒层的所述数字合金结构为Al0.5Ga0.2In0.3As0.3Sb0.7，所述周期性结构由下至上依次为：AlAsSb层，其厚度介于1nm至2nm之间；InAsSb层，其厚度为0.4nm至1nm之间；以及GaAsSb层，其厚度为0.6nm至2nm之间。
在本公开的一些实施例中，所述衬底缓冲层包括：GaSb衬底层；以及GaSb缓冲层，形成于所述GaSb衬底层上，该GaSb缓冲层上形成有所述有源区。
在本公开的一些实施例中，其中：所述GaSb缓冲层的厚度介于40nm至60nm之间；所述阱层的厚度介于8nm至10nm之间；所述有源区中与所述GaSb缓冲层相邻的所述势垒层的厚度介于80nm至120nm之间；所述有源区中其余的所述势垒层的厚度介于10nm至30nm之间；所述保护盖层的厚度介于2nm至4nm之间。
根据本公开的再一个方面，还提供一种基于数字合金势垒的量子阱外延结构的制备方法，在GaSb衬底上制备，包括：步骤A：选择合适的体材料作为阱层材料，选择合适的数字合金材料作为势垒层材料；步骤B：对GaSb衬底进行除气脱氧处理后，在其上生长GaSb缓冲层；步骤C：在所述GaSb缓冲层上生长一层包含特定生长时序的势垒层，该势垒层的生长时序与GaSb衬底晶格匹配；步骤D：设置阱层的生长温度为Tc+110℃，在步骤C中得到的包含特定生长时序的所述势垒层上依次采用分子束外延方式生长阱层，以及采用数字合金生长方式生长势垒层，形成五个量子阱结构，其中，Tc为生长过程中确定的GaSb的再构温度；步骤E：在步骤D得到的最上层的势垒层上生长GaSb保护盖层。
在本公开的一些实施例中，其中：所述步骤A中：在1.7μm至3.7μm发光波段，根据能带计算并考虑应变的影响确定阱层的组分；所述步骤C中，通过XRD测试，包含特定生长时序的所述势垒层的角度与GaSb偏差±200角秒。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的基于数字合金势垒的量子阱结构、外延结构及其制备方法具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)区别于传统的III-V族量子阱结构(势垒和势阱均采用体材料)，本公开提供的量子阱结构中势垒层采用数字合金结构，阱层采用体材料结构，此种量子阱结构结合了数字合金和体材料两者的优势：数字合金的能带区别于体材料的能带，更大的电子带阶和空穴带阶可以更有效地将电子和空穴限制在阱内，减小了载流子的泄露，提高了量子效率；
(2)数字合金组分采用特定的生长时序，避免了生长过程中V族元素，尤其是As不稳定带来的生长波动和生长缺陷；
(3)数字合金属于短周期超晶格，周期性结构的超晶格结构可以有效地作为缺陷的阻挡层，避免含有量子阱结构器件生长中其它层的缺陷蔓延到有源区(量子阱)中；
(4)数字合金生长过程采用GaSb二元材料可以缓冲应力，有效地避免应力释放，避免应力缺陷的产生；
(5)通过在阱层中增加As组分，可以在更大范围内调整量子阱的发光波长。
附图说明
图1为现有技术中的单量子阱能带示意图。
图2为现有技术中的双量子阱能带示意图。
图3为现有技术中的三量子阱能带示意图。
图4为现有技术中的量子阱电子空穴复合发光示意图。
图5为本公开实施例提供的采用AlGaAsSb数字合金势垒层，InGaSb体材料阱层的量子阱能带示意图。
图6为本公开实施例提供的基于数字合金势垒的量子阱外延结构示意图。
图7为本公开实施例提供的另一种基于数字合金势垒的量子阱外延结构示意图。
图8为本公开实施例提供的基于数字合金势垒的量子阱外延结构的制备方法的流程示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
10-阱层；
20-势垒层；
21-周期型结构；
211-AlSb层；
212-AlAs层；
213-GaSb层；
214-AlAsSb层；
215-InAsSb层；
216-GaAsSb层；
30-衬底缓冲层；
31-GaSb衬底层；
32-GaSb缓冲层；
40-有源区；
50-保护盖层。
具体实施方式
本公开实施例提供的基于数字合金势垒的量子阱结构、外延结构及其制备方法采用数字合金为量子阱的势垒层，体材料作为量子阱的阱层，可以克服常规生长过程中由于As不稳定导致势垒层与阱层之间应变不同带来的发光波长不可控的问题，为量子阱的发光波长精确调控带来好处。本公开实施例提供的基于数字合金势垒的量子阱结构能够应用在任何采用量子阱的结构中，包括光荧光测试结构、电泵激光器结构以及光泵激光器结构等，具有良好的通用性。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
根据本公开的一个方面，提供一种基于数字合金势垒的量子阱结构，包括：阱层10，其为体材料结构；以及势垒层20，分别形成于阱层10的上下表面上，其为数字合金结构，区别于传统的III-V族量子阱结构(势垒和势阱均采用体材料)，本公开实施例提供的量子阱结构中势垒层20采用数字合金结构，阱层10采用体材料结构，此种量子阱结构结合了数字合金和体材料两者的优势：数字合金的能带区别于体材料的能带，如图5所示，更大的电子带阶和空穴带阶可以更有效地将电子和空穴限制在阱内，减小了载流子的泄露，提高了量子效率。
在本公开的一些实施例中，阱层10包含InGaSb体材料或InGaAsSb体材料。
在本公开的一些实施例中，势垒层20包含：二元材料AlSb/GaSb/AlAs、三元材料AlAsSb/GaAsSb/InAsSb或上述二元材料和三元材料的结合。
根据本公开的另一个方面，还提供一种基于数字合金势垒的量子阱外延结构，如图6至图7所示，其由下至上依次包括：衬底缓冲层30，用于缓冲应力，避免应力释放；有源区40，形成于衬底缓冲层30上，其由下至上依次包含有五个本公开实施例提供的基于数字合金势垒的量子阱结构，其中，相邻的两个阱层10共用一个势垒层20；以及保护盖层50，形成于有源区40中最上层的势垒层20上。
在本公开的一些实施例中，如图6至图7所示，有源区40中与衬底缓冲层30相邻的势垒层20包含多层特定生长时序的周期性结构21，每个周期性结构21的厚度介于2nm至5nm之间，数字合金组分采用特定的生长时序，避免了生长过程中V族元素，尤其是As不稳定带来的生长波动和生长缺陷，同时数字合金属于短周期超晶格，周期性结构21的超晶格结构可以有效地作为缺陷的阻挡层，避免含有量子阱结构器件生长中其它层的缺陷蔓延到有源区40(量子阱)中。
在本公开的一些实施例中，如图6所示，势垒层20的数字合金结构为Al0.5Ga0.5As0.04Sb0.96，周期性结构21由下至上依次为：AlSb层211，其厚度介于0.6nm至1.5nm之间；AlAs层212，其厚度介于0.1nm至0.3nm之间；AlSb层211，其厚度介于0.6nm至1.5nm之间；以及GaSb层213，其厚度介于0.7nm至1.7nm之间。
在本公开的一些实施例中，如图7所示，势垒层20的数字合金结构为Al0.5Ga0.2In0.3As0.3Sb0.7，周期性结构21由下至上依次为：AlAsSb层，其厚度介于1nm至2nm之间；InAsSb层，其厚度为0.4nm至1nm之间；以及GaAsSb层，其厚度为0.6nm至2nm之间。
在本公开的一些实施例中，如图6至图7所示，衬底缓冲层30包括：GaSb衬底层31；以及GaSb缓冲层32，形成于GaSb衬底层31上，该GaSb缓冲层32上形成有有源区40。
在本公开的一些实施例中，其中：GaSb缓冲层32的厚度介于40nm至60nm之间；阱层10的厚度介于8nm至10nm之间；有源区40中与GaSb缓冲层32相邻的势垒层20的厚度介于80nm至120nm之间；有源区40中其余的势垒层20的厚度介于10nm至30nm之间；保护盖层50的厚度介于2nm至4nm之间。
在本公开的一些实施例中，其中：GaSb缓冲层32的厚度为50nm；阱层10的厚度为9nm；有源区40中与GaSb缓冲层32相邻的势垒层20的厚度为100nm；有源区40中其余的势垒层20的厚度为20nm；保护盖层50的厚度为3nm。
在本公开的一些实施例中，如图6所示，势垒层20采用AlGaAsSb数字合金结构，阱层10采用InGaSb体材料结构，与GaSb缓冲层32相邻的势垒层20的数字合金结构为Al0.5Ga0.5As0.04Sb0.96，周期性结构21由下至上依次为：AlSb层211，其厚度为1.3nm；AlAs层212，其厚度为0.2nm；AlSb层211，其厚度为1.3nm；以及GaSb层213，其厚度为1.5nm，量子阱的发光波长与InGaSb的组分、阱宽和InGaSb所受的应变均有关系，通过采用具有稳定生长特点数字合金Al0.5Ga0.5As0.04Sb0.96势垒层20，相比于传统的生长方式，可以有效地控制InGaSb所受的应变，提高量子阱的稳定性，同时数字合金生长过程采用GaSb二元材料可以缓冲应力，有效地避免应力释放，避免应力缺陷的产生。
在本公开的一些实施例中，如图5所示，量子阱外延结构通过短超显格AlSb/AlAs/GaSb周期外延形成的数字合金Al0.5Ga0.5As0.04Sb0.96势垒层20将电子和空穴更有效地限制在体材料InGaSb阱层10中，减小载流子泄露，提高量子效率。
在本公开的一些实施例中，如图7所示，势垒层20采用AlGaInAsSb数字合金结构，阱层10采用InGaSb体材料结构，与GaSb缓冲层32相邻的势垒层20的数字合金结构为Al0.5Ga0.2In0.3As0.3Sb0.7，周期性结构21由下至上依次为：AlAsSb层214，其厚度为1.5nm；InAsSb层215，其厚度为0.6nm；以及GaAsSb层216，其厚度为0.9nm。
在本公开的一些实施例中，阱层10还可以采用InGaAsSb体材料结构，通过在阱层10中增加As组分，可以在更大范围内调整量子阱的发光波长。
根据本公开的另一个方面，还提供一种基于数字合金势垒的量子阱外延结构的制备方法，如图8所示，在GaSb衬底上制备，包括：步骤A：选择合适的体材料作为阱层材料，选择合适的数字合金材料作为势垒层材料；步骤B：对GaSb衬底进行除气脱氧处理后，在其上生长GaSb缓冲层；步骤C：在所述GaSb缓冲层上生长一层包含特定生长时序的势垒层，该势垒层的生长时序与GaSb衬底晶格匹配；步骤D：设置阱层的生长温度为Tc+110℃，在步骤C中得到的包含特定生长时序的所述势垒层上依次采用分子束外延方式生长阱层，以及采用数字合金生长方式生长势垒层，形成五个量子阱结构；其中，Tc为生长过程中确定的GaSb的再构温度；步骤E：在步骤D得到的最上层的势垒层上生长GaSb保护盖层。
在本公开的一些实施例中，其中：步骤A中：在1.7μm至3.7μm发光波段，根据能带计算并考虑应变的影响确定阱层10的组分；步骤C中，通过XRD测试，包含特定生长时序的势垒层20的角度与GaSb偏差±200角秒。
以下以一具体实施例验证本公开实施例提供的基于数字合金势垒的量子阱外延结构的制备方法的有效性：
在本实施例中，势垒层20采用AlGaAsSb数字合金结构，阱层10采用InGaSb体材料结构。
步骤1：根据理论分析和实验确定合适的AlGaAsSb数字合金并与GaSb衬底晶格匹配生长参数(生长材料选择，材料生长时序)，然后根据所需的发光波长确定InGaSb的组分，包括：
子步骤I：确定所需发光波长入，根据能带计算并考虑应变的影响确定阱层10的组分为InxGa(1-x)Sb；
子步骤II：选择势垒层Al组分为0.5，根据晶格匹配计算，势垒层的组分是Al0.5Ga0.5As0.04Sb0.96，选择AlSb、AlAs、GaSb三种二元材料生长，单个周期的生长顺序是AlSb、AlAs、AlSb、GaSb，其中每个AlSb层的厚度为1.3nm，AlAS层的厚度为0.2nm，GaSb层的厚度为1.5nm；
步骤2：对GaSb衬底进行合适的除气脱氧处理之后，生长50nm的GaSb缓冲层；
步骤3：在GaSb缓冲层上采用子步骤II中的生长时序，生长100nm的Al0.5Ga0.5As0.04Sb0.96数字合金；
步骤4选择量子阱的生长温度为Tc+110℃，Tc是在生长过程中确定的GaSb的再构温度，接着采用常规的分子数外延方式生长InxGa(1-x)Sb体材料和采用数字合金生长方式生长AlGaAsSb数字合金构成量子阱，InGaSb的厚度设计为9nm，AlGaAsSb的厚度设计为20nm，该步骤中一共生长五对量子阱结构，每对量子阱结构包含一个AlGaAsSb势垒层，一个InGaSb阱层；
步骤5：最后生长3nm的GaSb保护盖层。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开实施例提供的基于数字合金势垒的量子阱结构、外延结构及其制备方法有了清楚的认识。
综上所述，本公开实施例提供的基于数字合金势垒的量子阱结构、外延结构及其制备方法采用数字合金为量子阱的势垒层，体材料作为量子阱的阱层，从而克服常规生长过程中由于As不稳定导致势垒层与阱层之间应变不同带来的发光波长不可控的问题，为量子阱的发光波长精确调控带来好处。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如前面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、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，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于数字合金势垒的量子阱结构，包括：
阱层，其为体材料结构；以及
势垒层，分别形成于所述阱层的上下表面上，其为数字合金结构；
所述势垒层包含多层特定生长时序的周期性结构，每个所述周期性结构的厚度介于2nm至5nm之间；所述势垒层的所述数字合金结构为Al0.5Ga0.5As0.04Sb0.96，所述周期性结构由下至上依次为：
AlSb层，其厚度介于0.6nm至1.5nm之间；
AlAs层，其厚度介于0.1nm至0.3nm之间；
AlSb层，其厚度介于0.6nm至1.5nm之间；以及
GaSb层，其厚度介于0.7nm至1.7nm之间；
或，所述势垒层的所述数字合金结构为Al0.5Ga0.2In0.3As0.3Sb0.7，所述周期性结构由下至上依次为：
AlAsSb层，其厚度介于1nm至2nm之间；
InAsSb层，其厚度为0.4nm至1nm之间；以及
GaAsSb层，其厚度为0.6nm至2nm之间。
2.根据权利要求1所述的基于数字合金势垒的量子阱结构，所述阱层包含InGaSb体材料或InGaAsSb体材料。
3.一种基于数字合金势垒的量子阱外延结构，其由下至上依次包括：
衬底缓冲层，用于缓冲应力，避免应力释放；
有源区，形成于所述衬底缓冲层上，其由下至上依次包含有五个如上述权利要求1至2中任一项所述的基于数字合金势垒的量子阱结构，其中，相邻的两个阱层共用一个势垒层；以及
保护盖层，形成于所述有源区中最上层的所述势垒层上；
所述有源区中与所述衬底缓冲层相邻的所述势垒层包含多层特定生长时序的周期性结构，每个所述周期性结构的厚度介于2nm至5nm之间；
所述势垒层的所述数字合金结构为Al0.5Ga0.5As0.04Sb0.96，所述特定生长时序的周期性结构由下至上依次为：
AlSb层，其厚度介于0.6nm至1.5nm之间；
AlAs层，其厚度介于0.1nm至0.3nm之间；
AlSb层，其厚度介于0.6nm至1.5nm之间；以及
GaSb层，其厚度介于0.7nm至1.7nm之间；
或，所述势垒层的所述数字合金结构为Al0.5Ga0.2In0.3As0.3Sb0.7，所述周期性结构由下至上依次为：
A1AsSb层，其厚度介于1nm至2nm之间；
InAsSb层，其厚度为0.4nm至1nm之间；以及
GaAsSb层，其厚度为0.6nm至2nm之间。
4.根据权利要求3所述的基于数字合金势垒的量子阱外延结构，所述衬底缓冲层包括：
GaSb衬底层；以及
GaSb缓冲层，形成于所述GaSb衬底层上，该GaSb缓冲层上形成有所述有源区。
5.根据权利要求4所述的基于数字合金势垒的量子阱外延结构，其中：
所述GaSb缓冲层的厚度介于40nm至60nm之间；
所述阱层的厚度介于8nm至10hm之间；
所述有源区中与所述GaSb缓冲层相邻的所述势垒层的厚度介于80nm至120nm之间；
所述有源区中其余的所述势垒层的厚度介于10hm至30nm之间；
所述保护盖层的厚度介于2nm至4nm之间。
6.一种基于数字合金势垒的量子阱外延结构的制备方法，在GaSb衬底上制备，包括：
步骤A：选择体材料作为阱层材料，选择数字合金材料作为势垒层材料；
步骤B：对GaSb衬底进行除气脱氧处理后，在其上生长GaSb缓冲层；
步骤C：在所述GaSb缓冲层上生长一层包含特定生长时序的势垒层，该势垒层的生长时序与GaSb衬底晶格匹配；
步骤D：设置阱层的生长温度为Tc+110℃，在步骤C中得到的包含特定生长时序的所述势垒层上依次采用分子束外延方式生长阱层，以及采用数字合金生长方式生长势垒层，形成五个量子阱结构；
其中，Tc为生长过程中确定的GaSb的再构温度；
步骤E：在步骤D得到的最上层的势垒层上生长GaSb保护盖层；
所述势垒层的所述数字合金结构为Al0.5Ga0.5As0.04Sb0.96，所述特定生长时序的周期性结构由下至上依次为：
AlSb层，其厚度介于0.6nm至1.5nm之间；
AlAs层，其厚度介于0.1nm至0.3nm之间；
AlSb层，其厚度介于0.6nm至1.5nm之间；以及
GaSb层，其厚度介于0.7nm至1.7nm之间；
或，所述势垒层的所述数字合金结构为Al0.5Gao.2In0.3As0.3Sb0.7，所述周期性结构由下至上依次为：
AlAsSb层，其厚度介于1nm至2nm之间；
InAsSb层，其厚度为0.4nm至1nm之间；以及
GaAsSb层，其厚度为0.6nm至2nm之间。
7.根据权利要求6所述的基于数字合金势垒的量子阱外延结构的制备方法，其中：
所述步骤A中：在1.7μm至3.7μm发光波段，根据能带计算并考虑应变的影响确定阱层的组分；
所述步骤C中，通过XRD测试，包含特定生长时序的所述势垒层的角度与GaSb偏差±200角秒。
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