CN1624996A - 高铟组分镓砷/铟镓砷量子阱结构及其制备方法 - Google Patents

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徐晓华
倪海桥
徐应强
韩勤
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Abstract

一种高铟组分镓砷/铟镓砷量子阱结构，其中包括：一过渡层，在衬底表面形成完整晶体表面；一第一势垒层，形成对载流子的能量势垒，该第一势垒层制作在过渡层上面；一量子阱层，起到将发光载流子限制在该层内的作用，该量子阱层制作在势垒层上面；一第二势垒层，形成与上势垒层对称的能量势垒，该第二势垒层制作在量子阱层上面；一表面覆盖保护层，用于保护量子阱结构，和制备接触电极，该表面覆盖保护层制作在第二势垒层上面。

Description

高铟组分镓砷/铟镓砷量子阱结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体化合物材料镓砷/铟镓砷(GaAs/InxGa1-xAs)量子阱结构及其外延生长的制备方法，特别涉及能够获得发光波长大于1.2微米(μm)、In/Ga组分比例x＞40％的GaAs/InxGa1-xAs量子阱结构的分子束外延生长新方法。
背景技术
GaAs/InxGa1-xAs/GaAs量子阱材料是一种近红外波段发光的、用于制备各种光电子器件的核心半导体材料。由于GaAs/InGaAs/GaAs是大失配应变材料，在临界厚度(大于临界厚度则应力释放，外延层晶体产生位错缺陷)范围内，InGaAs层中In的组分较小，其核心工作发光波长一般均小于1.1微米。大应变高In组分InGaAs量子阱结构的生长有较大的困难。然而提高In组分，可以使其发光波长拓宽至1.2微米以上，如果进一步结合Sb、N等元素则可以获得光纤通讯波段1.3-1.55微米的高质量GaAs基发光材料。而这种GaAs基长波长近红外波段发光材料与目前普遍商用光通讯长波长InGaAsP/InP器件相比，具有折射率差异大、对有源区载流子强、温度稳定性好、易于制备垂直腔运作器件、易于实现大规模功能化集成等优点，从而极大提高通讯系统的容量、速率和可靠性。将成为制备高速、大容量光通讯系统中的光传输、互联、存储等各种核心光电子器件的核心材料。因此如何生长制备出高In组分GaAs/InGaAs/GaAs量子阱材料，是目前国际上的研发热点。
目前高In组分InGaAs量子阱不仅在结构设计上有差别，制备技术工艺参数也有不同。表征量子阱In含量大小的判据多为X光衍射和光荧光谱线，而量子阱材料发光效率的高低主要测试手段是光荧光(PL)谱的半高宽(FWHM，其参数值越小，质量越好)，特别是室温下光荧光谱半峰宽的大小直接和器件的实际应用效果相对应。目前1.2微米波段以上室温下发光的GaAs/InGaAs/GaAs量子阱其In含量大约在38％以下，PL谱的半高宽FWHM一般均在40meV。如Nelson Tansu等人采用了复杂的气相分子束外延(GSMBE)，设计了GaAsP应变缓冲层等，厚度6纳米(nm)的In0.4Ga0.6As其PL谱发光峰位于1210纳米。FWHM约40meV(App1.Phys.Lett.82，4038(2003))。而L.W.Sun等人也采用GSMBE技术，得到8.8纳米厚的In0.38Ga0.62As量子阱，其发光波长为1244纳米，(App1.Phys.Lett.83，2564(2003))。如何采用最简便的生长技术，进一步提高In含量，获得1.2微米以上发光的量子阱材料是研究的主要目标。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种高铟组分镓砷/铟镓砷量子阱结构及其制备方法，其是提出GaAs/InGaAs/GaAs量子阱高In组分结构的一种外延层结构及生长这种结构的分子束外延技术参数，可以在保障外延层晶体质量，保障量子阱具有较高发光效率的前提下，极大地提高In组分大于40％，拓展其发光波长至1.2微米以上。同时采用的生长技术是简便和常规的分子束外延生长技术。
为实现上述目的，本发明一种高铟组分镓砷/铟镓砷量子阱结构，其特征在于，其中包括：
一过渡层，在衬底表面形成完整晶体表面；
一第一势垒层，形成对载流子的能量势垒，该第一势垒层制作在过渡层上面；
一量子阱层，起到将发光载流子限制在该层内的作用，该量子阱层制作在势垒层上面；
一第二势垒层，形成与上势垒层对称的能量势垒，该第二势垒层制作在量子阱层上面；
一表面覆盖保护层，用于保护量子阱结构，和制备接触电极，该表面覆盖保护层制作在第二势垒层上面。
其中的过渡层为GaAs材料，厚度为300-500纳米。
其中所述第一势垒层为厚度20纳米的GaAs势垒层。
其中所述量子阱层为7纳米、In含量在40％-50％之间可变的InGaAs层。
本发明一种高铟组分镓砷/铟镓砷量子阱结构的分子束外延生长方法，其特征在于，制备步骤如下：
1)、选择GaAs为衬底，在常规衬底温度下生长过渡层，在生长下一层之前降低衬底温度；
2)、在GaAs过渡层上生长形成第一势垒层；
3)、在GaAs势垒层上生长量子阱层，InAs和GaAs生长速率按照其组分比例确定；
4)、在InGaAs量子阱层上生长第二势垒层；
5)、在GaAs势垒层上继续生长表面保护层。
其中步骤1)所述的过渡层为GaAs材料，厚度为300-500纳米。
其中步骤2)所述的第一势垒层为GaAs材料，厚度为20纳米。
其中步骤3)所述的量子阱层为In0.42Ga0.58As材料，厚度为7纳米。
其中步骤4)所述的第二势垒层为GaAs材料。
其中步骤5)所述的表面保护层为GaAs材料，厚度为20-40纳米。
具体实施方式
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例对本发明作一详细的描述：
本发明是设计了一种波长大于1.2微米的GaAs/InGaAs/GaAs单量子阱或多量子阱的外延层结构；
表一为高铟组分镓砷/铟镓砷量子阱结构
  层数 外延层名称     厚度(nm)   循环次数
  第五层 GaAs覆盖     20
  第四层 GaAs第二势垒     20 n
  第三层 InGaAs量子阱     7
  第二层 GaAs第一势垒     20
  第一层 GaAs过度     300～500
}
注：其中n＝ 1，2，3：
循环次数n＝1时，代表次结构为单量子阱结构；
循环次数n＝2时，代表次结构为双量子阱结构；
循环次数n＝3时，代表次结构为三量子阱结构；
请参阅表一，本发明一种高铟组分镓砷/铟镓砷量子阱结构，其中包括：
一过渡层，在衬底表面形成完整晶体表面，该过渡层为GaAs材料，厚度为300-500纳米；
一第一势垒层，形成对载流子的能量势垒，该第一势垒层制作在过渡层上面，该第一势垒层为厚度20纳米的GaAs势垒层；
一量子阱层，起到将发光载流子限制在该层内的作用，该量子阱层制作在势垒层上面，该量子阱层为7纳米、In含量在40％-50％之间可变的InGaAs层；
一第二势垒层，形成与上势垒层对称的能量势垒，该第二势垒层制作在量子阱层上面；
一表面覆盖保护层，用于保护量子阱结构，和制备接触电极，该表面覆盖保护层制作在第二势垒层上面。
本发明一种高铟组分镓砷/铟镓砷量子阱结构的分子束外延生长方法，其特征在于，制备步骤如下：
1)、选择GaAs为衬底，在常规衬底温度下生长过渡层(表1中的第一层)，在生长下一层之前降低衬底温度，过渡层为GaAs材料，厚度为300-500纳米；
2)、在GaAs过渡层上生长形成第一势垒层(表1中的第二层)，该第一势垒层为GaAs材料，厚度为20纳米；
3)、在GaAs势垒层上生长量子阱层(表1中的第三层)，InAs和GaAs生长速率按照其组分比例确定，该量子阱层为In0.42Ga0.58As材料，厚度为7纳米；
4)、在InGaAs量子阱层上生长第二势垒层(表1中的第四层)，该第二势垒层为GaAs材料；
5)、在GaAs势垒层上继续生长表面保护层(表1中的第五层)，该表面保护层为GaAs材料，厚度为20-40纳米。
实施例
本发明的实施例是给出其分子束外延生长制备的关键技术方法，并给出了一种采用上述的发明为核心的一种激光器结构。实现本发明的制备技术可以采用分子束外延或有机金属化合物气相外延技术。在分子束外延技术中，第一步要生长GaAs过度层，采用GaAs常用衬底温度和适当的生长速率，第二步衬底温度降低一定的幅度，稳定后生长GaAs势垒层，生长速率不变。第三步在同样的衬底温度下，用合适的生长速率生长InGaAs量子阱层。第二至第三步可以重复1-3次，从而获得单量子阱、双量子阱或三量子阱结构。第四步衬底温度不变，生长GaAs势垒层。第五步可以在衬底温度不变的条件下生长覆盖层，也可以升温生长。
表二：量子阱激光器结构
  层数     外延层     注解
    11     Be doped P+1～2×1019，300nm～500nm，GaAs   掺Be接触层
    10     Be doped P+1～3×1018，1500nm，Al0.4Ga0.6As   掺Be波导层
    9     120nm～150nm，x＝0.3～0.4，Al0.4Ga0.6As   Al组分线性变化
    8   2nm Al0.3Ga0.7As   20个周期超晶格
  1nm GaAs
    7     20nm～40nm，GaAs   过渡层提升衬底温度
    6   20nm，GaAs   3周期量子阱层
  7nm，InGaAs
20×{3×{
    5       20nm～40nm，GaAs     过渡层降低衬底温度
    4   2nm Al0.3Ga0.7As   20个周期超晶格
  1nm GaAs
    3       120nm～150nm，x＝0.4～0.3，Al0.4Ga0.6As   Al组分线性变化
    2       Si doped N+1～3×1018，1500nm，Al0.4Ga0.6As   掺Si波导层
    1       Si doped N+3～5×1018，300nm-500nm，GaAs   掺Si过渡层
20×{
请参阅表二
表二是应用本发明高铟组分镓砷/铟镓砷量子阱结构设计的一种长波长量子阱激光器示例。
本发明的核心思想是提出了一种大In组分InGaAs/GaAs量子阱外延层结构，以及实现这一外延结构的分子束外延生长技术(表一)。优化分子束外延生长条件，精确控制量子阱的组分、外延层厚度等，可以实现室温下1.2微米以上的长波长发光，其室温下光荧光发光效率显著提高，室温PL谱半峰宽小于33meV。这种长波长材料可以用于制备高性能激光器(表二)。将其进一步结合Sb和N元素，可以进一步拓展发光波长至1.3-1.55微米波段，为进一步开发多种功能的近红外波段长波长光电子器件奠定基础。
表二文字说明：
第一层GaAs过渡层(表二中的1)，在这层中要掺杂Si元素使之成为N型，浓度为3-5E 18cm3，厚度为300-500纳米。
第二层生长Al0.4Ga0.6As波导层(表二中的2)，掺杂Si元素使之成为N型，浓度为1-3E18cm3，厚度为1500纳米。
第三层生长AlGaAs层(表二中的3)，其中Al的组分从40％-30％线性减小，厚度为120-150纳米。
第四层生长Al0.3Ga0.7As/GaAs的超晶格层(表二中的4)，厚度周期为3纳米，共20个周期。
第五层生长GaAs过渡层(表二中的5)，厚度为20-40纳米。
第六层生长InGaAs/GaAs量子阱(表二中的6)，厚度周期为27纳米。其中In含量40％-50％之间可变。周期数为1-3，得到单量子阱、双量子阱和三量子阱结构。
第七层生长GaAs过渡层(表二中的7)，厚度为20-40纳米。
第八层生长Al0.3Ga0.7As/GaAs超晶格层(表二中的8)，厚度周期为3纳米，共20个周期。
第九层生长AlGaAs过渡层(表二中的9)，其中Al组分从30％-40％线性增加，厚度为120-150纳米。
第十层生长Al0.4Ga0.6As波导层(表二中的10)，掺杂Be元素使之成为P型，浓度为1-3E 18cm3，厚度为1400-1600纳米。
第十一层生长GaAs接触层(表二中的11)，掺杂Be元素使之成为P型，浓度为1-2E 19cm3，厚度为300-500纳米。

Claims (10)

1、一种高铟组分镓砷/铟镓砷量子阱结构，其特征在于，其中包括：
一过渡层，在衬底表面形成完整晶体表面；
一第一势垒层，形成对载流子的能量势垒，该第一势垒层制作在过渡层上面；
一量子阱层，起到将发光载流子限制在该层内的作用，该量子阱层制作在势垒层上面；
一第二势垒层，形成与上势垒层对称的能量势垒，该第二势垒层制作在量子阱层上面；
一表面覆盖保护层，用于保护量子阱结构，和制备接触电极，该表面覆盖保护层制作在第二势垒层上面。
2、按权利要求1所述的高铟组分镓砷/铟镓砷量子阱结构，其特征在于，其中的过渡层为GaAs材料，厚度为300-500纳米。
3、按权利要求1所述的高铟组分镓砷/铟镓砷量子阱结构，其特征在于，其中所述第一势垒层为厚度20纳米的GaAs势垒层。
4、按权利要求1所述的高铟组分镓砷/铟镓砷量子阱结构，其特征在于，其中所述量子阱层为7纳米、In含量在40％-50％之间可变的InGaAs层。
5、一种高铟组分镓砷/铟镓砷量子阱结构的分子束外延生长方法，其特征在于，制备步骤如下：
1)、选择GaAs为衬底，在常规衬底温度下生长过渡层，在生长下一层之前降低衬底温度；
2)、在GaAs过渡层上生长形成第一势垒层；
3)、在GaAs势垒层上生长量子阱层，InAs和GaAs生长速率按照其组分比例确定；
4)、在InGaAs量子阱层上生长第二势垒层；
5)、在GaAs势垒层上继续生长表面保护层。
6、根据权利要求5所述的高铟组分镓砷/铟镓砷量子阱结构的分子束外延生长方法，其特征在于，其中步骤1)所述的过渡层为GaAs材料，厚度为300-500纳米。
7、根据权利要求5所述的高铟组分镓砷/铟镓砷量子阱结构的分子束外延生长方法，其特征在于，其中步骤2)所述的第一势垒层为GaAs材料，厚度为20纳米。
8、根据权利要求5所述的高铟组分镓砷/铟镓砷量子阱结构的分子束外延生长方法，其特征在于，其中步骤3)所述的量子阱层为In0.42Ga0.58As材料，厚度为7纳米。
9、根据权利要求5所述的高铟组分镓砷/铟镓砷量子阱结构的分子束外延生长方法，其特征在于，其中步骤4)所述的第二势垒层为GaAs材料。
10、根据权利要求5所述的高铟组分镓砷/铟镓砷量子阱结构的分子束外延生长方法，其特征在于，其中步骤5)所述的表面保护层为GaAs材料，厚度为20-40纳米。
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