CN208240685U - 一种InP基InAlAs-InGaAs啁啾超晶格结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种InP基InAlAs‑InGaAs啁啾超晶格结构，该结构由若干个周期的交替生长的InGaAs/InAlAs组成，每个周期内有一层InAlAs和一层InGaAs，其厚度相对于前一个周期以固定的步长分别递增和递减。这种材料结构置于高/低带隙材料界面处可以为载流子在垂直方向的输运提供平滑过渡，降低载流子阻塞效。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种InP基InAlAs/InGaAs分啁啾超晶格结构 (chirpedsuperlattice)，属于半导体材料制造领域。
背景技术
能带裁剪工程是上世纪七十年代初提出的概念，通过对不同能带带隙的半导体材料进行组合、裁剪形成人工改性的半导体材料，使载流子在人工半导体内的运动发生改变，从而获得性能优越的光、电器件。随着外延技术尤其是金属有机气相外延和分子束外延技术的不断进步，在GaAs、InP等衬底上利用各种不同带隙材料组合制备的异质结器件在微波、光电子领域有着广泛的应用，对于推动信息产业的发展起到巨大的推动作用。比如，在GaAs基的InGaAs/AlGaAs高电子迁移率晶体管(PHEMT)结构中，电子从高带隙的掺杂AlGaAs势垒层转移到低带隙的InGaAs沟道层中形成二维电子气。由于量子限制的作用，电子只能在沟道层平面内输运，同时因为远离电离杂质的散射，电子可以有很高的迁移率。而在InP基的InGaAs/InP异质结双极晶体管(HBT)结构中，高带隙的InP作为发射极大大提高了电子的注入效率，作为收集极可以增强器件的击穿性能。在 InP/InAlAs/InGaAs分离吸收倍增雪崩光电二极管(APD)中，光子被低带隙InGaAs层吸收产生光生载流子，载流子输运到高带隙的 InAlAs层发生倍增效应，这种材料组合降低了器件暗电流、增强了击穿性能、提高了响应度。
不同于PHEMT结构中载流子的平面输运，在InP基HBT、APD 器件结构中载流子是沿着垂直方向输运的。虽然高带隙材料在某些方面改善了器件性能，但是对于垂直输运的载流子也存在一个负面影响，那就是：对于第一类异质结界面，当载流子从低带隙材料层输运到高带隙材料层时，高带隙材料会成为势垒阻碍载流子运动，因此在界面处形成载流子聚集，会严重影响器件的高频响应，降低器件的频带宽度。因此，对于高频、高速领域的应用，需要特殊的结构设计以解决载流子阻塞的问题。
实用新型内容
本实用新型的目的是提出一种InAlAs-InGaAs啁啾超晶格材料结构，将这种材料结构置于高/低带隙材料界面处可以为载流子在垂直方向的输运提供平滑过渡，降低载流子阻塞效应。
为达到上述目的，本实用新型采取以下的技术方案为一种InP基 InAlAs-InGaAs啁啾超晶格结构，在低带隙材料1和高带隙材料3之间插入由若干个周期生长而成的InAlAs/InGaAs啁啾超晶格2， InAlAs/InGaAs啁啾超晶格2的总厚度为200-600埃，InAlAs/InGaAs 啁啾超晶格2由交替生长的InAlAs层和InGaAs层组成。
InAlAs/InGaAs啁啾超晶格2包含10-20个周期。
在InP基HBT和APD器件结构中，InP、InAlAs为高带隙材料，其中InP带隙为1.34eV，InAlAs带隙为1.45eV，InGaAs为低带隙材料，其带隙为0.75eV。在高、低带隙材料之间插入一个几百埃厚的 InAlAs/InGaAs啁啾超晶格，为载流子的运动提供一个准连续的平滑过渡层。InAlAs/InGaAs分啁啾超晶格的总厚度为200-600埃，由交替生长的InAlAs层和InGaAs层组成。整个超晶格包含10-20个周期，每个周期由一个InAlAs单层和一个InGaAs单层构成。每个周期的厚度固定，根据超晶格总厚度需要以及外延生长技术的要求，周期厚度在20-30埃之间。在外延生长中，每个周期内的InAlAs层和InGaAs 层厚度相对于前一个周期以某个固定的步长分别递增和递减。这样， InAlAs和InGaAs层厚度在超晶格的两端各自达到自己的最大值和最小值。
在InAlAs/InGaAs超晶格结构中，低带隙的InGaAs层作为量子阱，其厚度远小于电子的德布罗意波长，因此会发生量子限制效应，在InGaAs层形成分立的量子限制能级。能级的高低与InGaAs的厚度相关，InGaAs量子阱越厚，能级越低。另外，由于短周期的啁啾超晶格中作为势垒的InAlAs层厚度极薄，相邻InGaAs量子阱的电子波函数有很大的交叠，相邻InGaAs量子阱会发生强烈耦合，分立的能级会延展成为微能带。因此，当电子从啁啾超晶格一端运动到另一端时，它感受到的是一个由低到高(或者由高到低，取决于运动方向) 准线性、准连续变化的势场。所以，将这样一个啁啾超晶格置入高/ 低带隙材料界面处，可以为电子运动提供平滑过渡，减小阻塞效应，提高高频响应。
附图说明
图1一种InP基InAlAs/InGaAs分啁啾超晶格结构示意图。
图中：1、低带隙材料，2、InAlAs/InGaAs啁啾超晶格，3、高带隙材料。
图2是各层材料相对应的导带边势能排列。
图中：4、InGaAs导带边，5、InAlAs导带边，6、在InGaAs/InAlAs 啁啾超晶格中形成的准连续微能带。
具体实施方式
结合附图对本实用新型做进一步说明。
在InGaAs/InP分立吸收倍增式APD结构中，InGaAs是光吸收区，InP是倍增区，光生载流子从吸收区向倍增区运动时，在低带隙吸收区和高带隙倍增区之间需要一个势能平滑过渡区以便迅速进入倍增区。因此，可以在InGaAs，InP材料层插入一个啁啾超晶格作为过渡区。
如图1，在外延生长InGaAs吸收区之后，接着生长一个 InGaAs/InAlAs啁啾超晶格，超晶格总厚度为300埃，一个周期为20 埃厚。第一个周期，InGaAs/InAlAs起始厚度为17/3埃。以后每个周期，InGaAs/InAlAs的厚度分别递减/递增1埃，即：17/3、16/4、15/5……5/15、4/16、3/17，共15个周期。在InGaAs/InAlAs啁啾超晶格生长完成之后接着生长InP电荷控制区和倍增区。
如图2所示，在这样的InGaAs/InAlAs啁啾超晶格内形成一个连接左边InGaAs低带隙和右边InP高带隙的准连续能带，减小载流子阻塞效应。
Claims (2)
1.一种InP基InAlAs-InGaAs啁啾超晶格结构，其特征在于：在低带隙材料(1)和高带隙材料(3)之间插入由若干个周期生长而成的InAlAs/InGaAs啁啾超晶格(2)，InAlAs/InGaAs啁啾超晶格(2)的总厚度为200-600埃，InAlAs/InGaAs啁啾超晶格(2)由交替生长的InAlAs层和InGaAs层组成。
2.根据权利要求1所述的一种InP基InAlAs-InGaAs啁啾超晶格结构，其特征在于：InAlAs/InGaAs啁啾超晶格(2)包含10-20个周期。
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