專利名稱：一種包含贗襯底的InP基應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于InP襯底上的半導(dǎo)體材料與器件及其制備領(lǐng)域，特別涉及一種包含贗 襯底的InP基應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)及制備方法。
背景技術(shù)：
InP襯底上的半導(dǎo)體材料與器件已經(jīng)發(fā)展了數(shù)十年，材料生長和器件制備工藝 較為成熟，特別是與InP襯底晶格匹配的材料體系具有設(shè)計和生長較簡單的優(yōu)點，得到 了很好的發(fā)展。例如，可以與InP襯底匹配的以Ina 52A10.48As或InGaAsP為量子勢壘、 Ino.53Ga0 4 As 為量子,I^t1 的 In0 52A10 48As/In0 53Ga0 47&s、InGaAsP/In0 53Ga0 47As 體系量子結(jié) 構(gòu)已經(jīng)廣泛用于各種激光器、光電探測器及其他光電子和電子器件中，特別是此類量子阱 結(jié)構(gòu)的發(fā)光波長可以覆蓋長波光纖通信所需的1. 31 μ m和1. 55 μ m波段而得到了飛速發(fā) 展。應(yīng)用化合物半導(dǎo)體材料構(gòu)成量子結(jié)構(gòu)的方法主要采用各種薄層外延方法，如分子束外 延(MBE)，金屬有機物氣相外延(MOCVD)等。隨著研究的深入，與InP襯底晶格匹配的材料體系在人們設(shè)計量子阱結(jié)構(gòu)的時候 具有許多限制，不能滿足一些新的應(yīng)用需求。與InP襯底晶格匹配材料體系的量子阱結(jié)構(gòu) 在設(shè)計時對于勢壘和勢阱材料組分的可調(diào)余地很小，三元系材料具有確定的組分，四元系 材料在調(diào)節(jié)組分時也局限于固定的晶格常數(shù)而缺少自由度，如果擺脫與InP襯底晶格匹配 的束縛而引入失配材料則可以量子結(jié)構(gòu)和功能的設(shè)計和實現(xiàn)引入了更大的自由度。例如， 短波紅外中波長較長的2-3 μ m波段范圍包含很多氣體分子的特征吸收譜線，在該波段范 圍內(nèi)的單模激光器在高分辨率高靈敏度化學(xué)氣體分析、分子光譜、大氣污染監(jiān)測、泄漏監(jiān) 測、藥物監(jiān)測、醫(yī)學(xué)診斷等方面具有重要的應(yīng)用。同時，該波長范圍的大功率激光器在激光 雷達、遙感成像、防撞系統(tǒng)等方面也有廣闊的應(yīng)用前景。對于工作在此波長范圍的激光器而 言，與GaSb襯底晶格匹配的AlGaAsSb/InGaAsSb量子阱激光器已經(jīng)得到了充分的發(fā)展和較 好的器件性能，但是銻化物體系本身具有難腐蝕、低熱導(dǎo)率等一些弱點，量子級聯(lián)激光器則 由于材料導(dǎo)帶帶階的限制而很難在此波段范圍有所建樹。InP基材料比GaSb基材料具有更 成熟的生長技術(shù)和更成熟更可靠的工藝條件，通過增加InP基InGaAs體系量子阱中In的 組分可以使InGaAs量子阱的發(fā)光波長大于1. 6 μ m，在2_3 μ m波段范圍具有很好的潛力，目 前報道的室溫最長發(fā)光波長達到2. 5 μ m左右。與InP襯底失配的應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)在設(shè)計 時需要考慮應(yīng)變材料的臨界厚度，應(yīng)變量越大則臨界厚度越小，相應(yīng)量子阱層厚受到限制， 所以量子阱發(fā)光波長很難繼續(xù)擴展，例如在InP襯底上直接生長InAs作為勢阱層的量子阱 結(jié)構(gòu)時InAs勢阱不能超過約5nm，對應(yīng)發(fā)光波長約2. 5 μ m。為了獲得更長的發(fā)光波長，需 要控制失配量子阱的總應(yīng)變量，設(shè)計應(yīng)變補償結(jié)構(gòu)是一個主要的途徑，然而若量子勢阱或 勢壘相對襯底的失配度很大則單層勢阱或勢壘的層厚仍受到限制。針對InP基應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)設(shè)計及制備工藝實現(xiàn)存在的問題，有必要對其結(jié)構(gòu)及 制備方法進行創(chuàng)新，使得在InP襯底上生長大應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)變得可行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種包含贗襯底的InP基應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)及 制備方法，本發(fā)明包含贗襯底的InP基應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)既適合于需要采用與InP襯底具有 大應(yīng)變的量子阱的半導(dǎo)體激光器，也適合于其他新型電子或光電子器件，具有很好的通用 性；應(yīng)用此制備方法，為InP基量子結(jié)構(gòu)和功能的設(shè)計和實現(xiàn)引入了更大的自由度。本發(fā)明的一種包含贗襯底的InP基應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)，包括由下而上依次為InP襯 底、與襯底晶格失配的贗襯底以及相對贗襯底應(yīng)變補償?shù)牧孔于褰Y(jié)構(gòu)，其中贗襯底包括組 分連續(xù)漸變緩沖層及單一組分緩沖層。所述的量子阱結(jié)構(gòu)相對InP襯底都具有很大的正失配或都具有很大的負失配，相 對贗襯底應(yīng)變補償。以在InP襯底上生長Ina53Gaa47As為勢壘層、InAs為勢阱層的應(yīng)變Ina53Gaa47As/ InAs量子阱為例，所述贗襯底包括厚度為2. 5 μ m的InxAlhAs組分漸變緩沖層及厚度 為1. 0μ m的Ina8Gaa2As單層緩沖層，其中，0. 52 ≤χ ≤0. 80 ；InAs勢阱層厚度為IOnm, Ina53Gaa47As勢壘層厚度為7匪，量子阱數(shù)目為2。本發(fā)明的一種包含贗襯底的InP基應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)的制備方法，包括(1)在正式生長之前先確定在InP襯底上生長晶格匹配材料的束源爐溫度、襯底 溫度；(2)采用分子束外延法，首先在InP襯底上生長組分連續(xù)漸變的緩沖層；再以結(jié)束 生長時的生長條件生長單一組分的材料作為緩沖層，完成贗襯底的生長；(3)然后在步驟(2)生長完的贗襯底上生長相對贗襯底應(yīng)變補償?shù)牧孔于褰Y(jié)構(gòu)。以在InP襯底上生長以Ina53Gaa47As為勢壘層、InAs為勢阱層的應(yīng)變 In0.53Ga0.47As/InAs量子阱為例，具體步驟如下(1)在正式生長之前先確定在InP襯底上生長晶格匹配Ina52Ala48As和 Ina53Gaa47As的束源爐溫度、襯底溫度；(2) In和Al束源爐的溫度從生長Ina 52A10.48As時的束源爐溫度開始分別以 0. 0020C /s和0. 0040C /s的變溫速率同時上升18°C和下降36°C的生長條件直接生長厚 度為2. 5 μ m的InxAlhAs組分漸變緩沖層，0. 52 ≤ χ≤0. 80 ；In和Ga束源爐溫度比生長 Ina53Gaa47As時的爐溫分別以0. 002°C /s和0. 004°C /s的變溫速率同時上升18°C和下降 36°C的生長條件直接生長厚度為1. Ομπι的Ina8Gaa2As單層緩沖層，完成贗襯底的生長；(3)生長過程In束源爐溫度不變，生長完7nm的Ina53Gaa47As勢壘層后關(guān)閉Ga爐 快門不間斷生長IOnm InAs勢阱層，完成量子阱數(shù)目為2、厚度為IOnm的InAs勢阱層及厚 度為7nm的Ina53Gaa47As勢壘層的應(yīng)變補償?shù)牧孔于褰Y(jié)構(gòu)生長。本發(fā)明涉及的原理如下(1)贗襯底結(jié)構(gòu)和材料體系的選擇考慮到量子勢阱層相對InP襯底具有較大的失配度，由組分連續(xù)漸變緩沖層及單 一組分緩沖層構(gòu)成的緩沖層結(jié)構(gòu)可以很好地起到限制失配位錯的緩沖效果也易于采用分 子束外延等生長工藝實現(xiàn)，從而獲得較理想的贗襯底。在組分連續(xù)漸變緩沖層中，緩沖層材 料體系可以選擇與勢阱層相同或類似的材料，緩沖層組分從與InP襯底晶格匹配的組分開 始，連續(xù)漸變至晶格常數(shù)與勢阱層接近的組分。單一組分緩沖層則與組分連續(xù)漸變緩沖層的終點相同，采用組分連續(xù)漸變緩沖層結(jié)束生長時的生長條件進行生長，生長過程無需間 斷。通過生長緩沖層結(jié)構(gòu)構(gòu)建贗襯底，使得在贗襯底頂部材料完全弛豫，具有完整的晶格、 低的位錯密度以及良好的結(jié)構(gòu)和光電特性。雖然勢阱層相對InP襯底的失配度未變，但相 對贗襯底的失配度則已經(jīng)大大減小。(2)應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)的設(shè)計在設(shè)計應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)時的可調(diào)參數(shù)主要包括勢壘層材料體系、勢阱勢壘層的厚 度和量子阱周期數(shù)。在選擇勢壘層材料體系時要求勢阱和勢壘相對贗襯底形成應(yīng)變補償， 即若勢阱層相對贗襯底為正失配則勢壘層相對贗襯底要為負失配，反之，若勢阱層相對贗 襯底為負失配則勢壘層相對贗襯底要為正失配。在設(shè)計勢阱勢壘層的厚度和量子阱周期數(shù) 等參數(shù)時勢阱和勢壘單層厚度不能超過臨界厚度，對于應(yīng)變量較大的量子阱結(jié)構(gòu)，為保證 量子阱材料的質(zhì)量控制位錯，量子阱周期數(shù)目也不能過大，一般不超過5個為宜。有益效果(1)本發(fā)明包含贗襯底的InP基應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)既適合于需要采用與InP襯底具 有大應(yīng)變的量子阱的半導(dǎo)體激光器，也適合于其他新型電子或光電子器件，具有很好的通 用性；(2)應(yīng)用此制備方法可以給量子阱結(jié)構(gòu)的應(yīng)變提供補償控制總應(yīng)變量，可以增加 量子阱層的臨界厚度和量子阱數(shù)目，從而提高量子阱材料與相應(yīng)器件質(zhì)量，特別適用于與 襯底間具有大失配的量子阱結(jié)構(gòu)并可以擴展量子阱的發(fā)光波長，為InP基量子結(jié)構(gòu)和功能 的設(shè)計和實現(xiàn)引入了更大的自由度。


圖1為本發(fā)明提供的一種包含贗襯底的InP基應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明提供的一種包含贗襯底的InP基長波長應(yīng)變Ina53Gaa47AsAnAs量 子阱結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為包含贗襯底的InP基長波長應(yīng)變Ina53Gaa47AsAnAs量子阱結(jié)構(gòu)的室溫光 致發(fā)光譜。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人 員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定 的范圍。實施例1(1)采用分子束外延方法生長材料，如圖2所示，量子阱中InAs勢阱層厚為10nm， Ina53Gaa47As勢壘層厚為7nm，量子阱結(jié)構(gòu)相對Ina8Gaa2As單層緩沖層構(gòu)成應(yīng)變補償，量子 阱數(shù)目取為2，即生長雙量子阱結(jié)構(gòu)。若將此量子阱結(jié)構(gòu)直接生長在InP襯底上，由于具 有勢阱層相對襯底具有很大的失配度而且勢阱厚達lOnm，InAs勢阱將發(fā)生弛豫造成材料 質(zhì)量極度退化，所以在InP襯底上先生長組分漸變緩沖層和單一組分緩沖層構(gòu)筑贗襯底。 InxAlhAs緩沖層具有比InxGai_xAs緩沖層更優(yōu)的性能而且InxAlhAs與InxGai_xAs在相同In組分下具有非常接近的晶格常數(shù)，在分子束外延生長中Al和Ga兩種元素具有十分相近 的粘附系數(shù)可采用統(tǒng)一的外延參數(shù)進行生長，所以緩沖層結(jié)構(gòu)采取由InxAlhAsU = 0. 52 to 0. 80)組分漸變緩沖層和Ina8Gaa2As單層緩沖層構(gòu)成；(2)外延生長采用常規(guī)分子束外延方法，在正式生長之前先采用相同的In束源溫 度通過預(yù)備生長確定在InP襯底上生長晶格匹配的Ina52Ala48As和Ina53Gaa47As時的束源 爐溫度、襯底溫度等生長條件，以襯底溫度530°C為例；(3)在對Epi-Ready InP襯底進行氧化物脫附處理后以襯底溫度530°C生長厚度 約2. 5 μ m的InxAlhAs (χ = 0. 52 to 0. 80)組分漸變緩沖層，In和Al束源爐的溫度從生 長Ina52Ala48As時的束源爐溫度開始分別以0. 0020C /s和0. 004°C /s的變溫速率同時上 升18°C和下降36°C ；(4)以In和Ga束源爐溫度比生長Ina 53Ga0.47As時的爐溫分別上升18 V和下 降36 °C的生長條件直接生長厚度Ι.Ομπι的Ina8Gaa2As單層緩沖層，以0. 002 °C /s和 0. 004°C /s的變溫速率同時上升18°C和下降36°C，完成贗襯底的生長；(5)在贗襯底上生長應(yīng)變Ina53Gaa47AsAnAs雙量子阱結(jié)構(gòu)，生長過程In束源爐 溫度不變，生長完7nm的Ina53Gaa47As勢壘層后關(guān)閉Ga爐快門不間斷生長IOnm InAs勢阱 層；(6)結(jié)束生長，在保護氣氛下降溫，取出外延材料。采用傅立葉紅外光譜儀測 量外延量子阱樣品室溫下的光致發(fā)光譜。所測結(jié)果如圖3所示，主要包括2個峰，其中 波長約2. 43 μ m的發(fā)光峰是由Ina8Gaa2As所產(chǎn)生的，波長約2. 90 μ m的發(fā)光峰則是由 In0.53Ga0.47As/InAs量子阱產(chǎn)生的，發(fā)光波長得到了很大擴展，說明此包含InxAl^xAs和 Ina8Gaa2As贗襯底的InP基應(yīng)變Ina53Gaa47AsAnAs量子阱結(jié)構(gòu)取得了預(yù)期效果。
權(quán)利要求
一種包含贗襯底的InP基應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)，其特征在于由下而上依次為InP襯底、與襯底晶格失配的贗襯底以及相對贗襯底應(yīng)變補償?shù)牧孔于褰Y(jié)構(gòu)，其中贗襯底包括組分連續(xù)漸變緩沖層及單一組分緩沖層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種包含贗襯底的InP基應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)，其特征在于所 述的量子阱結(jié)構(gòu)相對InP襯底都具有很大的正失配或都具有很大的負失配，相對贗襯底應(yīng) 變補償。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種包含贗襯底的InP基應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)，其特征在于以 在InP襯底上生長Ina53Gaa47As為勢壘層、InAs為勢阱層的應(yīng)變Ina53Gaa47AsAnAs量子 阱為例，所述贗襯底包括厚度為2. 5 μ m的InxAlhAs組分漸變緩沖層及厚度為l.OymW Ina8Gaa2As單層緩沖層，其中，0. 52彡χ彡0. 80。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種包含贗襯底的InP基應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)，其特征在于以 在InP襯底上生長Ina53Gaa47As為勢壘層、InAs為勢阱層的應(yīng)變Ina53Gaa47AsAnAs量子阱 為例，所述InAs勢阱層厚度為lOnm，Ina53Gaa47As勢壘層厚度為7nm，量子阱數(shù)目為2。
5.一種包含贗襯底的InP基應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)的制備方法，包括(1)在正式生長之前先確定在InP襯底上生長晶格匹配材料的束源爐溫度、襯底溫度；(2)采用分子束外延法，首先在InP襯底上生長組分連續(xù)漸變的緩沖層；再以結(jié)束生長 時的生長條件生長單一組分的材料作為緩沖層，完成贗襯底的生長；(3)然后在步驟(2)生長完的贗襯底上生長相對贗襯底應(yīng)變補償?shù)牧孔于褰Y(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種包含贗襯底的InP基應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)的制備方法，其特 征在于以在InP襯底上生長以Ina 53Ga0.47As為勢壘層、InAs為勢阱層的應(yīng)變Ina 53Ga0.47As/ InAs量子阱為例，具體步驟如下(1)在正式生長之前先確定在InP襯底上生長晶格匹配Ina52Ala48As和Ina53Gaa47As的 束源爐溫度、襯底溫度；(2)In和Al束源爐的溫度從生長Ina52Ala48As時的束源爐溫度開始分別以0. 002°C / s和0. 0040C /s的變溫速率同時上升18°C和下降36°C的生長條件直接生長厚度為2. 5 μ m 的InxAlhAs組分漸變緩沖層，0. 52 ^ χ ^ 0. 80 ；In和Ga束源爐溫度比生長Ina53Gaa47As 時的爐溫分別以0. 0020C /s和0. 0040C /s的變溫速率同時上升18°C和下降36°C的生長條 件直接生長厚度為1. 0 μ m的Ina8Gaa2As單層緩沖層，完成贗襯底的生長；(3)生長過程In束源爐溫度不變，生長完7nm的Ina53Gaa47As勢壘層后關(guān)閉Ga爐快門 不間斷生長IOnm InAs勢阱層，完成量子阱數(shù)目為2、厚度為IOnm的InAs勢阱層及厚度為 7nm的Ina53Gaa47As勢壘層的應(yīng)變補償?shù)牧孔于褰Y(jié)構(gòu)生長。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包含贗襯底的InP基應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)及制備方法，自下而上為InP襯底、贗襯底和量子阱結(jié)構(gòu)，其中贗襯底包括組分連續(xù)漸變緩沖層及單一組分緩沖層；制備方法即采用分子束外延法，首先在InP襯底上生長組分連續(xù)漸變的緩沖層；再生長單一組分的材料作為緩沖層，完成贗襯底的生長；生長完的贗襯底上生長相對贗襯底應(yīng)變補償?shù)牧孔于褰Y(jié)構(gòu)。本發(fā)明包含贗襯底的InP基應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)既適合于需要采用與InP襯底具有大應(yīng)變的量子阱的半導(dǎo)體激光器，也適合于其他新型電子或光電子器件，具有很好的通用性；應(yīng)用此制備方法，為InP基量子結(jié)構(gòu)和功能的設(shè)計和實現(xiàn)引入了更大的自由度。
文檔編號H01S5/343GK101982905SQ20101029043
公開日2011年3月2日 申請日期2010年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月25日
發(fā)明者張永剛, 顧溢 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所