基于数字合金的非矩形量子结构及其实现方法

专利名称：基于数字合金的非矩形量子结构及其实现方法
基于数字合金的非矩形量子结构及其实现方法所属领域本发明涉及一种基于数字合金的非矩形量子结构及其实现方法，属于半导体光电子材料及器件领域。
背景技术：
在半导体光电子器件(如半导体激光器等)和其他电子器件(如共振遂穿器 件等)中引入量子结构已有数十年的发展历史了，这些器件已在不同领域获得了广泛应 用，并且对人们深入理解和发展各种量子理论起到重要作用。目前，应用化合物半导体材 料构成量子结构主要采用各种薄层外延方法，如分子束外延(MBE)，金属有机物气相外延 (MOCVD)等，但主要还是基于异质材料构成量子结构。例如以GaAs为衬底，人们发展了以 AlGaAs为势垒，GaAs为量子阱的典型AlGaAs/GaAs体系量子结构；再如以InP为衬底，人 们发展了以InAlAs为势垒，InGaAs为量子阱的典型InAlAs/InGaAs体系量子结构，这些 量子结构都已广泛用于各种激光器、光电探测器及其他光电子和电子器件中。在这些应用 中人们目前普遍采用的是组分突变的矩形量子结构，这种结构在很多场合可以满足人们的 需要，且具有设计和生长较简单的优点，得到了很好的发展，特别是对于晶格匹配的材料体 系。随着研究的深入，这种矩形量子结构也给人们带来一些限制，例如对矩形量子结构除 材料组分外，可变参数就是势阱和势垒的宽度，对一些特殊功能的设计要求往往不能满足； 再如对于采用晶格失配的材料体系，组分突变的矩形量子结构往往会引起较大的应变积 累，这一方面限制了材料设计和生长的范围，另一方面也不利于高质量材料的生长。针对矩形量子结构及其工艺实现中存在的问题，本发明人设想能否提供一种普适 的方案，采用现有方法实现可控的非矩形量子结构，以适合于采用特定的外延工艺(如分 子束外延)来实现，从而引导出本发明的构思。

发明内容
本发明的目的在于提供一种基于数字合金的非矩形量子结构及其实现方法本发 明通过异质外延材料体系的选择和组合设计使其具有适合分子束外延等超薄层外延生长 工艺实现的特点，采用数字合金的方法实现非矩形的量子结构，并且对量子结构中的应变 总量加以设计控制和改善界面特性，在此基础上利用生长条件宽松和容易控制的生长工艺 实现非矩形量子结构；更确切地说，本发明提供一种适合于需要引入非矩形量子结构的外 延生长方法，可有效避免常规生长工艺只能生长组分突变的矩形量子结构的困难，并且有 利于对量子结构中的应变总量加以控制和改善界面特性，这些结构特别适合于采用特定的 外延工艺(如分子束外延)进行生长。首先，选择数字合金异质材料体系生长数字合金在异质材料体系的选择和组合上需有特殊考虑，除需满足设计量子 结构对材料能带性质、禁带宽度和带阶参数等方面的基本要求外，更重要的是材料组合及 其组分的选择必须适合生长工艺的基本要求，能方便地进行生长和容易控制，这是工艺实现的前提。以采用InP衬底为例与InP衬底晶格匹配的Ina53Gaa47As三元系材料的晶格常数约为5. 87，室温禁带宽度约0. 75eV ；Ina52Ala48As三元系材料的晶格常数也为5. 87，室 温禁带宽度约1.47eV。由于这两种材料的共有的组分为In和As，差别组分为Ga和Al两 种III族元素，因此采用这两种三元合金材料可以较方便地形成InAlGaAs四元数字合金， 其禁带宽度可在0. 75 1. 47eV间变化并仍满足晶格匹配条件，且在很大范围内为直接带 隙。再如InAs 二元系材料室温禁带宽度约0. 36eV,为直接带隙窄禁带材料，晶格常数约为 6. 06，与InP间有很大的正失配，直接用其构成量子阱会有一定困难；如采用Ina53Gaa47As 和InAs这两种异质材料构成数字合金，由于这两种材料的共有的组分为In和As，差别元素 仅为III族元素Ga，因此工艺上也是容易实现的，可以形成等效In组分> 0. 53的数字合金 InGaAs材料，在适当的应变条件下由其构成非矩形(如三角形、锯齿形或抛物线形)量子 阱可以比采用单一组分的InGaAs材料具有较小的总应变量，或在总应变量相同的情况下 具有较小的等效势阱深度，这对拓展激光器的波长使其向长波方向延伸十分有利。这样，采 用InAlAs/InGaAs数字合金势垒和InGaAs/InAs数字合金势阱的InAlAs/InGaAs-InGaAs/ InAs数字合金体系就可以在很大的范围内裁减量子结构的参数，增加了合金组分变化及 势阱和势垒的形状变化自由度，给材料和器件设计带来更大自由度，而其基础材料仅为晶 格匹配的三元系Ina53Gaa47A^ Ina52Ala48As和二元系的InAs材料，这就给材料生长中的 组分标定以及提高可控性和改善量子结构的生长质量带来很大方便。鉴于以上材料体 系量子阱中存在较大的压应变，我们还可以在势垒中引入适当的张应变，例如采用AlAs/ InGaAs-InGaAs/InAs体系等，以进一步提高结构质量。这种应用数字合金构成量子结构的思路显然也可以推广到其他材料体系，如对 采用GaAs衬底，就可以设计生长压应变的AlInP/GalnP-GalnP/InP、AIGaAs/GaAs-GaAs/ InAs、AlAs/GaAs-GaAs/InAs 体系或应变补偿的 GaP/GalnP-GalnP/InP、AlP/GalnP-GalnP/ InP体系等，以满足不同波长范围及不同类型功能器件的要求。所述的非矩形量子阱结构是采用数字合金构成量子阱的材料生长基础是当生长 不同组分的合金材料超薄层时，如每一个超薄层的厚度仅为几个到十几个原子层，则这两 种不同组分的原始合金材料就会由于所谓量子阱混合效应形成数字合金，数字合金的等效 组分相当于原始合金材料组分的加权平均，权重即为各原始合金材料的生长厚度。显然，量 子阱混合的效果一方面与超薄层的厚度有关，另一方面与生长温度及后处理温度等参数有 关，厚度越薄温度越高混合效果会越好。采用数字合金构成量子阱时，如原始合金材料超薄 层的厚度固定不变，即固定两种材料的权重，则仍可形成等效组分突变的矩形量子阱，而如 果在生长过程中按照一定规律来改变两种材料的权重，则可形成非矩形的量子阱，如三角 形、锯齿形、抛物线形等。与量子阱相同，量子势垒结构中也可引入数字合金结构，其基本的出发点也与量 子阱相同，由于量子结构中势垒层的厚度一般比势阱层要厚一些，势垒层在设计上的变化 也较少，一般设计势垒层的的厚度为固定值而主要考虑其组分即势垒高度，这样在生长势 垒层时一般尽可能采用固定组分的单一合金材料，如采用数字合金一般也应固定权重，即 生长等效组分固定的数字合金，形成矩形量子势垒。当然，对于设计生长有特殊要求的量子 结构也可以引入非矩形量子势垒，以达到特定功能。
本发明涉及一种基于数字合金的非矩形量子结构，其特征在于①采用适合超薄层外延方法生长且又方便控制的两种多元(含二元)合金材料构 成数字合金；②应用这种数字合金在量子尺度上形成非矩形的量子结构(如量子阱或量子势 垒)，从而克服采用常规生长方法只适合生长组分突变的矩形量子结构的单一性问题，为器 件设计引入更大的自由度；③应用这种结构可以有效地控制量子结构中的应变，特别是减小总应变量，并改 善界面特性；④所述的结构特别适合采用特定的外延工艺(如分子束外延)方便地进行生长， 且具有很好的可控性。本发明所述的基于数字合金的非矩形量子结构的工艺实现从工艺的现实性、可控性和可操作性出发，采用分子束外延工艺或其他生长工艺 实现前述非矩形量子结构应该以已有的晶格匹配材料生长参数为基础，根据对量子结构的 实际要求和前述材料体系选择原则确定合适的材料体系，然后根据非矩形量子阱和量子势 垒的组分和形状要求，设计相对应的材料生长时序，为使量子阱混合效应达到较好的效果， 应对一组两种合金材料超薄层的总厚度(或称一个周期的厚度)加以控制，周期厚度较小 可以达到较好的混合效果，但在生长时会使源的切换过于频繁，时间过于短促，这对生长工 艺的稳定性和可靠性不利，也可能影响设备无故障运行时间；周期厚度太大则混合效果差， 还有可能实际形成众多的异质界面，影响量子结构的功能和效果，因此需要综合考虑。一般 周期厚度选择在十个原子层以下。综上所述，本发明包括采用禁带宽度不同且适合采用超薄层外延方法生长又方便 控制的两种多元(含二元)合金材料构成数字合金的方法以及应用这种方法构成的非矩形 量子结构，应用这种方法可有效地在量子尺度上控制材料组分按设计要求精确变化，从而 克服了采用常规生长方法只适合生长组分突变的矩形量子结构的单一性问题，为量子结构 和功能的设计和实现引入更大的自由度，并在量子结构的应变及界面控制方面带来好处。 本发明的基于数字合金的非矩形量子结构既适合于需要采用非矩形量子阱的特殊半导体 激光器，也适合于其他新型电子或光电子器件，具有很好的通用性。


图1是本发明提供的一种用于波长拓展半导体激光器的非矩形量子结构示意图。
具体实施例方式下面通过附图和实施例，进一步说明本发明的实质性特点和显著的进步，但绝非 限制本发明，也即本发明绝非仅局限于实施例。实施例一种采用InAlAs/InGaAs数字合金势垒和InGaAs/InAs数字合金三角形 势阱的波长拓展量子结构外延材料实施步骤1.需要在InP衬底上实现量子跃迁波长大于2微米的量子结构而不引入锑化 物材料，此量子结构的设计波长约为2. 3μπι(为说明方便以下均以此为例，实际不仅限于2. 3 μ m，需要扩展到其他波长可依此类推)，因此选择二元系InAs和晶格匹配的三元系 Ina53Gaa47As为势阱合金材料；2.需要势垒层的禁带宽度大于晶格匹配的Ina53Gaa47As材料，因此选择晶格匹配 的Ina53Gaa47As和Ina52Ala48As为势垒合金材料；3.根据能带计算，Ina53Gaa47As和Ina52Ala48As按1 1质量比混合形成的数 字合金即可以满足势垒合金材料的要求，因此即在势垒数字合金中把Ina53Gaa47As和 Ina52Ala48As的厚度比定位1 1，这样形成的数字合金组分为Ina 525Ala24Gaa 235As,晶格参 数仍与InP衬底匹配。势垒层的厚度设计为13. 5nm,平均分配到9个数字合金周期中，每个 周期1. 5nm(约四个原子层)，每个超薄层厚度为0. 75nm(约两个原子层)；4.根据能带计算和应变总量控制的要求，势阱层采用三角形结构，即势阱层的禁带宽度从中间向两边线性变化，以达到较好的避免应力积累的效果。三角形量子阱采用 InAs和Ina53Gaa47As数字合金构成，量子阱宽设计为9nm，平均分配到12个数字合金周期 中，每个周期0. 75nm(约两个原子层)，这样各个数字合金周期中InAs和Ina53Gaa47As的厚 度按 1 6，2 5,3 4,4 3,5 2,6 1,7 0,6 1,5 2,4 3,3 4,2 5 ； 1 6的比例线性变化，形成等效三角形的量子阱；5.外延生长采用常规分子束外延方法，生长量子结构前先确定晶格匹配的 Ina53Gaa47As和Ina52Ala48As的生长参数，生长中采用同一个As和In生长源并固定其 束流强度，并使这两种三元合金材料具有相同或相近的生长速率，实际标定生长中测得 Ina53Gaa47As和Ina52Ala48As的生长速率均约为1 μ m/h, InAs的生长速率约为0. 5 μ m/h, 在此基础上进行非矩形量子结构的生长；6.在对Epi-Ready InP衬底进行脱附处理后先生长合适的缓冲层，然后即可开始 进行非矩形量子结构的生长。根据生长速率，生长Ina 525Ala24Gaa 235As势垒时In的快门始 终打开，Al和Ga的快门按2. 7秒的间隔交替开闭生长到设计厚度，生长非矩形量子阱后用 同样的参数继续完成另一侧势垒的生长；7.生长非矩形量子阱时In的快门始终打开，Ga的快门按0. 8s, 2. 4s, 1. 6s, 2s, 2. 4s, 1. 6s, 3. 2s, 1. 2s，4s，0. 8s,4. 8s, 0. 4s, 5. 6s, 0. 4s,4. 8s, 0. 8s,4s, 1. 2s, 3. 2s, 1. 6s,
2. 4s, 2s, 1. 6s, 2. 4s, 0. 8s的时序关闭和打开(黑体为Ga快门打开时间)，直至生长完整个 非矩形量子阱结构。注意到分子束外延中束源炉快门的时序控制精度一般在0. ls，因此快 门时序设计时最小控制间隔也为0. ls，按量子阱形状及生长速率精确设计时快门开关时间 会有一个近似，并且实际的快门开关时间也会有一个系统误差，特别是对开关时间较短时 此误差较为明显，如需精确控制量子阱的形状对时序可有一个相应的修正；8.实际生长量子结构时量子阱和量子势垒都可以按应用要求重复进行，对此特定 结构考虑到应变总量的限制量子阱的数目可控制在2 3个，生长完非矩形量子结构后再 生长上合适的保护帽层，此结构即可用于结构和光学测试，也可直接应用到波长拓展的半 导体激光器结构中去。
权利要求
基于数字合金的非矩形量子结构，其特征在于通过选择异质外延材料体系和组合设计，采用数字合金的方法实现非矩形的量子结构。
2.按权利要求1所述的基于数字合金的非矩形量子结构，其特征在于所述的数字合金 的等效组分相当于原始合金材料组分的加权平均。
3.按权利要求1所述的基于数字合金的非矩形量子结构，其特征在于所述的数字合金 构成非矩形的量子阱为三角形、锯齿形或抛物线形。
4.按权利要求1所述的基于数字合金的非矩形量子结构，其特征在于所述的数字合金 为两种二元或多元合金材料构成。
5.按权利要求4所述的基于数字合金的非矩形量子结构，其特征在于以InP为衬 底的数字合金为InAlAs/InGaAs-InGaAs/InAs ；已GaAs为衬底的数字合金为AlInP/ GalnP-GalnP/InP、AlGaAs/GaAs-GaAs/InAs、AlAs/GaAs-GaAs/InAs 体系或应变补偿的 GaP/GalnP-GalnP/InP、AlP/GalnP-GalnP/InP 体系。
6.按权利要求1所述的基于数字合金的非矩形量子结构，其特征在于非矩形的量子结 构中势垒层厚度比势阱层厚度大。
7.实现权利要求1-6任一项所述的基于数字合金的非矩形量子结构的方法，其特征在 于采用分子束外延方法实现的，首先是以已有的晶格匹配材料生长参数为基础，根据对量 子结构的实际要求和材料体系选择原则确定合适的材料体系，然后根据非矩形量子阱和量 子势垒的组分和形状要求设计对应的材料生长时序，控制一组两元或多元合金材料超薄层 的总厚度或一个周期的厚度。
8.按权利要求7所述的实现方法，其特征在于对于采用InAlAs/InGaAs数字合金势垒 和InGaAs/InAs数字合金三角形势阱的波长拓展量子结构外延材料的方法是(1)在InP衬底上实现量子跃迁波长大于2微米的量子结构而不引入锑化物材料，设计 的量子结构的波长为2. 3 μ m，选择二元系InAs和晶格匹配的三元系Ina53Gaa47As为势阱合 金材料；(2)选择晶格匹配的Ina53Gaa47As和Ina52Ala48As为势垒合金材料；以使势垒层的禁带 宽度大于晶格匹配的Ina53Gaa47As材料；(3)根据能带计算，Ina53Gaa47As和Ina52Ala48As按1 1质量比例混合形成的数字合 金，在势垒数字合金中把Ina53Gaa47As和Ina52Ala48As的厚度比定位1 1，使形成的数字合 金组分为Ina 525Ala24Gaa 235As,晶格参数仍与InP衬底匹配。势垒层的厚度设计为13. 5nm, 平均分配到9个数字合金周期中，每个周期1. 5nm，每个超薄层厚度为0. 75nm ；(4)根据能带计算和应变总量控制的要求，势阱层采用三角形结构，所述的三角形量子 阱由InAs和Ina53Gaa47As数字合金构成，量子阱宽为9nm，平均分配到12个数字合金周期 中，每个周期0.75nm，各个数字合金周期中InAs和Ina53Gaa47As的厚度按1 6,2 5， 3 4,4 3,5 2,6 1,7 0,6 1,5 2,4 3,3 4,2 5 ；1 6 的比例线性变 化，形成等效三角形的量子阱；(5)外延生长采用常规分子束外延方法，生长量子结构前先确定晶格匹配的 Ina53Gaa47As和Ina52Ala48As的生长参数，生长中采用同一个As和In生长源并固定其束 流强度，并使这两种三元合金材料具有相同或相近的生长速率，进行非矩形量子结构的生 长；(6)在对Epi-ReadyInP衬底进行脱附处理后先生长合适的缓冲层，然后即可开始非 矩形量子结构的生长；根据生长速率，生长Ina 525Ala24Gaa 235As势垒时In的快门始终打开， Al和Ga的快门按2. 7秒的间隔交替开闭生长到设计厚度，生长非矩形量子阱后用同样的参 数继续完成另一侧势垒的生长；(7)生长非矩形量子阱时In的快门始终打开，Ga的快门按一定的时序关闭和打开，直 至生长完整个非矩形量子阱结构；快门时序设计时最小控制间隔也为0. Is ； (8)生长量子结构时量子阱和量子势垒按应用要求重复进行，生长完非矩形量子结构 后再生长合适的保护帽层。
全文摘要
本发明涉及一种基于数字合金的非矩形量子结构及实现方法，其特征在于通过选择异质外延材料体系和组合设计，采用数字合金的方法实现非矩形的量子结构；所述的数字合金为两种二元或多元合金材料构成。本发明的实现方法可有效地在量子尺度上控制材料组分按设计要求精确变化，从而克服了采用常规生长方法只适合生长组分突变的矩形量子结构的单一性问题，为量子结构和功能的设计和实现引入更大的自由度，并在量子结构的应变及界面控制方面带来好处。本发明既适合于需要采用非矩形量子阱的特殊半导体激光器，也适合于其他新型电子或光电子器件，具有很好的通用性。
文档编号B82B3/00GK101811659SQ20101012836
公开日2010年8月25日 申请日期2010年3月19日 优先权日2010年3月19日
发明者张永刚, 顾溢 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所