专利名称：GaAs基含B高应变量子阱及其制备方法、半导体激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体光电子材料与器件领域，尤其涉及一种GaAs基含B (硼)高应变量子阱及其制备方法，以及基于此含B高应变量子阱的边发射半导体激光器。
背景技术：
GaAs (砷化嫁)基 InGaAs/GaAs 和 GaAsSb/GaAs 高应变量子讲(Quantum Well,QW)结构(其中InGaAs和GaAsSb为阱层，GaAs为垒层)因其可在GaAs衬底上实现长波长发光而一直受到人们关注，并被广泛应用于半导体激光器、光探测器及超辐射管的研制。对于InGaAs/GaAs高应变量子阱，由于受InGaAs阱中In(铟)组分的限制，在GaAs衬底上生长的InGaAs/GaAs高应变QW的最长室温光致发光谱(RT-PL谱)峰值波长仅 1.257 u m[Appl.Phys.Lett.，84，5100 (2004)]，还无法实现 1.3 y m 或更长波段发光。目前，拓展InGaAs/GaAs高应变QW的发光波长主要通过在阱区中掺入V族氮(Nitrogen，N)元素来实现，利用N并入造成的能带弯曲效应来进一步减小带隙，进而将发光波长拓展到
1.3i!m甚至1.55i!m波段。但是N并入会带来很多不利的影响(如N在外延层中分布不均匀、导致相分凝、引入缺陷使得材料质量劣化等)，最终影响含N半导体光电子器件的寿命和可靠性。另外一种可在GaAs衬底上实现长波长发光的材料系是GaAsSb/GaAs高应变QW。目前，尽管GaAsSb/GaAs高应变QW已实现了 1.295 y m波长连续激射[Electron.Lett.,37,566 (2001)]，但进一步向长波长拓展就需要加大Sb (锑)组分，这使得阱和垒之间应变更大，材料制备更加困难。
发明内容
(一 )要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是:1)如何解决由于InGaAs及GaAsSb阱层与GaAs垒层之间晶格失配(或称为应变)度大而导致InGaAs及GaAsSb阱层中In、Sb组分不能继续提高，从而使得InGaAs/GaAs及GaAsSb/GaAs量子阱发光波长无法拓展的问题。2)如何解决由于InGaAs/GaAs及GaAsSb/GaAs高应变量子阱中阱层材料表面能过高，导致InGaAs/GaAs及GaAsSb/GaAs量子阱发光波长无法拓展的问题。3)如何有效提高InGaAs/GaAs及GaAsSb/GaAs高应变量子阱光学质量。( 二 )技术方案为解决上述技术问题，本发明提供了一种GaAs基含B高应变量子阱的制备方法，包括以下步骤:S1、在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层；S2、在所述GaAs缓冲层的顶部生长高应变阱层，生长过程中通入B源以形成含B高应变阱层；S3、在所述含B高应变阱层上生长GaAs垒层或应变补偿垒层，以形成GaAs基含B高应变量子阱。优选地，在S3步骤之后还包括:S4、重复步骤S2、S3若干次，形成多量子阱。在步骤S4之后还包括:S5、用一定厚度的GaAs盖帽层覆盖所述含B量子阱，以形成更优的含B量子阱。所述应变补偿层材料为GaAsP> InGaP、BGaAs、GaAs-GaAsP、GaAs-1nGaP、GaAs-BGaAs、GaAsP-GaAs、InGaP-GaAs、BGaAs-GaAs 中的一种或几种的组合。优选地，BInGaAs或BGaAsSb阱层的材料中，In或Sb的组分大于或等于30%。本发明还提供了一种采用所述的方法所制备的GaAs基含B高应变量子阱。本发明还提供了一种边发射半导体激光器，所述激光器以所述的GaAs基含B高应变量子阱作为有源区。(三)有益效果本发明的GaAs基含B高应变量子阱(BlnGaAs/GaAs和BGaAsSb/GaAs高应变QW)的制备方法中，通过将B并入到InGaAs或GaAsSb中以弥补In、Sb并入GaAs所导致的晶格常数变大的缺陷，从而实现对晶格失配度的调控；通过将B并入到InGaAs或GaAsSb中降低高应变InGaAs或GaAsSb的表面能，从而进一步拓展了 InGaAs/GaAs和GaAsSb/GaAs高应变QW的发光波长；通过应变补偿提高了含硼量子阱的光学质量。
图1为在GaAs衬底上生长BlnGaAs/GaAs MQff的外延结构示意
图2为以BlnGaAs/GaAs量子阱作为有源区的边发射激光器外延结构示意图；图3为在GaAs衬底上生长BGaAsSb/GaAs MQff的外延结构示意图；图4为以BGaAsSb/GaAs量子阱作为有源区的边发射激光器外延结构示意图；图5为5周期BlnGaAs/GaAs量子阱的X射线衍射(XRD) -2 0扫描图样；图6为5周期BlnGaAs/GaAs量子阱的室温PL谱图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。本发明的具体思路如下:111族元素B具有小共价半径(B、Ga、In原子共价半径分别为0.82 A、1.26 A、1.44A,么8、513原子共价半径分别为1.20人、1.40人)，因此8并
入到InGaAs或GaAsSb中可以补偿In、Sb并入GaAs导致的晶格常数变大，从而实现对晶格失配度的调控。此外过高的表面能会导致二维(2D)生长转变三维(3D)生长，从而影响量子阱界面质量，甚至导致3D成岛形成量子点，因此B并入有可能降低高应变InGaAs或GaAsSb的表面能，从而抑制2D生长到3D生长的转化。从这两方面考虑，B的并入就使得提升已受晶格失配度和2D-3D生长模式转变限制的InGaAs/GaAs应变QW中的In组分以及GaAsSb/GaAs应变QW中的Sb组分成为可能，从而进一步拓展InGaAs/GaAs和GaAsSb/GaAs高应变QW的发光波长。实施例1本发明实施例在GaAs衬底(GaAs substrate)上生长5周期BlnGaAs/GaAs高应变多量子阱结构的方法，可以增大GaAs基InGaAs/GaAs高应变多量子阱的发光波长，如图1所示，包括步骤:a、在GaAs衬底上生长一层GaAs缓冲层(GaAs buffer layer),以确保衬底表面平滑且无明显缺陷；b、在GaAs缓冲层的顶部上生长高应变ByInxGa1TyAs阱层。B并入会抵消In、Sb并入造成的晶格常数过大的问题。在B并入的同时，增大In或Sb源的摩尔流量，从而使得阱层中In或Sb组分进一步提升；高应变ByInxGa1^As讲层中In的组分大于或等于30%,且可通过增大B组分进一步提高。C、在高应变ByInxGamAs阱层上生长GaAs垒层或应变补偿垒层(如GaAsP、InGaP、BGaAs、GaAs-GaAsP、GaAs-1nGaP、GaAs-BGaAs、GaAsP-GaAs、InGaP-GaAs、BGaAs-GaAs等)，形成GaAs基含B高应变量子阱；d、重复步骤b、c五次以形成5周期高应变BlnGaAs/GaAs多量子阱结构(MQW结构)，具体周期数可根据需要变化；e、用一定厚度的GaAs盖帽层(GaAs cap)覆盖MQW结构，形成更优的含B量子阱。盖帽层的厚度根据需要而定，其主要作用是保护MQW结构，避免其与空气直接接触而发生氧化。本实施例是在GaAs衬底上生长BlnGaAs/GaAs MQW。如图5和图6所示，X射线衍射(XRD)测得的峰间距为-5780arcsec，室温光致发光谱(RT-PI^f)峰值波长为1164nm。当无B并入时，XRD测得的峰间距为-5780arcsec的InGaAs/GaAs MQff的室温PL谱峰值波长仅为llOOnm。若在此BlnGaAs/GaAs MQW基础上增大In源的流量(增大为30%的组分含量)，则可使In的并入比进一步提高，从而得到更长的发光波长。图5表明在GaAs衬底上生长的是高应变多量子阱结构，卫`星峰明显，晶体质量高；图6表明该应变量子阱的室温光荧光谱的强度高、谱线窄，光学质量高。InAs材料与GaAs材料的晶格失配度为7.1%，GaSb材料与GaAs材料的晶格失配度为7.8%，InxGahAsjaAshSbx(也省略地记为InGaAs或GaAsSb)三元合金与GaAs材料的晶格失配度可以通过维加德定律(Vegard’ s law)求出。并入B后，讲层材料由InGaAs或 GaAsSb 变为 ByInxGanyAs 或 ByGa^yAShSbx (也省略地记为 BInGaAs 或 BGaAsSb)四元合金(其中，0<x< l、0<y< I)。在相同的In或Sb组分下，四元合金的晶格常数要比三元合金的晶格常数小，而垒层材料的晶格常数不变，因此根据公式(I)、公式(2)可知晶格失配度变小。维加德定律如下A-AxIVxC = X a_AC+(1-x) a_BC (I)其中，a_ABC代表三元合金的晶格常数，a_AC和a_BC分别代表构成三元合金的二元合金的晶格常数。晶格失配度=[(阱层材料的晶格常数-衬底材料的晶格常数)/衬底材料的晶格常数]X 100%(2)实施例2本实施例公开了一种采用实施例1所述的方法制备的GaAs基含B高应变量子阱，其以BInGaAs或BGaAsSb作为阱层，以GaAs作为垒层。实施例3
本实施例公开了一种边发射半导体激光器，其以实施例2所述的含B量子阱作为有源区，如图2、图4所示。本实施例与现有的GaAs基InGaAs/GaAs、GaAsSb/GaAs量子阱边发射激光器的区别在于有源区增益介质材料不同。这样，采用图2和图4结构的激光器就可以工作在更长的波长。以上所述仅是本发明的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种GaAs基含B高应变量子阱的制备方法，包括以下步骤: 51、在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层； 52、在所述GaAs缓冲层顶部生长高应变阱层，生长过程中通入B源以形成含B高应变阱层； 53、在所述含B高应变阱层上生长GaAs垒层或应变补偿垒层，以形成GaAs基含B高应变量子讲。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在S3步骤之后还包括:S4、重复步骤S2、S3若干次，形成多量子讲。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含B高应变阱层的材料为BInGaAs或BgaAsSb。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述应变补偿层的材料为GaAsP、InGaP,BGaAs > GaAs-GaAsP> GaAs-1nGaP> GaAs-BGaAs > GaAsP-GaAs > InGaP-GaAs > BGaAs-GaAs 中的一种或几种的组合。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含B高应变阱层中包含In或Sb，且In或Sb的组分大于或等于30%。
6.一种采用权利要求1 5中任一项所述的方法所制备的GaAs基含B高应变量子阱。
7.—种边发射半导体激光器，其特征在于，所述激光器以权利要求6所述的GaAs基含B高应变量子阱作为有源区。
全文摘要
本发明涉及半导体光电子材料与器件领域，公开了一种GaAs基含B高应变量子阱的制备方法，包括步骤S1、在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层；S2、在所述GaAs缓冲层的顶部生长高应变阱层，生长过程中通入B源形成含B高应变阱层；S3、在所述含B高应变阱层上生长GaAs垒层或应变补偿垒层，形成GaAs基含B高应变量子阱。本发明还公开了一种GaAs基含B高应变量子阱以及一种边发射半导体激光器。本发明通过将B并入到InGaAs或GaAsSb中补偿In、Sb并入GaAs导致的晶格常数变大，从而实现对晶格失配度的调控；通过将B并入到InGaAs或GaAsSb中降低高应变InGaAs或GaAsSb的表面能，从而进一步拓展InGaAs/GaAs和GaAsSb/GaAs高应变量子阱的发光波长；通过对含B高应变阱层进行应变补偿，从而提高量子阱的光学质量。
文档编号H01S5/343GK103151710SQ20111040175
公开日2013年6月12日 申请日期2011年12月6日 优先权日2011年12月6日
发明者王 琦, 贾志刚, 郭欣, 任晓敏, 黄永清 申请人:北京邮电大学