一种调控半导体量子阱材料平面光学各向异性的方法
【专利摘要】本发明涉及一种调控半导体量子阱材料平面光学各向异性的方法。该方法通过改变插入在半导体量子阱上界面的超薄InAs层的厚度，有效调控半导体量子阱的平面光学各向异性。该方法简单易行，成本低廉，且调控效果明显，调控范围较大。
【专利说明】一种调控半导体量子阱材料平面光学各向异性的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体材料光学调控【技术领域】，特别是一种调控半导体量子阱材料平面光学各向异性的方法。
【背景技术】
[0002]人们很早就发现沿[001]方向生长的II1-V族量子阱材料在生长方向和垂直于生长方向上的光学性质有很大的差异，即存在TE和TM两种偏振模式。但通常认为它在生长面(SP (001)面)内的光学性质是各向同性的。然而，最近十几年的研究表明，在(001)面生长的闪锌矿半导体量子阱在生长平面内具有光学各向异性。我们将这种出现在生长平面内的光学各向异性称为平面光学各向异性。这种平面光学各向异性主要是由内建电场、非对称的异质界面、原子偏析、组分渐变、残余应力等因素引起。这些因素破坏了体系的对称性，弓丨起轻重空穴的混合，从而导致平面光学各向异性。平面光学各向异性可以用这个式子来描述:Lr Ir:l (r [H0]-T [no]) / (r [IlO]+^r [HO])。其中，了 [110] 表示当入射光的偏振方向沿着[110]晶向时样品的反射系数。若量子阱的阱层和垒层没有共同的阴离子或阳离子，比如GaAs/InP量子阱，则此类量子阱具有较强的平面光学各向异性，通常在10_3量级，可以用光荧光或者光吸收来测量。对于阱层和垒层有共同阴离子或阳离子的量子阱，比如GaAs/AlGaAs量子阱，它们的平面光学各向异性较小，一般在10_5的量级。用通常的光荧光技术以及光吸收光谱技术很难探测得到。这时候通常需要采用灵敏度较高的反射差分光谱技术，其灵敏度可以达到10_5。对半导体量子阱材料的平面光学各向异性进行主动调控，对于探索出偏振可控的新型光电子器件以 及解决现有的一些光电器件在性能提高上遇到的问题，如研制偏振稳定的垂直腔面发射激光器，具有十分重要的意义。
[0003]目前有文献报道，可以通过改变量子阱的阱宽、改变量子阱中势垒层调制掺杂位置以及外加应变对半导体量子阱材料的平面光学各向异性进行调控。然而，通过阱宽对量子阱的平面光学各向异性进行调控，其调控的幅度比较小，比如对GaAs/AlGaAs量子阱，大致调控的范围为8X10_5到1X10_5。通过改变量子阱的势垒中调制掺杂的位置来调控其平面光学各向异性的方法，成本较高，难度也较大。通过外加应力的方法来调控半导体量子阱的平面光学各向异性，需要配置特殊的施加应力的装置，而且容易对样品造成损伤。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种调控半导体量子阱材料平面光学各向异性的方法，其采用在半导体量子阱的一个界面上插入厚度为原子层量级的InAs层，并通过改变InAs层的厚度，来达到简便快捷且有效的调控半导体量子阱的平面光学各向异性的目的。
[0005]为实现上述目的，本发明的技术方案是:一种调控半导体量子阱材料平面光学各向异性的方法，所测量的样品为生长于(001)面闪锌矿结构半导体材料上的半导体量子阱样品；所述半导体量子阱样品为单晶结构；在所述半导体量子阱样品的阱层与垒层插入InAs层；所述InAs层的厚度为原子层级别。[0006]在本发明实施例中，所述InAs层的材料与所述半导体量子阱的阱层及垒层的材料不同；所述InAs层的材料不进行掺杂。
[0007]在本发明实施例中，所述InAs层的厚度范围为0.5个原子层至η个原子层，其中，η为大于0.5的正数。
[0008]在本发明实施例中，所述半导体量子阱的阱宽为纳米量级。
[0009]在本发明实施例中，所述半导体量子阱的带阶分布属于I型结构，即电子和空穴被限制在同一种材料中。
[0010]相较于现有技术，本发明具有以下有益效果:
1、本发明提供的这种调控半导体量子阱材料平面光学各向异性的方法，十分简单易行，成本低廉，有利于日后推广应用；
2、本发明提供的这种调控半导体量子阱材料平面光学各向异性的方法，调控效果明显，调控范围较大，光学各向异性可以在10_5到10_3范围内调控；
3、本发明提供的调控半导体量子阱材料平面光学各向异性的方法，其调控效果稳定且持久。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是本发明提供一种调控半导体量子阱材料平面光学各向异性方法的一个实施例中的其中一个半导体量子阱样品(记为样品Α)的结构示意图；其中，I为(001)面半绝缘GaAs衬底，50为200纳米(nm)的GaAs缓冲层，2、5、8、11为20纳米厚的Ala35Gaa65As势垒层材料，3、6、9分别是厚度为8纳米、6纳米、2纳米的GaAs势垒层材料，4、7、10为插入的厚度为0.5个原子层的InAs层材料，样品中的所有材料都没有掺杂。
[0012]图2是本发明提供一种调控半导体量子阱材料平面光学各向异性方法的一个实施例中的另一个半导体量子阱样品(记为样品B)的结构示意图；其中，13、14、15均为插入在量子阱界面上的InAs层材料，其厚度为I个原子层，其他层的材料与图1所示相同。
[0013]图3是本发明提供一种调控半导体量子阱材料平面光学各向异性方法的一个实施例中的第三个半导体量子阱样品(记为样品C)的结构示意图；其中，16、17、18为插入在量子阱界面上的InAs层材料，其厚度为1.5个原子层，其他层的材料与图1所示相同。
[0014]图4是本发明采用的测量半导体量子阱样品平面光学各向异性的反射差分光谱仪测试系统的示意图；它是由钨灯光源41、斩波器42、单色仪43、起偏器44、光弹性调制器45、样品46、检偏器47、探测器48和三台锁相放大器49、410和411组成。
[0015]图5是本发明的一个实施例中的样品A、B、C所对应的平面光学各向异性谱线；其中，曲线19、20、21分别为样品A、B、C的平面光学各向异性谱线；图中箭头22、24、26分别指示阱宽为8、6、2纳米的量子阱的第一重空穴子带到第一电子子带跃迁(记为IHlE跃迁)的能量位置，箭头23、25、27分别指示阱宽为8、6、2纳米的量子阱的第一轻空穴子带到第一电子子带跃迁(记为ILlE跃迁)的能量位置。
[0016]图6是由图4得到的样品A、B、C中的量子阱的平面光学各向异性随InAs插入层厚度的变化谱线图；其中的平面光学各向异性是指量子阱中IHlE和ILlE跃迁的平面光学各向异性的绝对值的和；图中51、52、53分别表示实验测得的阱宽为2、6、8纳米的量子阱的平面光学各向异性，曲线61、62、63表示理论计算得到的阱宽为2、6、8纳米的半导体量子阱的平面光学各向异性随InAs插入层厚度的变化情况。
[0017] 图7是本发明采用的对半导体量子阱样品施加外加应力的装置示意图；其中，71为切成长条状的半导体量子阱样品，其长宽比大于3 ；72为旋钮，73为螺杆，拧动旋钮72可以带动螺杆向前运动，从而将样品顶弯来施加应力。
[0018]图8是本发明一个实施例中的样品A、B、C所对应的由应变引起的平面光学各向异性随应变的变化情况；图中只标出了阱宽为6nm的半导体量子阱的情况；其中，ε ο=2.7Χ 10-5 ;81、82、83分别表示InAs插入层厚度为0.5,1.0,1.5原子层(ML)情况下的实验测得的半导体量子阱的平面光学各向异性随应变的变化情况；84、85、86分别表示InAs插入层厚度为0.5、1.0、1.5原子层(ML)情况下的理论计算得到的半导体量子阱的平面光学各向异性随应变的变化情况。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
[0020]本发明一种调控半导体量子阱材料平面光学各向异性的方法，所测量的样品为生长于(001)面闪锌矿结构半导体材料上的半导体量子阱样品；所述半导体量子阱样品为单晶结构；在所述半导体量子阱样品的阱层与垒层插入InAs层；所述InAs层的厚度为原子层级别。
[0021]本实施例中，所述InAs层的材料与所述半导体量子阱的阱层及垒层的材料不同；所述InAs层的材料不进行掺杂；所述InAs层的厚度范围为0.5个原子层至η个原子层，其中，η为大于0.5的正数；所述半导体量子阱的阱宽为纳米量级；所述半导体量子阱的带阶分布属于I型结构，即电子和空穴被限制在同一种材料中。
实施例
[0022]图1是本实施例中样品A的半导体量子阱结构示意图。它是通过分子束外延设备生长的。首先在(001)面半绝缘GaAs衬底I上生长200nm的GaAs缓冲层50，接着生长20nm的Ala35Gaa65As势鱼层2,再生长8nmGaAs势讲层3,然后生长0.5个原子层厚度的InAs层4,接着依次生长20nm的Ala35Gaa65As势鱼层5、6nmGaAs势讲层6、0.5个原子层厚度的InAs层7,然后依次生长20nm的Ala35Gaa65As势鱼层8、2nmGaAs势讲层9、0.5个原子层厚度的InAs层10和20nm的Ala35Gaa65As势垒层11，最后生长厚度为IOOnm的GaAs盖层12。GaAs、Ala35Gaa65As层的生长温度均为580 C，InAs层的生长温度为500° C。样品中所有的材料都没有进行掺杂。此样品的平面光学各向异性谱线如图5中曲线19所示。这些谱线是由反射差分光谱仪在室温下测得的。反射差分光谱测试系统如图4所示。其中，钨灯光源41的功率为200W，斩波器42的斩波频率为230Hz，光弹性调制器45的主轴方向沿水平面方向，调制频率为50KHz，起偏器44的主轴与水平方向成45度，检偏器47的主轴方向沿水平方向，探测器48为Si探测器。样品的主轴方向即[110]和[I TO]方向与水平方向成45度。反射光线和入射光线的夹角小于10度。从钨灯光源41出来的光，经过斩波器42，再经过单色仪43变成单色光，再经过起偏器44变成线偏振光，其偏振方向与水平方向成45度，然后经过光弹性调制器45，照射在样品46上。经过样品反射的光经过检偏器47后被探测器48探测。探测的信号分别接入三台锁相放大器49、410、411。锁相放大器49的参考信号来自斩波器42，故其测量由斩波器调制的信号。锁相放大器410的参考信号是光弹性调制器45的I倍频信号，故其测量由光弹性调制器调制的I倍频信号。锁相放大器411的参考信号是光弹性调制器45的2倍频信号，故其测量由光弹性调制器调制的2倍频信号。由反射差分光谱测试系统可以获得样品的平面光学各向异性信号。其中，平面光学各向异性定义为Δ^.Λ.=2 (r[11Q]-r[11(l])/(r[11(l]+r[11(l])。表示当入射光的偏振方向沿着[110]晶向时样品的反射系数。图5中的箭头22、24、26分别指示阱宽为8、6、2纳米的量子阱的IHlE跃迁的能量位置，箭头23、25、27分别指示阱宽为8、6、2纳米的量子阱的ILlE跃迁的能量位置。从图5中可以看出，随着InAs插入层厚度的增加，IHlE和ILlE跃迁的能量位置发生了轻微的红移。
[0023]图2是本实施例中的样品B的半导体量子阱结构示意图。除了插入的InAs层13、14、15的厚度为I个单原子层外，其他条件与样品A完全相同。此样品的平面光学各向异性谱线如图5中曲线20所示。为了能够清楚呈现各条曲线，曲线在竖直方向上进行了平移。
[0024]图3是本实施例中的样品C的半导体量子阱结构示意图。除了插入的InAs层16、17、18的厚度为1.5个单原子层外，其他条件与样品A完全相同。此样品的平面光学各向异性谱线如图5中曲线21所示。
[0025]从图5中可以得到不同阱宽的半导体量子阱的平面光学各向异性随InAs插入层厚度的变化，其结果显示在图6中。图6中显示的平面光学各向异性是指量子阱中IHlE和ILlE跃迁的平面光学各向异性的绝对值的和。图6中矩形符号51、圆形符号52、三角形符号53分别表示实验测得的阱宽为2、6、8纳米的量子阱的平面光学各向异性。从图6可以看出，对于给定的量子阱宽度，比如固定阱宽为6nm，其平面光学各向异性强度随InAs插入层厚度的增加而增大。从而实现了调控量子阱平面光学各向异性的目的。
[0026]半导体量子阱的平面光学各向异性主要是由轻重空穴的混合引起的，而轻重空穴的混合又是由体系的对称性降低引起的。在理论上，半导体量子阱的平面光学各向异性可以通过6带k*p理论进行模拟。其哈密顿量可表示为#=凡+#’，其中，怂为不考虑轻重空穴发生耦合的哈密顿量，为考虑轻重空穴耦合的微扰哈密顿量，它们可表示为:
【权利要求】
1.一种调控半导体量子阱材料平面光学各向异性的方法，其特征在于:所测量的样品为生长于(OOl)面闪锌矿结构半导体材料上的半导体量子阱样品；所述半导体量子阱样品为单晶结构；所述半导体量子阱样品的阱层与垒层插入InAs层；所述InAs层的厚度为原子层级别。
2.根据权利要求1所述的一种调控半导体量子阱材料平面光学各向异性的方法，其特征在于:所述InAs层的材料与所述半导体量子阱的阱层及垒层的材料不同；所述InAs层的材料不进行掺杂。
3.根据权利要求1所述的一种调控半导体量子阱材料平面光学各向异性的方法，其特征在于:所述InAs层的厚度范围为0.5个原子层至η个原子层，其中，η为大于0.5的正数。
4.根据权利要求1所述的一种调控半导体量子阱材料平面光学各向异性的方法，其特征在于:所述半导体量子阱的阱宽为纳米量级。
5.根据权利要求1所述的一种调控半导体量子阱材料平面光学各向异性的方法，其特征在于:所述半导体量子阱的带阶分布属于I型结构，即电子和空穴被限制在同一种材料中。
【文档编号】H01L31/00GK103943689SQ201410187911
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年5月6日 优先权日:2014年5月6日
【发明者】俞金玲, 陈涌海, 汤晨光, 程树英, 赖云锋, 郑巧 申请人:福州大学