专利名称：降低蓝移的InP基激光器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及半导体量子阱结构，更具体地说，本发明涉及能够更好地控制其之比变量的InP和InGaAs量子阱二极管激光器。
背景技术：
许多先进的电子和光电子集成电路都是基于诸如Ⅲ-Ⅴ族半导体的化合物半导体。砷化镓(GaAs)便是一项已成熟技术的基础，而磷化铟(InP)和相关材料还没有这么成熟，但是已经受到人们极大关注，尤其是在特别适合与石英光纤相集成的1.55μm光波长波段工作的诸如激光器和光学调制器的有源光电子器件方面。铟镓砷(InGaAs)通常被看作是InP基的材料，因为能够制备出晶格常数变化极小同时在具有重要商业价值的1550nm光谱上提供能带隙控制的InP合金。
Ⅲ-Ⅴ族半导体的根本优点在于能够采用诸如有机物金属化学汽相淀积法(OMCVD)和分子束外延法(MBE)等现代薄膜生长技术外延生长几乎任意组分的Ⅲ-Ⅴ族薄膜，假设Ⅲ族阳离子和Ⅴ族阴离子相等，因此能够获得许多重要的半导体特性，如自由设定电子能带隙。Ⅱ-Ⅵ族半导体具有同样的自由度。能够如此实现的一种重要结构是激光器和调制器经常使用的单量子阱或多量子阱(MQC)结构，
图1以示意图方式示出这种结构一个例子，水平轴代表外延生长方向，垂直轴代表不同材料的电子能带隙。例如，电子二极管结构包括n型InP层10和p型InP层12，它们将未掺杂有源层14夹在当中，未掺杂的有源层14包括InGaAs阱16和InGaAsP势垒18交替层叠的薄膜层。阱和势垒14和16足够薄，通常小于10nm，在阱14中形成一个或多个量子机制价带状态20和导电状态22。量子阱的数目可以是一个也可以是多个。
在阱14中价带和导电状态20与22之间的有效能带隙与阱的材料组分和阱的厚度有关。尽管通常将组分选择为与InP衬底相匹配的晶格，但是，可以在阱和势垒中引入可控制的应变量，进一步控制电子能带结构。结果是有源层14具有高的窄电子状态密度，假设阱14制作得很好，可以方便地改变决定光学特性的有效能带隙。在典型的光电子器件中，将电引线连接到两个InP层10和12上，在垂直于图所示z轴方向的方向上沿有源层14形成未示出的光学波导结构，从而将有源层14中的大部分光波限制在与电学控制载流子相互作用的地方。
然而，形成光学限定结构的工艺会使多量子阱结构产生退化。在图2的截面图中示出了典型的简化埋入式异质结构MQC激光器的设想。生长图1所示的垂直平面结构，然后，形成图案并刻蚀，从而形成沿y方向延伸的脊，沿包含多量子阱的有源层14的x方向有一有限的宽度。此后，在脊的周围再外延生长半绝缘InP 24，降低有源层14相对于周围材料折射率的双比度，限制流入有源层14的偏置电流。为了便于说明，对图2所示的结构作了简化。例如可以包括更多的层，更好地把光限定在纤芯中，但是图示的结构已足以说明本发明的效果。Odagawa等人在“在零偏置条件下应变InGaAs/InGaAsP MQC激光器的高速操作”IEEE J.Quan.Electron.Vol.29,1993,pp.1682-1686和Aoki等人在“利用MQC结构的平面内量子能量控制的DFB激光器和电子吸收调制器的单片集成”International J.of High Speed Electronics and Systems Vol.5,1994,pp.67-90中描述了埋入式异质结构激光器的更实际的结构。
再生长的较厚半绝缘层24使大量的热堆积在已经制备的量子阱上。即使后生长的上部覆盖层12也招致明显的热堆积。这些材料的OMCVD通常是在625至650℃之间进行的，所以应当预计到600至700℃之间的温度。对于显退火可能需要更高的温度。量子阱在这些温度范围的热处理通常已经观察到阱状态之间的能带隙的蓝移。即阱状态的有效能带隙退火到较大的带隙能量。此外，势阱会失去其矩形形状。Aoki等人所述的结构包括具有不同阱厚度的激光器和调制器，二者都涉及再生长，一个是上部p型InP层，另一个是半绝缘InP。因此，预计到明显的蓝移，但是激光器和调制器的蓝移量是不同的，因为阱厚度不同。
已经观察到在为1515nm设计的器件中，光致发光峰值的蓝移大小约为10至40nm。然而，蓝移在一块基片上是变化的，在不同基片之间也是变化的。光致辐射波长峰值的漂移反映了制备激光器和调制器中问题，因为例如分布反馈激光器的最佳性能需要增益峰值的波长与光栅节距相匹配。在调制器的情况中，不同多量子阱之间的蓝移偏差将产生吸收随波长不太陡峭的变化，由此劣化了调制器的性能。
已经提出几种降低蓝移的建议。一种是采用高位错密度的衬底，位错管对于造成蓝移的推测为磷填隙的物质起吸附场所的作用。由于高密度位错的衬底对在其上形成的器件存在可靠性的问题，这种解决办法没有吸引力。
另一项建议涉及采用应变量子阱，其中阱和势垒都具有相同的Ⅴ族化合物As/P组分比，由此而避免移动磷的效应。尽管这种解决办法似乎是有效的，但是它限制了器件设计。
在第五届磷化铟及相关材料的国际会议论文集中，1993年4月19-22日，法国巴黎(IEEE#93CH3276-3)，有几个小组报告了他们对蓝移机制的理解。见Glew“InGaAs/InGaAsP量子阱的互扩散”，ibid.pp.29-32；Gillin等人“In0.66Ga0.33As/In0.66Ga0.33As0.7P0.3量子阱结构中的Ⅴ族材料互扩散”，ibid,pp.33-35；Camassel等人“应变InGaAs/InGaAsP MQC热稳定性的实验研究”，ibid.,pp.36-39；Vettese等人“热退火对长波长InGaAs/InGaAsP多量子阱激光器影响的研究”，ibid,pp.40-44。尽管磷的扩散是一个反复出现的课题，但是与蓝移机制不一致。
于是，需要一种更可靠、限制更少的方法来控制和降低InP基和有关四元量子阱结构中的蓝移。
发明概要本发明可以概述为一种基于化合物半导体，尤其是InP、InGaAs和有关Ⅲ-Ⅴ族半导体的量子阱结构，其中，在量子阱与衬底之间形成一层势垒层。较佳地，势垒层含有铝，例如可以是AlGaInAs，它可以阻止物质从衬底扩散到量子阱中，否则会引起量子阱电子状态的蓝移。
附图简述图1是具有多量子阱有源层的传统半导体二极管的组分和能带结构示意图。
图2是采用图1所示多量子阱结构的传统埋入式异质结构激光器的截面图。
图3是本发明第一实施例的截面图，包括InP基多量子阱之下和InP缓冲层之上的AlGaInAs势垒层。
图4是本发明第二实施例的截面图，包括InP缓冲层之下的AlGaInAs势垒层。
图5是本发明第三实施例的截面图，包括主要的InP缓冲层，其中AlGaInAs势垒层被再划分并与另外的InP缓冲层相交叠。
图6是本发明第四实施例的截面图，它缺少第三实施例中的主要InP缓冲层。
图7是本发明第五实施例的截面图，包括在量子阱上形成的势垒层。
图8和图9是本发明第六和第七实施例的截面图，其中在势垒层上形成图案，提供横向可变的蓝移。
较佳实施例的详述根据本发明，含有大量铝的Ⅲ-Ⅴ族半导体层对于在其顶部生长的量子阱层而言起扩散势垒的作用。在本发明的一项特别重要的应用中，AlGaInAs层外延淀积在InP衬底上，起阻挡衬底中物质的有效扩散势垒的作用，从而保护AlGaInAs势垒层上形成的量子阱和势垒。量子阱结构是由化合物半导体，如InGaAsP/InGaAs、InGaAsP/InGaAsP、InP/InGaAsP等Ⅲ-Ⅴ族材料化合物组成的。
势垒层的厚度最好在100纳米至500纳米范围之内。尽管只要应变层的厚度不超过产生位错的赝形变极限，AlGaInAs能够略有应变，较佳AlGaInAs势垒材料的组分最好与InP晶格匹配。较佳地，AlGaInAs势垒材料的Al含量在AlInAs组分与AlGaInAs组分之间，提供能带隙波长λg=1.3μm。与InP晶格匹配的AlxGayIn1-x-yAs的带隙能量由下式给出Eg(eV)=0.75-1.548x(1)而1-x-y=0.53(2)能带隙波长由下式给出λg=1238Eg(eV)----(3)]]>势垒层可以另外含有其它成分，提供更完善的能带隙和应变调节功能。具体地说，可以含有一些磷。
图3截面图示出了本发明的第一个实施例。在n+型InP衬底30上外延淀积一层厚度为0.5至1.0μm的n+型InP缓冲层32，其上外延淀积光致发光能带隙λg=0.95μm的AlGaInAs势垒层34。其厚度范围在0.1至0.5μm之间。通常，在二极管结构中，光敏区的相对两侧的层进行相反两种导电率类型的重掺杂。然而，只有该层的厚度相对较厚时才需要掺杂。如果层的厚度为0.1μm或更小，那么，未掺杂或部分掺杂的层仍然给光敏区提供所需的导电率。这里，未掺杂的1μm厚的AlGaInAs势垒层34成为相邻光敏区的一部分。
在势垒层34上外延淀积未掺杂的多量子阱结构，它包括5个周期交替的量子阱层36与势垒层38再加另外一层端面势垒层。量子阱层36为张力应变σ=-0.3％、厚度为7nm的InGaAs组分。势垒层为λg=1.2μm、厚度为10nm的InGaAsP组分。在量子阱结构上外延生长一层厚度约0.1μm的未掺杂InP保护覆盖层40。覆盖层40的组分根据实验用途而定，提供与比较例最接近的比较。在商品器件中，尽管需要这样的覆盖层还不清楚，但是覆盖层可以由四元材料InGaAsP形成。根据光学结构的要求，可在覆盖层40上生长其它的层。在任何一种情况中，AlGaInAs势垒层34可阻止量子阱结构36、38与InP衬底30之间的互扩散。上面和下面列出的具体结构、组分和厚度仅是举例而已。本发明的各个实施例可以有所不同。
图4截面图中所示的本发明第二实施例与图3的不同之处在于，AlGaInAs势垒层34位于InP缓冲层32之下，缓冲层32邻接量子阱结构36、38。从这个实施例可看出这样一个事实，1μm厚的缓冲层32对于Ⅴ族化合物的扩散作用很小，如果这确实是蓝移的起因，那么，缓冲层32可以置于势垒层34与量子阱结构36、38之间。
图5截面图中所示的本发明第三实施例与图4所示第二实施例的不同之处在于，AlGaInAs势垒层分为五个n+型AlGaInAs(λg=1.2μm)势垒子层44，与四个n+型InP缓冲子层46在超晶格结构中交叠。AlGaInAs势垒子层44与InP缓冲子层46的厚度都为例如0.1μm。缓冲子层46与初始InP缓冲层32一起给下一步外延生长提供高质量的衬底，而势垒子层44阻止下方InP中的物质互扩散到量子阱结构36、38中。在第三实施例中，直接位于量子阱结构36、38下方的材料是势垒子层44中的一层，以致连InP薄层也没有阻止进入量子阱中。
图6截面图中所示的本发明第四实施例与图5所示第三实施例的不同之处在于，它缺少初始InP缓冲层32，所以，势垒和缓冲子层44、46的超晶格直接生长在衬底30上。
图7截面图中所示的本发明第五实施例改善了图3所示第一实施例，在量子阱结构上方包括一层势垒层。具体说，在在量子阱结构36、38上外延形成一层厚度为10nm的薄InP上保护层50。这一层50是针对实验而设定的，在商品器件中可以被四元InGaAsP保护层所代替或者可以完全省却。在薄保护层50上方形成厚度为0.1μm的上部AlGaInAs势垒层52，然后是厚度为0.1μm的InP覆盖层40。上部势垒层52保护量子阱结构36、38免受退火操作步骤中采用的含有磷的磷化氢环境的影响，还保护量子阱结构免于同InP覆盖层40和其上形成的层互扩散，尽管同过度生长外延层的互扩散是否有问题还不清楚。在任何一种情况中，InP上保护层50都足够薄，不会成为蓝移物质的主要来源。
在有些实验样品中，已经在其上侧没有用势垒层保护的量子阱结构上生长了厚达2μm的InP。对于这种厚的InP覆盖层没有蓝移作用。因此，可以相信，对蓝移有作用的物质来源于厚得多的InP衬底。
实验图3所示的本发明第一实施例的结构是采用OMCVD法在76托压力和约1.3nm/s生长率下生长的。先兆反应物为三甲基镓、三甲基铝、砷和磷化氢，运载气体为氢。采用硫化氢或乙硅烷获得n型掺杂；采用二乙基锌获得p型掺杂。采用相同工艺和相同的整体结构生长比较结构，但是缺少AlGaInAs势垒层34。
在生长本发明结构和比较结构后，使它们都经平面再生长工艺形成埋入式MQW异质结构波导。然后，在再生长前后对量子阱结构进行光致发光试验。结果示于表1中。
表1
这些数据表明，采用本发明能够使1515nm峰值的蓝移降低到几乎十分之本发明能够使蓝移局限于选定的光电子集成电路区域。这个工艺对于将激光器和调制器二者都集成到同一个OEIC上特别有用，两个元件要求在MQW发射光谱中的峰值略有不同。Francis等人在“InGaAsP/InGaAs(P)量子阱通过与磷压力和介电覆盖层热学互混合的选择性能带隙蓝移”J.of Appl.Phy.Vol.75,1994,pp.3507-3510和Hamoudi在“在SiO:P密封物中压缩应变InGaAsP多量子阱的受控无序化以及在激光器-调制器集成中的应用”J.of Appl.Phy.Vol.78,1995,pp.5638-3641中已经描述了同样的选择性蓝移。本发明的选择性蓝移比Aoki等人在集成激光器和调制器中实现不同特征波长中所述的工艺提供了更大的灵活性。
根据本发明，通过在一层或多层势垒层上形成图案，可实现蓝移的选择性局部化。图8截面图中所示的利用局部化蓝移的本发明第六实施例与图4所示的第二实施例的不同之处在于，底部AlGaInAs势垒层60部分位于量子阱结构36、38下方InP缓冲层62之下，分为两组区域64、66。除了形成图案以外，势垒层60与图4所示的势垒层34是相同的，缓冲层62与图4所示的缓冲层32是相同的。但是，缓冲层62附带起着平滑地覆盖开孔势垒层60的平面化层的作用。第一组区域64包括势垒层60，因此经历最小的蓝移，然而势垒层60并不延伸到第二区域66中，因此，它经历了实质性的蓝移。
本发明的有关第七实施例仅在量子阱上形成势垒图案。如图9截面图所示，量子阱36、38直接生长在InP缓冲层32上，下方没有势垒层。而是淀积具有图3和4中势垒层34物理特性的势垒层68并形成图案，所以势垒层68存在于第一区域70，但是不存在于第二区域72。InP覆盖层74淀积在形成图案的势垒层上，既保护下方的结构又对其上表面平面化。
在第七实施例中，在第一区域70中的势垒层68阻止导致蓝移的物质进一步向上迁移，它会比较自由地从InP衬底30中向上迁移。因此，物质累积在第一区域70内的量子阱结构36、38中，可观察到较大的蓝移。然而，在未采用上部势垒层保护的第二区域72中，蓝移物质通过量子阱36、38迁移，并通过它继续向上迁移。因此，有些蓝移物质仍留在第二区域72中，但是含量比第一区域74中的小。因此，第二区域72中存在一些蓝移，但是比第一区域70中的蓝移小。
尽管图8和9所示的形成有图案的截面图示出势垒中很窄的孔，但是利用较大图案化的图案蓝移特别有用的应用，包括位于较低能量、较小蓝移区域内的MQW二极管激光器和位于较高能量、较大蓝移区域内的MQW光学调制器。
尽管例子和本发明所述实施例已经包括多量子阱，但是本发明可以应用于单量子阱的结构和其它需要非常薄的半导体层的器件，这里，厚度是非常重要的。
尽管所述实施例的量子阱已经运用到埋入式异质结构激光器波导中，但是，本发明并不限于此。能够对不同的应用以多种结构形成光学MQW结构，例如，上述的光学调制器。确实，量子阱能够有利地应用于非光学电子电路中。
因此，本发明提供一种降低量子阱器件中蓝移的既简便又经济的方法。对于未形成图案的势垒，对于每一势垒层或子层需要额外增加一步淀积步骤，但是额外生长会招致少量惩罚。对于形成图案的势垒，需要用光刻术限定势垒层的额外步骤，但是，由此可获得不同能带隙的两个区域。
权利要求书按照条约第19条的修改1．一种量子阱器件，其特征在于它包括含有铟和磷的衬底；在所述衬底上外延形成的InP基量子阱结构；以及阻止因衬底中的物质扩散到量子阱结构中而在量子阱电子状态中产生蓝移的装置，所述装置包括至少一层与所述量子阱结构一同起作用的势垒层，所述势垒层含有外延形成在所述衬底上的铝、铟和砷。
2．如权利要求1所述的器件，其特征在于所述势垒层还含有镓。
3．如权利要求2所述的器件，其特征在于所述势垒层形成在所述衬底与所述量子阱结构之间。
4．如权利要求3所述的器件，其特征在于进一步包括设置在所述衬底与所述量子阱结构之间并含有铟和磷的缓冲层。
5．如权利要求1所述的器件，其特征在于所述势垒层的厚度至少为100nm。
6．一种量子阱器件，其特征在于它包括含有铟和磷的衬底；在所述衬底上外延形成的InP基量子阱结构；设置在所述衬底与所述量子阱结构之间并含有铟和磷的缓冲层；以及至少一层与所述量子阱层一同起作用的势垒层，所述势垒层含有外延形成在所述衬底上的铝、铟和砷，所述势垒层和所述缓冲层二者各包括多个相互交叠的子层。
7．如权利要求2所述的器件，其特征在于所述势垒层是在所述量子阱结构上形成的。
8．如权利要求1所述的器件，其特征在于将所述量子阱结构形成在沿所述衬底表面延伸的波导结构中。
9．如权利要求1所述的器件，其特征在于在所述势垒层上形成横向图案，提供多个具有不同特性光学波长的量子阱结构区域。
10．一种InP基量子阱器件，其特征在于它包括含有InP的衬底；
一种含有选自一组InGaAsP/InGaAs、InGaAsP/InGaAsP、InP/InGaAsP的成对组分材料的量子阱结构；以及阻止因衬底中物质扩散到量子阱结构而在量子阱电子状态中产生蓝移的装置，所述装置包括含有在所述衬底上外延形成的Al、Ga、In和As的势垒层，所述量子阱结构是在所述势垒层上外延形成的。
11．如权利要求10所述的器件，其特征在于所述势垒层还含有P。
12．一种InP基量子阱器件，其特征在于它包括含有InP的衬底；势垒层包括在所述衬底上外延形成的Al、Ga、In和As；以及量子阱结构在所述势垒层上外延形成，含有选自一组InGaAsP/InGaAs、InGaAsP/InGaAsP、InP/InGaAsP的成对组分材料，这里，所述势垒层包括多层势垒子层并进一步包括多层含有InP并与所述势垒子层相交叠的缓冲子层。
按PCT条约第19条(1)所作的声明对原始递交的权利要求1至20作了修改，阐明了权利要求的用语以及改进了权利要求的形式。修改不涉及本申请的说明书和附图。
权利要求
1．一种量子阱器件，其特征在于它包括含有铟和磷的衬底；在所述衬底上外延形成的InP基量子阱结构；以及至少一层与所述量子阱结构一同在所述衬底上外延形成的含有铝、铟和砷的势垒层。
2．如权利要求1所述的器件，其特征在于所述势垒层还含有镓。
3．如权利要求2所述的器件，其特征在于所述势垒层形成在所述衬底与所述量子阱结构之间。
4．如权利要求3所述的器件，其特征在于进一步包括设置在所述衬底与所述量子阱结构之间并含有铟和磷的缓冲层。
5．如权利要求4所述的器件，其特征在于所述势垒层和所述缓冲层各自都包括多个相互交叠的子层。
6．如权利要求2所述的器件，其特征在于所述势垒层形成在所述量子阱结构上。
7．如权利要求1所述的器件，其特征在于所述量子阱结构形成到沿所述衬底表面延伸的波导结构中。
8．如权利要求1所述的器件，其特征在于所述势垒层形成横向图案，提供多个具有不同特征光学波长的所述量子阱区域。
9．一种光敏的InP基量子阱器件，其特征在于它包括含有InP的衬底；在所述衬底上外延形成的含有Al、Ga和As的势垒层；以及在所述势垒层上外延形成的并含有选自InGaAsP/InGaAs、InGaAsP/InGaAsP、InP/InGaAs、InP/InGaAsP的成对组分材料的量子阱结构。
10．如权利要求9所述的量子阱器件，其特征在于所述势垒层还含有In。
11．如权利要求10所述的量子阱器件，其特征在于所述势垒层还含有P。
12．如权利要求9所述的量子阱器件，其特征在于所述势垒层还含有P。
13．如权利要求9所述的量子阱器件，其特征在于所述势垒层包括多个势垒子层，进一步包括多个含有InP的势垒子层并与所述势垒子层交叠。
14．一种制备量子阱器件的方法，其特征在于该方法包括步骤在含有In和P的衬底上外延形成包括含Al化合物半导体的势垒层的第一步骤；在所述势垒层上外延形成至少一个量子阱并环绕势垒的第二步骤，每一步包括InP基组分。
15．如权利要求14所述的方法，其特征在于所述的第一形成步骤包括在所述势垒层上形成横向图案。
16．如权利要求14所述的方法，其特征在于所述至少一个量子阱和所述势垒包括选自InGaAsP/InGaAs、InGaAsP/InGaAsP、InP/InGaAs、InP/InGaAsP的各个组分。
17．一种形成具有不同特征能量区域的量子阱器件的方法，其特征在于该方法包括步骤在含有铟和磷的衬底上形成InP基量子阱结构；在所述量子阱结构上形成有图案的势垒层；以及在高于600℃的温度下对所述量子阱结构进行热处理，由此形成有能量图案的量子阱结构。
18．如权利要求17所述的方法，其特征在于所述势垒层包括Al。
19．如权利要求18所述的方法，其特征在于所述势垒层还包括Ga和Ir。
20．如权利要求17所述的方法，其特征在于所述热处理步骤包括在所述量子阱结构上淀积另外的层。
全文摘要
一种InP基光电子集成电路,包括具有一个或多个量子阱(36、38)的有源层。根据本发明,AlGaInAs势垒层(34)较佳地在量子阱与衬底(30)之间形成,阻止物质从衬底和底部InP层迁移,迁移会使量子阱的发射波长向短波长漂移,即蓝移。能够在势垒层上形成图案,在退火期间使量子阱一部分面积呈现向短波长蓝移而另一部分面积保持其较长的波长。
文档编号H01S5/343GK1221520SQ97195204
公开日1999年6月30日 申请日期1997年5月5日 优先权日1996年6月3日
发明者R·巴特 申请人:贝尔通讯研究股份有限公司