专利名称：一种包含赝衬底的InP基应变量子阱结构及制备方法
技术领域：
本发明属于InP衬底上的半导体材料与器件及其制备领域，特别涉及一种包含赝 衬底的InP基应变量子阱结构及制备方法。
背景技术：
InP衬底上的半导体材料与器件已经发展了数十年，材料生长和器件制备工艺 较为成熟，特别是与InP衬底晶格匹配的材料体系具有设计和生长较简单的优点，得到 了很好的发展。例如，可以与InP衬底匹配的以Ina 52A10.48As或InGaAsP为量子势垒、 Ino.53Ga0 4 As 为量子,I^t1 的 In0 52A10 48As/In0 53Ga0 47&s、InGaAsP/In0 53Ga0 47As 体系量子结 构已经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，特别是此类量子阱 结构的发光波长可以覆盖长波光纤通信所需的1. 31 μ m和1. 55 μ m波段而得到了飞速发 展。应用化合物半导体材料构成量子结构的方法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。随着研究的深入，与InP衬底晶格匹配的材料体系在人们设计量子阱结构的时候 具有许多限制，不能满足一些新的应用需求。与InP衬底晶格匹配材料体系的量子阱结构 在设计时对于势垒和势阱材料组分的可调余地很小，三元系材料具有确定的组分，四元系 材料在调节组分时也局限于固定的晶格常数而缺少自由度，如果摆脱与InP衬底晶格匹配 的束缚而引入失配材料则可以量子结构和功能的设计和实现引入了更大的自由度。例如， 短波红外中波长较长的2-3 μ m波段范围包含很多气体分子的特征吸收谱线，在该波段范 围内的单模激光器在高分辨率高灵敏度化学气体分析、分子光谱、大气污染监测、泄漏监 测、药物监测、医学诊断等方面具有重要的应用。同时，该波长范围的大功率激光器在激光 雷达、遥感成像、防撞系统等方面也有广阔的应用前景。对于工作在此波长范围的激光器而 言，与GaSb衬底晶格匹配的AlGaAsSb/InGaAsSb量子阱激光器已经得到了充分的发展和较 好的器件性能，但是锑化物体系本身具有难腐蚀、低热导率等一些弱点，量子级联激光器则 由于材料导带带阶的限制而很难在此波段范围有所建树。InP基材料比GaSb基材料具有更 成熟的生长技术和更成熟更可靠的工艺条件，通过增加InP基InGaAs体系量子阱中In的 组分可以使InGaAs量子阱的发光波长大于1. 6 μ m，在2_3 μ m波段范围具有很好的潜力，目 前报道的室温最长发光波长达到2. 5 μ m左右。与InP衬底失配的应变量子阱结构在设计 时需要考虑应变材料的临界厚度，应变量越大则临界厚度越小，相应量子阱层厚受到限制， 所以量子阱发光波长很难继续扩展，例如在InP衬底上直接生长InAs作为势阱层的量子阱 结构时InAs势阱不能超过约5nm，对应发光波长约2. 5 μ m。为了获得更长的发光波长，需 要控制失配量子阱的总应变量，设计应变补偿结构是一个主要的途径，然而若量子势阱或 势垒相对衬底的失配度很大则单层势阱或势垒的层厚仍受到限制。针对InP基应变量子阱结构设计及制备工艺实现存在的问题，有必要对其结构及 制备方法进行创新，使得在InP衬底上生长大应变量子阱结构变得可行。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种包含赝衬底的InP基应变量子阱结构及 制备方法，本发明包含赝衬底的InP基应变量子阱结构既适合于需要采用与InP衬底具有 大应变的量子阱的半导体激光器，也适合于其他新型电子或光电子器件，具有很好的通用 性；应用此制备方法，为InP基量子结构和功能的设计和实现引入了更大的自由度。本发明的一种包含赝衬底的InP基应变量子阱结构，包括由下而上依次为InP衬 底、与衬底晶格失配的赝衬底以及相对赝衬底应变补偿的量子阱结构，其中赝衬底包括组 分连续渐变缓冲层及单一组分缓冲层。所述的量子阱结构相对InP衬底都具有很大的正失配或都具有很大的负失配，相 对赝衬底应变补偿。以在InP衬底上生长Ina53Gaa47As为势垒层、InAs为势阱层的应变Ina53Gaa47As/ InAs量子阱为例，所述赝衬底包括厚度为2. 5 μ m的InxAlhAs组分渐变缓冲层及厚度 为1. 0μ m的Ina8Gaa2As单层缓冲层，其中，0. 52 ≤χ ≤0. 80 ；InAs势阱层厚度为IOnm, Ina53Gaa47As势垒层厚度为7匪，量子阱数目为2。本发明的一种包含赝衬底的InP基应变量子阱结构的制备方法，包括(1)在正式生长之前先确定在InP衬底上生长晶格匹配材料的束源炉温度、衬底 温度；(2)采用分子束外延法，首先在InP衬底上生长组分连续渐变的缓冲层；再以结束 生长时的生长条件生长单一组分的材料作为缓冲层，完成赝衬底的生长；(3)然后在步骤(2)生长完的赝衬底上生长相对赝衬底应变补偿的量子阱结构。以在InP衬底上生长以Ina53Gaa47As为势垒层、InAs为势阱层的应变 In0.53Ga0.47As/InAs量子阱为例，具体步骤如下(1)在正式生长之前先确定在InP衬底上生长晶格匹配Ina52Ala48As和 Ina53Gaa47As的束源炉温度、衬底温度；(2) In和Al束源炉的温度从生长Ina 52A10.48As时的束源炉温度开始分别以 0. 0020C /s和0. 0040C /s的变温速率同时上升18°C和下降36°C的生长条件直接生长厚 度为2. 5 μ m的InxAlhAs组分渐变缓冲层，0. 52 ≤ χ≤0. 80 ；In和Ga束源炉温度比生长 Ina53Gaa47As时的炉温分别以0. 002°C /s和0. 004°C /s的变温速率同时上升18°C和下降 36°C的生长条件直接生长厚度为1. Ομπι的Ina8Gaa2As单层缓冲层，完成赝衬底的生长；(3)生长过程In束源炉温度不变，生长完7nm的Ina53Gaa47As势垒层后关闭Ga炉 快门不间断生长IOnm InAs势阱层，完成量子阱数目为2、厚度为IOnm的InAs势阱层及厚 度为7nm的Ina53Gaa47As势垒层的应变补偿的量子阱结构生长。本发明涉及的原理如下(1)赝衬底结构和材料体系的选择考虑到量子势阱层相对InP衬底具有较大的失配度，由组分连续渐变缓冲层及单 一组分缓冲层构成的缓冲层结构可以很好地起到限制失配位错的缓冲效果也易于采用分 子束外延等生长工艺实现，从而获得较理想的赝衬底。在组分连续渐变缓冲层中，缓冲层材 料体系可以选择与势阱层相同或类似的材料，缓冲层组分从与InP衬底晶格匹配的组分开 始，连续渐变至晶格常数与势阱层接近的组分。单一组分缓冲层则与组分连续渐变缓冲层的终点相同，采用组分连续渐变缓冲层结束生长时的生长条件进行生长，生长过程无需间 断。通过生长缓冲层结构构建赝衬底，使得在赝衬底顶部材料完全弛豫，具有完整的晶格、 低的位错密度以及良好的结构和光电特性。虽然势阱层相对InP衬底的失配度未变，但相 对赝衬底的失配度则已经大大减小。(2)应变量子阱结构的设计在设计应变量子阱结构时的可调参数主要包括势垒层材料体系、势阱势垒层的厚 度和量子阱周期数。在选择势垒层材料体系时要求势阱和势垒相对赝衬底形成应变补偿， 即若势阱层相对赝衬底为正失配则势垒层相对赝衬底要为负失配，反之，若势阱层相对赝 衬底为负失配则势垒层相对赝衬底要为正失配。在设计势阱势垒层的厚度和量子阱周期数 等参数时势阱和势垒单层厚度不能超过临界厚度，对于应变量较大的量子阱结构，为保证 量子阱材料的质量控制位错，量子阱周期数目也不能过大，一般不超过5个为宜。有益效果(1)本发明包含赝衬底的InP基应变量子阱结构既适合于需要采用与InP衬底具 有大应变的量子阱的半导体激光器，也适合于其他新型电子或光电子器件，具有很好的通 用性；(2)应用此制备方法可以给量子阱结构的应变提供补偿控制总应变量，可以增加 量子阱层的临界厚度和量子阱数目，从而提高量子阱材料与相应器件质量，特别适用于与 衬底间具有大失配的量子阱结构并可以扩展量子阱的发光波长，为InP基量子结构和功能 的设计和实现引入了更大的自由度。
图1为本发明提供的一种包含赝衬底的InP基应变量子阱结构示意图；图2为本发明提供的一种包含赝衬底的InP基长波长应变Ina53Gaa47AsAnAs量 子阱结构示意图；图3为包含赝衬底的InP基长波长应变Ina53Gaa47AsAnAs量子阱结构的室温光 致发光谱。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人 员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定 的范围。实施例1(1)采用分子束外延方法生长材料，如图2所示，量子阱中InAs势阱层厚为10nm， Ina53Gaa47As势垒层厚为7nm，量子阱结构相对Ina8Gaa2As单层缓冲层构成应变补偿，量子 阱数目取为2，即生长双量子阱结构。若将此量子阱结构直接生长在InP衬底上，由于具 有势阱层相对衬底具有很大的失配度而且势阱厚达lOnm，InAs势阱将发生弛豫造成材料 质量极度退化，所以在InP衬底上先生长组分渐变缓冲层和单一组分缓冲层构筑赝衬底。 InxAlhAs缓冲层具有比InxGai_xAs缓冲层更优的性能而且InxAlhAs与InxGai_xAs在相同In组分下具有非常接近的晶格常数，在分子束外延生长中Al和Ga两种元素具有十分相近 的粘附系数可采用统一的外延参数进行生长，所以缓冲层结构采取由InxAlhAsU = 0. 52 to 0. 80)组分渐变缓冲层和Ina8Gaa2As单层缓冲层构成；(2)外延生长采用常规分子束外延方法，在正式生长之前先采用相同的In束源温 度通过预备生长确定在InP衬底上生长晶格匹配的Ina52Ala48As和Ina53Gaa47As时的束源 炉温度、衬底温度等生长条件，以衬底温度530°C为例；(3)在对Epi-Ready InP衬底进行氧化物脱附处理后以衬底温度530°C生长厚度 约2. 5 μ m的InxAlhAs (χ = 0. 52 to 0. 80)组分渐变缓冲层，In和Al束源炉的温度从生 长Ina52Ala48As时的束源炉温度开始分别以0. 0020C /s和0. 004°C /s的变温速率同时上 升18°C和下降36°C ；(4)以In和Ga束源炉温度比生长Ina 53Ga0.47As时的炉温分别上升18 V和下 降36 °C的生长条件直接生长厚度Ι.Ομπι的Ina8Gaa2As单层缓冲层，以0. 002 °C /s和 0. 004°C /s的变温速率同时上升18°C和下降36°C，完成赝衬底的生长；(5)在赝衬底上生长应变Ina53Gaa47AsAnAs双量子阱结构，生长过程In束源炉 温度不变，生长完7nm的Ina53Gaa47As势垒层后关闭Ga炉快门不间断生长IOnm InAs势阱 层；(6)结束生长，在保护气氛下降温，取出外延材料。采用傅立叶红外光谱仪测 量外延量子阱样品室温下的光致发光谱。所测结果如图3所示，主要包括2个峰，其中 波长约2. 43 μ m的发光峰是由Ina8Gaa2As所产生的，波长约2. 90 μ m的发光峰则是由 In0.53Ga0.47As/InAs量子阱产生的，发光波长得到了很大扩展，说明此包含InxAl^xAs和 Ina8Gaa2As赝衬底的InP基应变Ina53Gaa47AsAnAs量子阱结构取得了预期效果。
权利要求
一种包含赝衬底的InP基应变量子阱结构，其特征在于由下而上依次为InP衬底、与衬底晶格失配的赝衬底以及相对赝衬底应变补偿的量子阱结构，其中赝衬底包括组分连续渐变缓冲层及单一组分缓冲层。
2.根据权利要求1所述的一种包含赝衬底的InP基应变量子阱结构，其特征在于所 述的量子阱结构相对InP衬底都具有很大的正失配或都具有很大的负失配，相对赝衬底应 变补偿。
3.根据权利要求1所述的一种包含赝衬底的InP基应变量子阱结构，其特征在于以 在InP衬底上生长Ina53Gaa47As为势垒层、InAs为势阱层的应变Ina53Gaa47AsAnAs量子 阱为例，所述赝衬底包括厚度为2. 5 μ m的InxAlhAs组分渐变缓冲层及厚度为l.OymW Ina8Gaa2As单层缓冲层，其中，0. 52彡χ彡0. 80。
4.根据权利要求3所述的一种包含赝衬底的InP基应变量子阱结构，其特征在于以 在InP衬底上生长Ina53Gaa47As为势垒层、InAs为势阱层的应变Ina53Gaa47AsAnAs量子阱 为例，所述InAs势阱层厚度为lOnm，Ina53Gaa47As势垒层厚度为7nm，量子阱数目为2。
5.一种包含赝衬底的InP基应变量子阱结构的制备方法，包括(1)在正式生长之前先确定在InP衬底上生长晶格匹配材料的束源炉温度、衬底温度；(2)采用分子束外延法，首先在InP衬底上生长组分连续渐变的缓冲层；再以结束生长 时的生长条件生长单一组分的材料作为缓冲层，完成赝衬底的生长；(3)然后在步骤(2)生长完的赝衬底上生长相对赝衬底应变补偿的量子阱结构。
6.根据权利要求5所述的一种包含赝衬底的InP基应变量子阱结构的制备方法，其特 征在于以在InP衬底上生长以Ina 53Ga0.47As为势垒层、InAs为势阱层的应变Ina 53Ga0.47As/ InAs量子阱为例，具体步骤如下(1)在正式生长之前先确定在InP衬底上生长晶格匹配Ina52Ala48As和Ina53Gaa47As的 束源炉温度、衬底温度；(2)In和Al束源炉的温度从生长Ina52Ala48As时的束源炉温度开始分别以0. 002°C / s和0. 0040C /s的变温速率同时上升18°C和下降36°C的生长条件直接生长厚度为2. 5 μ m 的InxAlhAs组分渐变缓冲层，0. 52 ^ χ ^ 0. 80 ；In和Ga束源炉温度比生长Ina53Gaa47As 时的炉温分别以0. 0020C /s和0. 0040C /s的变温速率同时上升18°C和下降36°C的生长条 件直接生长厚度为1. 0 μ m的Ina8Gaa2As单层缓冲层，完成赝衬底的生长；(3)生长过程In束源炉温度不变，生长完7nm的Ina53Gaa47As势垒层后关闭Ga炉快门 不间断生长IOnm InAs势阱层，完成量子阱数目为2、厚度为IOnm的InAs势阱层及厚度为 7nm的Ina53Gaa47As势垒层的应变补偿的量子阱结构生长。
全文摘要
本发明涉及一种包含赝衬底的InP基应变量子阱结构及制备方法，自下而上为InP衬底、赝衬底和量子阱结构，其中赝衬底包括组分连续渐变缓冲层及单一组分缓冲层；制备方法即采用分子束外延法，首先在InP衬底上生长组分连续渐变的缓冲层；再生长单一组分的材料作为缓冲层，完成赝衬底的生长；生长完的赝衬底上生长相对赝衬底应变补偿的量子阱结构。本发明包含赝衬底的InP基应变量子阱结构既适合于需要采用与InP衬底具有大应变的量子阱的半导体激光器，也适合于其他新型电子或光电子器件，具有很好的通用性；应用此制备方法，为InP基量子结构和功能的设计和实现引入了更大的自由度。
文档编号H01S5/343GK101982905SQ20101029043
公开日2011年3月2日 申请日期2010年9月25日 优先权日2010年9月25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