双掺杂量子点有源区外延结构及其制备方法和应用

1.本发明涉及半导体技术领域技术，具体涉及一种双掺杂量子点有源区外延结构及其制备方法和应用。


背景技术：

2.光通信系统是现代信息社会的重要基础设施，随着云计算、万物互联、虚拟现实等新业务的不断发展，光通信系统的流量呈指数式增长，其耗电量也爆发式增长。半导体激光器是光纤通讯系统的核心部件，巨大的数据量和耗电量对其提出了高速率、低功耗、低成本的需求。量子点材料由于在三个维度上的尺寸都接近电子的德布罗意波长，因此具有和原子近似的分立的能级，其态密度为δ函数的形式。半导体量子点激光器展现出了低阈值电流密度、高微分增益、高温度稳定性、高速率以及低的频率啁啾效应等优越特性，有望成为下一代光通信系统的重要光源。
3.目前常采用在有源区引进p型掺杂来补偿量子点价带空穴分布的热展宽，提高量子点激光器的温度稳定性。但是单纯的p型掺杂通常会降低量子点导带电子的占据几率，同时由于在价带引入额外的空穴，提高了非辐射复合电流(主要是俄歇复合)，提升了粒子数反转的阈值条件，进而提升了量子点激光器的阈值电流，更高的阈值电流意味着更大的功耗和更高的热量，这对于降低器的功耗和保持工作稳定性都是不利的。


技术实现要素：

4.(一)要解决的技术问题
5.鉴于上述技术问题，本发明提供了一种基于低维半导体纳米结构量子点材料的空间分离的双掺杂量子点有源区外延结构及其制备方法和应用，改善了单纯p型掺杂带来的量子点光电器件非辐射复合电流增加的问题。
6.(二)技术方案
7.根据本发明的一个方面，提供了一种双掺杂量子点有源区外延结构，量子点有源区被配置为周期性的双掺杂量子点叠层结构，量子点有源区包括：
8.周期排列的n型掺杂层以及p型掺杂层；
9.其中，p型掺杂层与n型掺杂层发生协同作用。
10.量子点有源区还包括：
11.第一隔层，设置在周期排列的n型掺杂层和p型掺杂层之间；
12.第二隔层，设置在p型掺杂层的另一侧，另一侧与第一隔层所在一侧不同；
13.所述第一隔层用于提供应力调控；
14.所述第二隔层用于提供应力缓解。
15.n型掺杂层采用n型掺杂源掺杂的化合物半导体材料组成的零维量子点材料，化合物半导体材料包括inas、gasb、insb的一种，n型掺杂源包括与n型掺杂层相适配的n型掺杂元素，n型掺杂源包括si、c或te等，n型掺杂层的掺杂浓度为(0.0001-5)
×
10
19
cm-3
。
16.p型掺杂层包括p型掺杂的化合物半导体材料，化合物半导体材料包括与所述n型掺杂层材料体系相适配的多元化合物，化合物半导体材料包括gaas、gasb或inp等，p型掺杂源包括与p型掺杂层相适配的p型掺杂元素，p型掺杂源包括be、zn或mg等，第三盖层的掺杂浓度为(0.0001-5)
×
10
19
cm-3
。
17.第一隔层包括第一盖层与第二盖层，第二盖层和第二隔层采用与p型掺杂层晶格匹配的化合物半导体材料。
18.第一盖层采用与n型掺杂层和p型掺杂层材料体系相适配的多元化合物，所述化合物半导体材料包括in、ga、as、p、sb或al的多种元素的组合。
19.n型掺杂层包括未掺杂的第一量子点层、第三量子点层以及n型掺杂的第二量子点层。
20.量子点叠层周期数为1-100。
21.根据本发明的另一个方面，还提供了一种双掺杂量子点有源区外延结构的制备方法，包括：
22.在外延片上生长未掺杂的第一量子点层，量子点生长厚度为0-3单原子层；随后生长n型掺杂的第二量子点层，掺杂浓度的大小与量子点材料的面密度有关，量子点生长厚度为0-3单原子层，最后再生长未掺杂的第三量子点层，量子点生长厚度为0-3单原子层；其中第一量子点层、第二量子点层和第三量子点层的总厚度为0.1-9单原子层；
23.在第三量子点层上生长第一盖层，生长厚度为0-20nm；
24.在第一盖层上生长第二盖层，生长厚度为0-50nm；
25.在第二盖层上生长p型掺杂层，生长厚度为0.1-100nm；
26.在p型掺杂层上生长第二隔层，生长厚度为0-50nm；
27.重复制作1-100周期的量子点有源区形成叠层结构，形成多周期的量子点有源区。
28.根据本发明的另一个方面，还提供了双掺杂量子点有源区外延结构在半导体光电子器件的应用。
29.(三)有益效果
30.从上述技术方案可以看出，本发明双掺杂量子点有源区外延结构及其制备方法和应用具有以下有益效果：
31.本发明公开了一种空间分离的双掺杂量子点有源区结构及其制备方法和应用，即在量子点有源区内周期性重叠设置n型掺杂层和p型掺杂层，形成空间分离的n-p-n～p-n-p交替掺杂的结构，两种掺杂协同产生新的物理机制：一方面可以有效地钝化量子点周围的非辐射复合中心，降低载流子的损耗，提高材料的光学质量；另一方面可以提高量子点材料准费米能级的分离程度，提升材料峰值增益和微分增益。
32.双掺杂技术带来的显著提升的材料性能，可以适用于半导体量子点激光器、半导体量子点太阳能电池和半导体量子点探测器等半导体量子光电子器件。相较于的单一p型掺杂量子点激光器，可以实现更低的阈值电流、更高的斜率效率和更好的温度稳定性。
附图说明
33.图1是双掺杂量子点有源区外延结构示意图；
34.图2是p型掺杂和双掺杂的inas/gaas量子点激光器在25℃时脉冲电流注入下的光
功率-电流曲线图；
35.图3是p型掺杂和双掺杂的inas/gaas量子点激光器在不同温度时脉冲电流注入下的光功率-电流曲线图；
36.图4是p型掺杂和双掺杂的inas/gaas量子点激光器对25℃-65℃下的阈值电流的对数拟合得到的特征温度。
37.附图标记：
38.10：衬底；
39.20：有源区下包层；
40.30：量子点有源区；
41.31：n型掺杂层；
42.311：第一量子点层；
43.312：第二量子点层；
44.313：第三量子点层；
45.32：第一盖层；
46.33：第二盖层；
47.34：p型掺杂层；
48.35：第二隔层；
49.40：有源区上包层。
具体实施方式
50.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
51.图1是双掺杂量子点有源区外延结构示意图。
52.如图1所示，该双掺杂量子点有源区外延结构，量子点有源区30被配置为周期性的双掺杂量子点叠层结构，量子点有源区30包括：周期排列的n型掺杂层31以及p型掺杂层34。
53.根据本发明的实施例，其中，p型掺杂层34与n型掺杂层31发生协同作用。
54.通过在量子点有源区30内形成空间分离的n-p-n～p-n-p交替掺杂的结构，可以有效地钝化量子点周围的非辐射复合中心，降低载流子的损耗，提高材料的光学质量；还可以提高量子点材料准费米能级的分离程度，显著提升半导体量子点材料质量，降低载流子的损耗，提高材料峰值增益以及器件的温度稳定性，相较于的单一p型掺杂量子点激光器，可以实现更低的阈值电流、更高的斜率效率和更好的温度稳定性。
55.根据本发明的实施例，量子点有源区30还包括：
56.第一隔层，设置在周期排列的n型掺杂层31和p型掺杂层34之间；
57.第二隔层35，设置在p型掺杂层34的另一侧，另一侧与第一隔层所在一侧不同；
58.第一隔层用于提供应力调控，通过改变第一盖层的材料组分和厚度，能够调控发光波长的波段，改善量子点的光学性质；
59.第二隔层用于提供应力缓解，可以缓解积累的应力。
60.当n型掺杂层31和p型掺杂层34之间进行隔离后，能够规范n型掺杂层31和p型掺杂层34的空间导带，能够提升材料的稳定性。
61.根据本发明的实施例，n型掺杂层31采用n型掺杂源掺杂的化合物半导体材料，化合物半导体材料包括inas、gasb、insb的一种，n型掺杂源包括与n型掺杂层相适配的n型掺杂元素，n型掺杂源包括si、c或te等，n型掺杂层的掺杂浓度为(0.0001-5)
×
10
19
cm-3
。
62.半导体掺杂了五价的元素，形成n型半导体，多出一个电子，多出来的电子就成为了施主能级，他们极易成为自由电子，自由电子可以有效地钝化量子点附近的非辐射复合中心，降低载流子的损耗，同时可以提高导带电子的占据几率。
63.根据本发明的实施例，p型掺杂层34包括p型掺杂的化合物半导体材料，化合物半导体材料包括与所述n型掺杂层材料体系相适配的多元化合物，化合物半导体材料包括gaas、gasb或inp等，p型掺杂源包括与p型掺杂层相适配的p型掺杂元素，p型掺杂源包括be、zn或mg等，第三盖层的掺杂浓度为(0.0001-5)
×
10
19
cm-3
。
64.半导体掺杂了三价元素，形成p型半导体，那么由于三价元素只有三个电子，便会多出一个空位，形成了受主能级，量子点中激发的电子被这些空位所吸附，转移到了受主能级，提高了量子点中导带空穴的占据几率，有利于改善量子点导带和价带准费米能级分离的不对称性，提高材料的增益和温度稳定性。
65.根据本发明的实施例，第一隔层包括第一盖层32与第二盖层33，第二盖层33和第二隔层35采用与p型掺杂层34晶格匹配的化合物半导体材料。
66.根据本发明的实施例，第一盖层采用与n型掺杂层和p型掺杂层材料体系相适配的多元化合物，所述化合物半导体材料包括in、ga、as、p、sb或al的多种元素的组合。
67.第一盖层32的作用为提供应力调控，可以通过材料组分和厚度来调节n型掺杂层31的能带结构，可以调控量子点的大小，调控发光波长波段，一般采用与n型掺杂层31和p型掺杂层34材料体系相适配的多元化合物。例如：当n型掺杂层31和p型掺杂层34分别采用inas和gaas，组成inas/gaas体系时，第一盖层32则相应的采用ingaas材料；第二盖层33、p型掺杂层34和第二隔层35一起提供应力缓解，起到应力隔离的作用，防止已生长的量子点层的应力积累影响到下一层量子点的生长。
68.第一盖层32和第二盖层33可以分别采用低温盖层和高温盖层，与单盖层相比，第一盖层32和第二盖层33的设置，能够抑制量子点层发生原子共混，消融大的结合岛减小下层量子点的应力场，改善量子点的光学性质。而且，能够起到应力缓冲层的作用，能够拓展发光波长的波段，采用组分渐变的双盖层结构，也改善了量子点的光学性质。
69.根据本发明的实施例，n型掺杂层31包括未掺杂的第一量子点层311、第三量子点层313以及n型掺杂的第二量子点层312。
70.通过未掺杂的量子点层夹杂掺杂的量子点层也能够起到精确控制n型掺杂元素的位置和掺杂浓度，保持量子点良好形貌，提高量子点的掺杂均匀性，进而改善量子点的量子发光效率等光学特性。
71.根据本发明的实施例，量子点叠层周期数为1-100。
72.根据本发明的实施例，量子点有源区30两侧分别覆盖有源区下包层20和有源区上包层40，所述有源区下包层20复合于衬底10上。
73.根据本发明的实施例，衬底10采用半导体材料，所述半导体材料采用gaas、inp、si、soi等半导体材料。
74.根据本发明的实施例，有源区下包层20和有源区上包层40包括缓冲层、波导层、限
制层和欧姆接触层等，具有光学限制、电学限制或电学传导等作用，其材料包括但不限于gaas、inp、algaas、ingap、ingaas、gaassb等。
75.根据本发明的另一个方面，还提供了一种双掺杂量子点有源区外延结构的制备方法，包括：
76.将已生长有源区外包层20的衬底10作为外延片，在外延片上生长未掺杂的第一量子点层311，量子点生长厚度为0-3单原子层；随后生长n型掺杂的第二量子点层312，掺杂浓度的大小与量子点材料的面密度有关，量子点生长厚度为0-3单原子层，最后再生长未掺杂的第三量子点层313，量子点生长厚度为0-3单原子层；其中第一量子点层、第二量子点层和第三量子点层的总厚度为0.1-9单原子层；
77.在第三量子点层313上生长第一盖层32，生长厚度为0-20nm；
78.在第一盖层32上生长第二盖层33，生长厚度为0-50nm；
79.在第二盖层33上生长p型掺杂层34，生长厚度为0.1-100nm；
80.在p型掺杂层34上生长第二隔层35，生长厚度为0-50nm；
81.重复制作1-100周期的量子点有源区形成叠层结构，形成多周期的量子点有源区30。
82.双掺杂技术带来的显著提升的材料性能，可以适用于半导体量子点激光器、半导体量子点太阳能电池和半导体量子点探测器等半导体量子光电子器件。相较于的单一p型掺杂量子点激光器，可以实现更低的阈值电流、更高的斜率效率和更好的温度稳定性。
83.根据本发明的实施例，提供了一种双掺杂量子点有源区外延结构的制备方法，包括：
84.选择一衬底10，所述衬底10为n+型gaas衬底，晶向为100，其掺杂元素为si，掺杂浓度为(0.5-3)
×
10
18
cm-3
。
85.外延方法选择分子束外延(mbe)，在衬底10上外延生长有源区下包层20，其包括：外延生长一层gaas缓冲层，缓冲层生长厚度为0-500nm，对其进行n型掺杂，掺杂元素为si元素，掺杂浓度为(0.5-3)
×
10
18
cm-3
；在gaas缓冲层上外延生长algaas下盖层，生长厚度为1400nm。对其进行n型掺杂，掺杂元素为si元素，掺杂浓度为(0.1-1)
×
10
18
cm-3
。在algaas下包层上外延生长gaas下波导层，生长厚度为(50-100)nm。
86.在有源区下包层20上外延生长n型掺杂层31，其材质为inas，该量子点层为直接n型掺杂，分三个步骤：首先生长未掺杂的第一量子点层311，量子点生长厚度为(1-3)ml。随后生长n型掺杂的第二量子点层312，n型掺杂浓度为(0.0001-5)
×
10
19
cm-3
，掺杂源为si；并且掺杂浓度的大小与量子点材料的面密度有关，量子点生长厚度为(0-3)ml；最后再生长未掺杂的第三量子点层313，量子点生长厚度为(0-3)ml。三个步骤生长完成后，共同形成了n型掺杂层31。
87.在n型掺杂层31上外延生长材质为(in)gaas的第一盖层32，其生长厚度为(0-20)nm。通过改变第一盖层32的厚度以及ingaas中in、ga的比例可以调节激光器的激射波长。
88.在第一盖层32上外延生长材质为gaas的第二盖层33，该层的生长厚度为(0-50)nm。
89.在第二盖层33上外延生长p型掺杂层34，其材质为gaas，该层的生长厚度为(0-100)nm。该gaas盖层为p型掺杂，其掺杂浓度为(0.0001-5)
×
10
19
cm-3
，并且掺杂浓度的大小
与量子点层的面密度、厚度以及n型掺杂浓度等有关，该步骤gaas盖层的材料质量和p型掺杂的浓度也是量子点激光器性能的关键之一。
90.在p型掺杂层34上外延生长材质为gaas的第二隔层35，该层的生长厚度为(0-50)nm。
91.重复制作1-100周期的n型掺杂层31、第一盖层32、第二盖层33，p型掺杂层34，第二隔层(35)，形成多周期的inas量子点有源区30。
92.在多周期的量子点有源区30上外延生长有源区上包层40，其包括：先生长gaas上波导层，生长厚度为(50-100)nm；在gaas上波导层上外延生长algaas上盖层，生长厚度为1400nm。对其进行p型掺杂，掺杂元素为be元素，掺杂浓度为(0.1-5)
×
10
18
cm-3
。在algaas上盖层上外延生长gaas欧姆接触层，生长厚度为200nm。对其进行p型掺杂，掺杂元素为be元素，掺杂浓度为(0.05-1)
×
10
20
cm-3
。
93.根据本发明的另一个方面，还提供了双掺杂量子点有源区外延结构在半导体光电子器件的应用。
94.根据本发明的实施例，本发明提供的双掺杂量子点有源区外延结构可以应用于半导体激光器，作为激光器的有源区，可以获得低阈值电流、高斜率效率和高工作温度稳定性。
95.根据本发明的实施例，本发明提供的双掺杂量子点有源区外延结构可以应用于半导体太阳能电池，作为太阳能电池的有源区，可以提高太阳能电池效率，提高工作温度稳定性。
96.根据本发明的实施例，本发明提供的双掺杂量子点有源区外延结构可以应用于半导体探测器，作为探测的有源区，可以获得提高探测光响应度，提高工作温度稳定性。
97.图2是p型掺杂和双掺杂的inas/gaas量子点激光器在25℃时连续电流注入下的光功率-电流曲线图。
98.图3是p型掺杂和双掺杂的inas/gaas量子点激光器在不同温度时脉冲电流注入下的光功率-电流曲线图。
99.图4是p型掺杂和双掺杂的inas/gaas量子点激光器对25℃-65℃下的阈值电流的对数拟合得到的特征温度。
100.如图2所示，双掺杂量子点激光器的阈值电流为37.3ma，比p型掺杂的41.7ma降低了11％；双掺杂量子点激光器的斜率效率为0.19w/a，比p型掺杂的0.16w/a提高了19％。
101.图3提供了双掺杂量子点激光器和p型掺杂量子点激光器在不同温度时脉冲电流注入下的光功率-电流(p-i)曲线图，可以看出不同温度下双掺杂量子点激光器的阈值电流均低于p型掺杂的，而且高温下的斜率效率几乎保持不变。
102.如图4所示，可知25℃-65℃下的阈值电流的对数拟合得到的特征温度，可以看到双掺杂量子点激光器的特征温度为1859k，比p型掺杂的787k显著提升了136％，表现出更好的温度稳定性。
103.这些性能的提升，是由于在inas/gaas量子点材料中进行双掺杂操作，一方面可以有效地钝化量子点周围的非辐射复合中心，降低载流子的损耗，提高材料的光学质量；另一方面可以改善量子点导带和价带准费米能级移动的不对称性，提升器件的峰值增益和微分增益，从而相较于单一的p型掺杂，可以实现更低的阈值电流、更高的斜率效率和更好的温
度稳定性。
104.此外，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。并且，在制备方法中，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。
105.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。