生長InP基InAs量子阱的方法
2024-02-04 21:00:15
專利名稱：生長InP基InAs量子阱的方法
生長InP基InAs量子阱的方法技術領域
本發明屬於半導體材料和器件晶片製備領域，具體地涉及生長InP基InAs量子阱的方法。
背景技術：
由於在氣體探測、生物醫學等方面存在巨大潛在應用優勢，發光波長在2-3 μ m範圍的InP基InAs量子阱材料和器件(雷射器和探測器等)具有成本低、器件工藝技術成熟等眾多優點。
在1994年以InAs為阱、Ina53Gaa47As為壘的InP基量子阱結構材料首先在I. 7 μ m 量子阱雷射器中得到應用。隨著金屬有機化合物氣相沉積(MOCVD)外延技術的發展，該材料體系的應用波長範圍得到了拓展，2007年實現了 2· 33μπι InP基InAS/InQ.53Gaa47AS量子講雷射器。
InP基InAs/InQ.53GaQ.47As量子阱的外延生長存在兩個問題l、InAs量子阱與InP 襯底之間存在巨大的晶格失配(3. 2% )，InAs量子阱材料在受到較大壓應變的情況下會產生缺陷，影響材料質量；2、根據量子限制效應的規律，延長InAs量子阱的發光波長需要增加InAs層的厚度，但這樣會引起材料應變的加劇從而產生更多的缺陷，導致材料質量的下降。因此，在進行長波長InP基InAS/Ina53Gaa47AS量子阱的外延生長時，需對材料的結構進行優化設計，對材料的外延過程進行優化控制，在拓長發光波長的同時儘可能減緩InAs量子阱受到的壓應變，減少材料缺陷的產生。
為此，2010年有研究小組採用包含贗襯底的InP基InAs量子阱材料結構，用以逐漸增加表層襯底材料的晶格常數，降低襯底與InAs量子阱層的失配度，實現了 2.90μπι發光波長的半導體材料。但是贗襯底結構需要外延較大厚度(>3μπι)晶格常數漸變的贗襯底材料，在一定程度上增加了器件的串聯電阻和製作成本。發明內容
(一 )要解決的技術問題
為解決上述的一個或多個問題，本發明提供了一種生長InP基InAs量子阱的方法。
( 二 )技術方案
根據本發明的一個方面，提供了一種生長InP基InAs量子阱的方法。該方法包括在InP襯底上生長InP緩衝層；在InP緩衝層上生長兩側均包含IrvxGaxAs應力漸變勢壘層的InAs量子阱結構；以及在InAs量子阱結構上生長InP蓋層。
(三)有益效果
從上述技術方案可以看出，本發明生長InP基InAs量子阱的方法具有以下有益效果
(I)通過在InAs量子阱兩側引入晶格常數漸變的IrvxGaxAs應力漸變勢壘層來減緩InAs量子阱所受到的壓應變，減少材料中因應變累積釋放而產生的缺陷濃度，改善了InAs量子阱材料的晶體質量；(2)由於InAs量子阱所受應變的減小會引起其禁帶寬度的減小，因此可以有效拓展InAs量子阱的發光波長。
圖IA為根據本發明實施例生長InP基InAs量子阱方法的流程圖；圖IB為按照圖I所示的方法製備的InP基InAs量子阱的結構示意圖；圖2為採用傳統方法製備和採用圖I所示方法製備的InP基InAs量子阱材料室溫光致螢光譜的對比。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現方式，為所屬技術領域中普通技術人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數的示範，但應了解，參數無需確切等於相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內近似於相應的值。此外，以下實施例中提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。本發明通過在InAs量子阱兩側均引入晶格常數漸變的IrvxGaxAs應力漸變勢壘層來減緩InAs量子阱所受到的壓應變，改善材料的晶體質量並拓長材料的發光波長。在本發明的一個示例性實施例中，提供了一種生長InP基InAs量子阱的方法。圖IA為根據本發明實施例生長InP基InAs量子阱方法的流程圖。圖IB為按照圖I所示的方法製備的InP基InAs量子阱的結構示意圖。請參照圖IA和圖1B，本實施例包括 步驟A :選擇N型的InP襯底I ;本步驟中，InP襯底的摻雜類型也可以為P型或半絕緣型，其製備的步驟與本實施例相同。步驟B :採用金屬有機化合物氣相沉積法(MOCVD)在645°C的生長溫度下，在InP襯底I上生長400nm的InP緩衝層2 ；本步驟中，生長InP緩衝層的方法除了 MOCVD方法外，還可以採用分子束外延(MBE)或化學束外延(CBE)等方法。此外，本領域技術人員可以根據需要合理設置InP緩衝層2的生長溫度和厚度，一般情況下，InP緩衝層2的生長溫度介於500°C至700°C之間，其厚度介於IOOnm至600nm之間。步驟C :在InP緩衝層2上生長包含IrvxGaxAs應力漸變勢壘層的雙周期量子阱結構3 ；本步驟中，生長量子阱結構的方法除了 MOCVD方法外，還可以採用分子束外延(MBE)或化學束外延(CBE)等方法。
如圖IB所示，每個周期的量子阱結構包括依次生長的In。. 53Ga0.47As層30， IiVxGaxAs應力漸變勢壘層31，InAs量子阱層32，IrvxGaxAs應力漸變勢壘層33，和 Ina53Gaa47As層34。據此,本步驟又包括
子步驟Cl，在470°C下，在InP緩衝層2上生長Ina53Gaa47As層30，其厚度為3nm ；
眾所周知，Ina53Gaa47As層30和34的晶格常數與InP襯底的晶格常數相匹配。其中所述的Ina53Gaa47As層的厚度不超過lOOnm，生長溫度為450°C至650°C。
子步驟C2，在470°C下，生長IrvxGaxAs應力漸變勢壘層31，其中，通過改變Ga源的摩爾流量，將IrvxGaxAs應力漸變勢壘層31中Ga組分係數x由O. 47逐漸降低到O. 38， 該IrvxGaxAs應力漸變勢壘層31厚度為17nm ；
其中，該IrvxGaxAs應力漸變勢壘層的厚度不超過lOOnm，其Ga的組分逐漸減小， 變化範圍為O. 47 > X > O. 1，生長溫度為450°C至650°C。
子步驟C3，在470°C下，生長InAs量子阱層32的厚度為4nm ；
其中，該InAs量子阱層的厚度不超過15nm，生長溫度為450°C至550°C。
子步驟C4，在470°C下，生長IrvxGaxAs應力漸變勢壘層33，其厚度為17nm，其中， 通過改變Ga源的摩爾流量，將IrvxGaxAs應力漸變勢壘層33中Ga組分係數x由O. 38逐漸升聞到O. 47 ；
其中，該IrvxGaxAs應力漸變勢壘層的厚度不超過lOOnm，其Ga的組分逐漸減小， 變化範圍為O. 47 > X > O. 1，生長溫度為450°C至650°C。
子步驟C5，在470°C下，生長Ina53Gaa47As層34，其厚度為3nm ；
眾所周知，Ina53Gaa47As層30和34的晶格常數與InP襯底的晶格常數相匹配。其中所述的Ina53Gaa47As層的厚度不超過lOOnm，生長溫度為450°C至650°C。
重複執行子步驟C1-C5 —次，形成雙周期的量子阱結構。
當然，如果要形成多周期的量子阱結構，重複執行子步驟C1-C5即可，此處不再重複描述。
本步驟中，通過上下兩個IrvxGaxAs應力漸變勢壘層，可以有效減緩InAs量子阱所受到的壓應變，減少由應變引起的材料缺陷，提高晶體質量，並且有利於InAs量子阱材料的發光波長向更長方向移動。
本步驟中，生長Ina53Gaa47As層30和34、IrvxGaxAs應力漸變勢壘層31和33、InAs 量子阱層32的方法除了 MOCVD方法外，還可以採用分子束外延(MBE)或化學束外延(CBE)等方法。
步驟D :採用MOCVD方法，在645°C下，在雙周期量子阱結構3上生長30nm的InP蓋層4。
生長InP蓋層4的方法除了 MOCVD方法外，還可以採用分子束外延(MBE)或化學束外延(CBE)等方法。
此外，本領域技術人員可以根據需要合理設置InP蓋層4的生長溫度和厚度，一般情況下，InP蓋層的厚度不超過200nm，生長溫度介於500°C至700°C之間。
至此，本實施例生長InP基InAs量子阱的方法介紹完畢。
為了實驗採用本實施例生長InP基InAs量子阱的方法製備的量子阱樣品的發光效果，在材料生長過程結束後，通過光柵光譜儀測量包含應力漸變勢壘層的InAs/Ini_xGaxAS/InP量子阱樣品在室溫下的光致發光譜，並與不含應力漸變勢壘層的InAs/IrvxGaxAsAnP量子阱樣品的室溫光致螢光譜進行對比，如圖2所示。從圖2可以看到，包含應力漸變勢壘層的InAS/Ini_xGaxAS/InP量子阱材料的發光質量得到了明顯改善，其螢光強度是不含應力漸變勢壘層樣品的3倍，並且其發光波長從2. 34微米延伸到了 2. 40微米。需要說明的是，上述對各元件的定義並不僅限於實施方式中提到的各種具體結構或形狀，本領域的普通技術人員可對其進行簡單地熟知地替換，例如(I)取消步驟Cl和C5中Ina53Gaa47As層30和34，直接生長IrvxGaxAs應力漸變勢壘層；(2)通過改變In源的流量或同時改變Ga源和In源的流量生長組分漸變的IiVxGaxAs應力漸變勢壘層；(3) InP基InAs量子阱結構包含一個或多個周期；(4)在多周期的InP基InAs量子阱結構中的若干周期應用IrvxGaxAs應力漸變勢壘層；(5)僅在InAs量子阱的某一側應用IrvxGaxAs應力漸變勢壘層。綜上所述，本發明中，在InAs量子阱兩側弓丨入In1^xGaxAs應力漸變勢壘層後可有效減緩InAs量子阱所受到的壓應變，減少由應變引起的材料缺陷，提高晶體質量。另一方面，InAs所受壓應變的減小會引起其發光波長的紅移，有利於InP基InAs量子阱材料的波長向更長方向拓展。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所 述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種生長InP基InAs量子阱的方法，其特徵在於，包括 在InP襯底上生長InP緩衝層； 在所述InP緩衝層上生長兩側均包含IrvxGaxAs應力漸變勢壘層的InAs量子阱結構；以及 在所述InAs量子阱結構上生長InP蓋層。
2.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述InAs量子阱結構為單周期、雙周期或多周期的InAs量子阱結構。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，生長每一周期的InAs量子阱結構的步驟包括 生長厚度低於IOOnm的第一 IrvxGaxAs應力漸變勢壘層，其中，該IrvxGaxAs應力漸變勢壘層中Ga組分係數X逐漸降低至O. 38 ； 生長厚度低於15nm的InAs量子阱層；以及 生長厚度低於IOOnm的第二 IrvxGaxAs應力漸變勢壘層，其中，該IrvxGaxAs應力漸變勢壘層中Ga組分係數X由O. 38逐漸升高。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於 所述生長第一 IrvxGaxAs應力漸變勢壘層的步驟中，Ga組分係數x由O. 47逐漸降低至O.38，該第一 IrvxGaxAs應力漸變勢壘層厚度為17nm ； 所述生長InAs量子阱層的步驟中，該InAs量子阱層的厚度為4nm ； 所述生長第二 IrvxGaxAs應力漸變勢壘層的步驟中，Ga組分係數x由O. 38逐漸升高至O.47，該第一 IrvxGaxAs應力漸變勢壘層厚度為17nm。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述第一IrvxGaxAs應力漸變勢壘層、InAs量子阱層和第二 IrvxGaxAs應力漸變勢壘層的生長方法為金屬有機物化學氣相沉積MOCVD 法； 所述生長第一 IrvxGaxAs應力漸變勢壘層和生長第二 IrvxGaxAs應力漸變勢壘層的步驟中，通過改變Ga源的摩爾流量來實現Ga組分係數的變化。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述採用MOCVD方法生長第一IrvxGaxAs應力漸變勢壘層和第二 IiVxGaxAs應力漸變勢壘層的生長的步驟中，生長的溫度介於450°C至650°C之間。
7.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於 所述生長第一 IrvxGaxAs應力漸變勢壘層的步驟之前還包括在InP緩衝層上生長第—1% S3Ga0. 47As B ; 所述生長第二 IrvxGaxAs應力漸變勢壘層的步驟之後還包括在IrvxGaxAs應力漸變勢壘層上生長第二 Intl 53Gaa47As層。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述第一Ina53Gaa47As層和第二Ina53Gaa47As 層的厚度為 3nm。
9.根據權利要求I至8中任一項所述的方法，其特徵在於，所述InP襯底為η型摻雜、P型摻雜或中性的InP襯底。
10.根據權利要求I至8中任一項所述的方法，其特徵在於，所述InP緩衝層和InP蓋層均採用金屬有機物化學氣相沉積法製備。
全文摘要
本發明提供了一種生長InP基InAs量子阱的方法。該方法包括在InP襯底上生長InP緩衝層；在InP緩衝層上生長兩側均包含In1-xGaxAs應力漸變勢壘層的InAs量子阱結構；以及在InAs量子阱結構上生長InP蓋層。本發明通過在InAs量子阱兩側引入晶格常數漸變的In1-xGaxAs應力漸變勢壘層來減緩InAs量子阱所受到的壓應變，減少材料中因應變累積釋放而產生的缺陷濃度，改善了InAs量子阱材料的晶體質量，並拓展了InAs量子阱材料的發光波長。
文檔編號H01L21/205GK102983069SQ20121056436
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月21日 優先權日2012年12月21日
發明者季海銘, 羅帥, 楊濤 申請人:中國科學院半導體研究所