專利名稱：基于數(shù)字合金的非矩形量子結(jié)構(gòu)及其實現(xiàn)方法
基于數(shù)字合金的非矩形量子結(jié)構(gòu)及其實現(xiàn)方法所屬領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種基于數(shù)字合金的非矩形量子結(jié)構(gòu)及其實現(xiàn)方法，屬于半導(dǎo)體光電子材料及器件領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體光電子器件(如半導(dǎo)體激光器等)和其他電子器件(如共振遂穿器 件等)中引入量子結(jié)構(gòu)已有數(shù)十年的發(fā)展歷史了，這些器件已在不同領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng) 用，并且對人們深入理解和發(fā)展各種量子理論起到重要作用。目前，應(yīng)用化合物半導(dǎo)體材 料構(gòu)成量子結(jié)構(gòu)主要采用各種薄層外延方法，如分子束外延(MBE)，金屬有機物氣相外延 (MOCVD)等，但主要還是基于異質(zhì)材料構(gòu)成量子結(jié)構(gòu)。例如以GaAs為襯底，人們發(fā)展了以 AlGaAs為勢壘，GaAs為量子阱的典型AlGaAs/GaAs體系量子結(jié)構(gòu)；再如以InP為襯底，人 們發(fā)展了以InAlAs為勢壘，InGaAs為量子阱的典型InAlAs/InGaAs體系量子結(jié)構(gòu)，這些 量子結(jié)構(gòu)都已廣泛用于各種激光器、光電探測器及其他光電子和電子器件中。在這些應(yīng)用 中人們目前普遍采用的是組分突變的矩形量子結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在很多場合可以滿足人們的 需要，且具有設(shè)計和生長較簡單的優(yōu)點，得到了很好的發(fā)展，特別是對于晶格匹配的材料體 系。隨著研究的深入，這種矩形量子結(jié)構(gòu)也給人們帶來一些限制，例如對矩形量子結(jié)構(gòu)除 材料組分外，可變參數(shù)就是勢阱和勢壘的寬度，對一些特殊功能的設(shè)計要求往往不能滿足； 再如對于采用晶格失配的材料體系，組分突變的矩形量子結(jié)構(gòu)往往會引起較大的應(yīng)變積 累，這一方面限制了材料設(shè)計和生長的范圍，另一方面也不利于高質(zhì)量材料的生長。針對矩形量子結(jié)構(gòu)及其工藝實現(xiàn)中存在的問題，本發(fā)明人設(shè)想能否提供一種普適 的方案，采用現(xiàn)有方法實現(xiàn)可控的非矩形量子結(jié)構(gòu)，以適合于采用特定的外延工藝(如分 子束外延)來實現(xiàn)，從而引導(dǎo)出本發(fā)明的構(gòu)思。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于數(shù)字合金的非矩形量子結(jié)構(gòu)及其實現(xiàn)方法本發(fā) 明通過異質(zhì)外延材料體系的選擇和組合設(shè)計使其具有適合分子束外延等超薄層外延生長 工藝實現(xiàn)的特點，采用數(shù)字合金的方法實現(xiàn)非矩形的量子結(jié)構(gòu)，并且對量子結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變 總量加以設(shè)計控制和改善界面特性，在此基礎(chǔ)上利用生長條件寬松和容易控制的生長工藝 實現(xiàn)非矩形量子結(jié)構(gòu)；更確切地說，本發(fā)明提供一種適合于需要引入非矩形量子結(jié)構(gòu)的外 延生長方法，可有效避免常規(guī)生長工藝只能生長組分突變的矩形量子結(jié)構(gòu)的困難，并且有 利于對量子結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變總量加以控制和改善界面特性，這些結(jié)構(gòu)特別適合于采用特定的 外延工藝(如分子束外延)進(jìn)行生長。首先，選擇數(shù)字合金異質(zhì)材料體系生長數(shù)字合金在異質(zhì)材料體系的選擇和組合上需有特殊考慮，除需滿足設(shè)計量子 結(jié)構(gòu)對材料能帶性質(zhì)、禁帶寬度和帶階參數(shù)等方面的基本要求外，更重要的是材料組合及 其組分的選擇必須適合生長工藝的基本要求，能方便地進(jìn)行生長和容易控制，這是工藝實現(xiàn)的前提。以采用InP襯底為例與InP襯底晶格匹配的Ina53Gaa47As三元系材料的晶格常數(shù)約為5. 87，室溫禁帶寬度約0. 75eV ；Ina52Ala48As三元系材料的晶格常數(shù)也為5. 87，室 溫禁帶寬度約1.47eV。由于這兩種材料的共有的組分為In和As，差別組分為Ga和Al兩 種III族元素，因此采用這兩種三元合金材料可以較方便地形成InAlGaAs四元數(shù)字合金， 其禁帶寬度可在0. 75 1. 47eV間變化并仍滿足晶格匹配條件，且在很大范圍內(nèi)為直接帶 隙。再如InAs 二元系材料室溫禁帶寬度約0. 36eV,為直接帶隙窄禁帶材料，晶格常數(shù)約為 6. 06，與InP間有很大的正失配，直接用其構(gòu)成量子阱會有一定困難；如采用Ina53Gaa47As 和InAs這兩種異質(zhì)材料構(gòu)成數(shù)字合金，由于這兩種材料的共有的組分為In和As，差別元素 僅為III族元素Ga，因此工藝上也是容易實現(xiàn)的，可以形成等效In組分> 0. 53的數(shù)字合金 InGaAs材料，在適當(dāng)?shù)膽?yīng)變條件下由其構(gòu)成非矩形(如三角形、鋸齒形或拋物線形)量子 阱可以比采用單一組分的InGaAs材料具有較小的總應(yīng)變量，或在總應(yīng)變量相同的情況下 具有較小的等效勢阱深度，這對拓展激光器的波長使其向長波方向延伸十分有利。這樣，采 用InAlAs/InGaAs數(shù)字合金勢壘和InGaAs/InAs數(shù)字合金勢阱的InAlAs/InGaAs-InGaAs/ InAs數(shù)字合金體系就可以在很大的范圍內(nèi)裁減量子結(jié)構(gòu)的參數(shù)，增加了合金組分變化及 勢阱和勢壘的形狀變化自由度，給材料和器件設(shè)計帶來更大自由度，而其基礎(chǔ)材料僅為晶 格匹配的三元系Ina53Gaa47A^ Ina52Ala48As和二元系的InAs材料，這就給材料生長中的 組分標(biāo)定以及提高可控性和改善量子結(jié)構(gòu)的生長質(zhì)量帶來很大方便。鑒于以上材料體 系量子阱中存在較大的壓應(yīng)變，我們還可以在勢壘中引入適當(dāng)?shù)膹垜?yīng)變，例如采用AlAs/ InGaAs-InGaAs/InAs體系等，以進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)質(zhì)量。這種應(yīng)用數(shù)字合金構(gòu)成量子結(jié)構(gòu)的思路顯然也可以推廣到其他材料體系，如對 采用GaAs襯底，就可以設(shè)計生長壓應(yīng)變的AlInP/GalnP-GalnP/InP、AIGaAs/GaAs-GaAs/ InAs、AlAs/GaAs-GaAs/InAs 體系或應(yīng)變補償?shù)?GaP/GalnP-GalnP/InP、AlP/GalnP-GalnP/ InP體系等，以滿足不同波長范圍及不同類型功能器件的要求。所述的非矩形量子阱結(jié)構(gòu)是采用數(shù)字合金構(gòu)成量子阱的材料生長基礎(chǔ)是當(dāng)生長 不同組分的合金材料超薄層時，如每一個超薄層的厚度僅為幾個到十幾個原子層，則這兩 種不同組分的原始合金材料就會由于所謂量子阱混合效應(yīng)形成數(shù)字合金，數(shù)字合金的等效 組分相當(dāng)于原始合金材料組分的加權(quán)平均，權(quán)重即為各原始合金材料的生長厚度。顯然，量 子阱混合的效果一方面與超薄層的厚度有關(guān)，另一方面與生長溫度及后處理溫度等參數(shù)有 關(guān)，厚度越薄溫度越高混合效果會越好。采用數(shù)字合金構(gòu)成量子阱時，如原始合金材料超薄 層的厚度固定不變，即固定兩種材料的權(quán)重，則仍可形成等效組分突變的矩形量子阱，而如 果在生長過程中按照一定規(guī)律來改變兩種材料的權(quán)重，則可形成非矩形的量子阱，如三角 形、鋸齒形、拋物線形等。與量子阱相同，量子勢壘結(jié)構(gòu)中也可引入數(shù)字合金結(jié)構(gòu)，其基本的出發(fā)點也與量 子阱相同，由于量子結(jié)構(gòu)中勢壘層的厚度一般比勢阱層要厚一些，勢壘層在設(shè)計上的變化 也較少，一般設(shè)計勢壘層的的厚度為固定值而主要考慮其組分即勢壘高度，這樣在生長勢 壘層時一般盡可能采用固定組分的單一合金材料，如采用數(shù)字合金一般也應(yīng)固定權(quán)重，即 生長等效組分固定的數(shù)字合金，形成矩形量子勢壘。當(dāng)然，對于設(shè)計生長有特殊要求的量子 結(jié)構(gòu)也可以引入非矩形量子勢壘，以達(dá)到特定功能。
本發(fā)明涉及一種基于數(shù)字合金的非矩形量子結(jié)構(gòu)，其特征在于①采用適合超薄層外延方法生長且又方便控制的兩種多元(含二元)合金材料構(gòu) 成數(shù)字合金；②應(yīng)用這種數(shù)字合金在量子尺度上形成非矩形的量子結(jié)構(gòu)(如量子阱或量子勢 壘)，從而克服采用常規(guī)生長方法只適合生長組分突變的矩形量子結(jié)構(gòu)的單一性問題，為器 件設(shè)計引入更大的自由度；③應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)可以有效地控制量子結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變，特別是減小總應(yīng)變量，并改 善界面特性；④所述的結(jié)構(gòu)特別適合采用特定的外延工藝(如分子束外延)方便地進(jìn)行生長， 且具有很好的可控性。本發(fā)明所述的基于數(shù)字合金的非矩形量子結(jié)構(gòu)的工藝實現(xiàn)從工藝的現(xiàn)實性、可控性和可操作性出發(fā)，采用分子束外延工藝或其他生長工藝 實現(xiàn)前述非矩形量子結(jié)構(gòu)應(yīng)該以已有的晶格匹配材料生長參數(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)對量子結(jié)構(gòu)的 實際要求和前述材料體系選擇原則確定合適的材料體系，然后根據(jù)非矩形量子阱和量子勢 壘的組分和形狀要求，設(shè)計相對應(yīng)的材料生長時序，為使量子阱混合效應(yīng)達(dá)到較好的效果， 應(yīng)對一組兩種合金材料超薄層的總厚度(或稱一個周期的厚度)加以控制，周期厚度較小 可以達(dá)到較好的混合效果，但在生長時會使源的切換過于頻繁，時間過于短促，這對生長工 藝的穩(wěn)定性和可靠性不利，也可能影響設(shè)備無故障運行時間；周期厚度太大則混合效果差， 還有可能實際形成眾多的異質(zhì)界面，影響量子結(jié)構(gòu)的功能和效果，因此需要綜合考慮。一般 周期厚度選擇在十個原子層以下。綜上所述，本發(fā)明包括采用禁帶寬度不同且適合采用超薄層外延方法生長又方便 控制的兩種多元(含二元)合金材料構(gòu)成數(shù)字合金的方法以及應(yīng)用這種方法構(gòu)成的非矩形 量子結(jié)構(gòu)，應(yīng)用這種方法可有效地在量子尺度上控制材料組分按設(shè)計要求精確變化，從而 克服了采用常規(guī)生長方法只適合生長組分突變的矩形量子結(jié)構(gòu)的單一性問題，為量子結(jié)構(gòu) 和功能的設(shè)計和實現(xiàn)引入更大的自由度，并在量子結(jié)構(gòu)的應(yīng)變及界面控制方面帶來好處。 本發(fā)明的基于數(shù)字合金的非矩形量子結(jié)構(gòu)既適合于需要采用非矩形量子阱的特殊半導(dǎo)體 激光器，也適合于其他新型電子或光電子器件，具有很好的通用性。


圖1是本發(fā)明提供的一種用于波長拓展半導(dǎo)體激光器的非矩形量子結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面通過附圖和實施例，進(jìn)一步說明本發(fā)明的實質(zhì)性特點和顯著的進(jìn)步，但絕非 限制本發(fā)明，也即本發(fā)明絕非僅局限于實施例。實施例一種采用InAlAs/InGaAs數(shù)字合金勢壘和InGaAs/InAs數(shù)字合金三角形 勢阱的波長拓展量子結(jié)構(gòu)外延材料實施步驟1.需要在InP襯底上實現(xiàn)量子躍遷波長大于2微米的量子結(jié)構(gòu)而不引入銻化 物材料，此量子結(jié)構(gòu)的設(shè)計波長約為2. 3μπι(為說明方便以下均以此為例，實際不僅限于2. 3 μ m，需要擴展到其他波長可依此類推)，因此選擇二元系InAs和晶格匹配的三元系 Ina53Gaa47As為勢阱合金材料；2.需要勢壘層的禁帶寬度大于晶格匹配的Ina53Gaa47As材料，因此選擇晶格匹配 的Ina53Gaa47As和Ina52Ala48As為勢壘合金材料；3.根據(jù)能帶計算，Ina53Gaa47As和Ina52Ala48As按1 1質(zhì)量比混合形成的數(shù) 字合金即可以滿足勢壘合金材料的要求，因此即在勢壘數(shù)字合金中把Ina53Gaa47As和 Ina52Ala48As的厚度比定位1 1，這樣形成的數(shù)字合金組分為Ina 525Ala24Gaa 235As,晶格參 數(shù)仍與InP襯底匹配。勢壘層的厚度設(shè)計為13. 5nm,平均分配到9個數(shù)字合金周期中，每個 周期1. 5nm(約四個原子層)，每個超薄層厚度為0. 75nm(約兩個原子層)；4.根據(jù)能帶計算和應(yīng)變總量控制的要求，勢阱層采用三角形結(jié)構(gòu)，即勢阱層的禁帶寬度從中間向兩邊線性變化，以達(dá)到較好的避免應(yīng)力積累的效果。三角形量子阱采用 InAs和Ina53Gaa47As數(shù)字合金構(gòu)成，量子阱寬設(shè)計為9nm，平均分配到12個數(shù)字合金周期 中，每個周期0. 75nm(約兩個原子層)，這樣各個數(shù)字合金周期中InAs和Ina53Gaa47As的厚 度按 1 6，2 5,3 4,4 3,5 2,6 1,7 0,6 1,5 2,4 3,3 4,2 5 ； 1 6的比例線性變化，形成等效三角形的量子阱；5.外延生長采用常規(guī)分子束外延方法，生長量子結(jié)構(gòu)前先確定晶格匹配的 Ina53Gaa47As和Ina52Ala48As的生長參數(shù)，生長中采用同一個As和In生長源并固定其 束流強度，并使這兩種三元合金材料具有相同或相近的生長速率，實際標(biāo)定生長中測得 Ina53Gaa47As和Ina52Ala48As的生長速率均約為1 μ m/h, InAs的生長速率約為0. 5 μ m/h, 在此基礎(chǔ)上進(jìn)行非矩形量子結(jié)構(gòu)的生長；6.在對Epi-Ready InP襯底進(jìn)行脫附處理后先生長合適的緩沖層，然后即可開始 進(jìn)行非矩形量子結(jié)構(gòu)的生長。根據(jù)生長速率，生長Ina 525Ala24Gaa 235As勢壘時In的快門始 終打開，Al和Ga的快門按2. 7秒的間隔交替開閉生長到設(shè)計厚度，生長非矩形量子阱后用 同樣的參數(shù)繼續(xù)完成另一側(cè)勢壘的生長；7.生長非矩形量子阱時In的快門始終打開，Ga的快門按0. 8s, 2. 4s, 1. 6s, 2s, 2. 4s, 1. 6s, 3. 2s, 1. 2s，4s，0. 8s,4. 8s, 0. 4s, 5. 6s, 0. 4s,4. 8s, 0. 8s,4s, 1. 2s, 3. 2s, 1. 6s,
2. 4s, 2s, 1. 6s, 2. 4s, 0. 8s的時序關(guān)閉和打開(黑體為Ga快門打開時間)，直至生長完整個 非矩形量子阱結(jié)構(gòu)。注意到分子束外延中束源爐快門的時序控制精度一般在0. ls，因此快 門時序設(shè)計時最小控制間隔也為0. ls，按量子阱形狀及生長速率精確設(shè)計時快門開關(guān)時間 會有一個近似，并且實際的快門開關(guān)時間也會有一個系統(tǒng)誤差，特別是對開關(guān)時間較短時 此誤差較為明顯，如需精確控制量子阱的形狀對時序可有一個相應(yīng)的修正；8.實際生長量子結(jié)構(gòu)時量子阱和量子勢壘都可以按應(yīng)用要求重復(fù)進(jìn)行，對此特定 結(jié)構(gòu)考慮到應(yīng)變總量的限制量子阱的數(shù)目可控制在2 3個，生長完非矩形量子結(jié)構(gòu)后再 生長上合適的保護(hù)帽層，此結(jié)構(gòu)即可用于結(jié)構(gòu)和光學(xué)測試，也可直接應(yīng)用到波長拓展的半 導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)中去。
權(quán)利要求
基于數(shù)字合金的非矩形量子結(jié)構(gòu)，其特征在于通過選擇異質(zhì)外延材料體系和組合設(shè)計，采用數(shù)字合金的方法實現(xiàn)非矩形的量子結(jié)構(gòu)。
2.按權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字合金的非矩形量子結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的數(shù)字合金 的等效組分相當(dāng)于原始合金材料組分的加權(quán)平均。
3.按權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字合金的非矩形量子結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的數(shù)字合金 構(gòu)成非矩形的量子阱為三角形、鋸齒形或拋物線形。
4.按權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字合金的非矩形量子結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的數(shù)字合金 為兩種二元或多元合金材料構(gòu)成。
5.按權(quán)利要求4所述的基于數(shù)字合金的非矩形量子結(jié)構(gòu)，其特征在于以InP為襯 底的數(shù)字合金為InAlAs/InGaAs-InGaAs/InAs ；已GaAs為襯底的數(shù)字合金為AlInP/ GalnP-GalnP/InP、AlGaAs/GaAs-GaAs/InAs、AlAs/GaAs-GaAs/InAs 體系或應(yīng)變補償?shù)?GaP/GalnP-GalnP/InP、AlP/GalnP-GalnP/InP 體系。
6.按權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字合金的非矩形量子結(jié)構(gòu)，其特征在于非矩形的量子結(jié) 構(gòu)中勢壘層厚度比勢阱層厚度大。
7.實現(xiàn)權(quán)利要求1-6任一項所述的基于數(shù)字合金的非矩形量子結(jié)構(gòu)的方法，其特征在 于采用分子束外延方法實現(xiàn)的，首先是以已有的晶格匹配材料生長參數(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)對量 子結(jié)構(gòu)的實際要求和材料體系選擇原則確定合適的材料體系，然后根據(jù)非矩形量子阱和量 子勢壘的組分和形狀要求設(shè)計對應(yīng)的材料生長時序，控制一組兩元或多元合金材料超薄層 的總厚度或一個周期的厚度。
8.按權(quán)利要求7所述的實現(xiàn)方法，其特征在于對于采用InAlAs/InGaAs數(shù)字合金勢壘 和InGaAs/InAs數(shù)字合金三角形勢阱的波長拓展量子結(jié)構(gòu)外延材料的方法是(1)在InP襯底上實現(xiàn)量子躍遷波長大于2微米的量子結(jié)構(gòu)而不引入銻化物材料，設(shè)計 的量子結(jié)構(gòu)的波長為2. 3 μ m，選擇二元系InAs和晶格匹配的三元系Ina53Gaa47As為勢阱合 金材料；(2)選擇晶格匹配的Ina53Gaa47As和Ina52Ala48As為勢壘合金材料；以使勢壘層的禁帶 寬度大于晶格匹配的Ina53Gaa47As材料；(3)根據(jù)能帶計算，Ina53Gaa47As和Ina52Ala48As按1 1質(zhì)量比例混合形成的數(shù)字合 金，在勢壘數(shù)字合金中把Ina53Gaa47As和Ina52Ala48As的厚度比定位1 1，使形成的數(shù)字合 金組分為Ina 525Ala24Gaa 235As,晶格參數(shù)仍與InP襯底匹配。勢壘層的厚度設(shè)計為13. 5nm, 平均分配到9個數(shù)字合金周期中，每個周期1. 5nm，每個超薄層厚度為0. 75nm ；(4)根據(jù)能帶計算和應(yīng)變總量控制的要求，勢阱層采用三角形結(jié)構(gòu)，所述的三角形量子 阱由InAs和Ina53Gaa47As數(shù)字合金構(gòu)成，量子阱寬為9nm，平均分配到12個數(shù)字合金周期 中，每個周期0.75nm，各個數(shù)字合金周期中InAs和Ina53Gaa47As的厚度按1 6,2 5， 3 4,4 3,5 2,6 1,7 0,6 1,5 2,4 3,3 4,2 5 ；1 6 的比例線性變 化，形成等效三角形的量子阱；(5)外延生長采用常規(guī)分子束外延方法，生長量子結(jié)構(gòu)前先確定晶格匹配的 Ina53Gaa47As和Ina52Ala48As的生長參數(shù)，生長中采用同一個As和In生長源并固定其束 流強度，并使這兩種三元合金材料具有相同或相近的生長速率，進(jìn)行非矩形量子結(jié)構(gòu)的生 長；(6)在對Epi-ReadyInP襯底進(jìn)行脫附處理后先生長合適的緩沖層，然后即可開始非 矩形量子結(jié)構(gòu)的生長；根據(jù)生長速率，生長Ina 525Ala24Gaa 235As勢壘時In的快門始終打開， Al和Ga的快門按2. 7秒的間隔交替開閉生長到設(shè)計厚度，生長非矩形量子阱后用同樣的參 數(shù)繼續(xù)完成另一側(cè)勢壘的生長；(7)生長非矩形量子阱時In的快門始終打開，Ga的快門按一定的時序關(guān)閉和打開，直 至生長完整個非矩形量子阱結(jié)構(gòu)；快門時序設(shè)計時最小控制間隔也為0. Is ； (8)生長量子結(jié)構(gòu)時量子阱和量子勢壘按應(yīng)用要求重復(fù)進(jìn)行，生長完非矩形量子結(jié)構(gòu) 后再生長合適的保護(hù)帽層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于數(shù)字合金的非矩形量子結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)方法，其特征在于通過選擇異質(zhì)外延材料體系和組合設(shè)計，采用數(shù)字合金的方法實現(xiàn)非矩形的量子結(jié)構(gòu)；所述的數(shù)字合金為兩種二元或多元合金材料構(gòu)成。本發(fā)明的實現(xiàn)方法可有效地在量子尺度上控制材料組分按設(shè)計要求精確變化，從而克服了采用常規(guī)生長方法只適合生長組分突變的矩形量子結(jié)構(gòu)的單一性問題，為量子結(jié)構(gòu)和功能的設(shè)計和實現(xiàn)引入更大的自由度，并在量子結(jié)構(gòu)的應(yīng)變及界面控制方面帶來好處。本發(fā)明既適合于需要采用非矩形量子阱的特殊半導(dǎo)體激光器，也適合于其他新型電子或光電子器件，具有很好的通用性。
文檔編號B82B3/00GK101811659SQ20101012836
公開日2010年8月25日 申請日期2010年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月19日
發(fā)明者張永剛, 顧溢 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所