本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電材料制備領(lǐng)域，特別涉及一種擴展稀鉍半導(dǎo)體量子阱發(fā)光波長的方法。

背景技術(shù)：

稀鉍化合物半導(dǎo)體材料因具有較大的禁帶收縮效應(yīng)和自旋-軌道分裂能等新奇特性，近年來受到國際上的廣泛關(guān)注。當(dāng)少量的鉍原子凝入到傳統(tǒng)的iii-v族化合物半導(dǎo)體中時，bi原子作為雜質(zhì)引入的能級靠近價帶頂(vbm)，bi原子的6p能級與iii-v族化合物的價帶共振而使vbm升高，導(dǎo)致禁帶寬度eg變窄，自旋軌道分裂能δso增加；此外當(dāng)eg<δso時，可以抑制俄歇復(fù)合以及價帶間的吸收，使能帶對溫度變化不敏感，從而提高器件的溫度穩(wěn)定性，擴展發(fā)光波長。

這些特性有希望提高激光器的特征溫度和半導(dǎo)體器件的工作溫度，用于研制近紅外和中紅外波段的低功耗非制冷激光器、發(fā)光二極管、探測器等器件。目前，已經(jīng)成功合成了很多種稀鉍化合物材料，如gaasbi、insbbi、inpbi、gasbbi、inasbi、ingaasbi等，采用gaasbi材料已研制出激光器和發(fā)光二極管，實現(xiàn)了發(fā)光波長的擴展。但是，由于所研制的光電器件的發(fā)光波長范圍太窄，在稀鉍材料這些優(yōu)越特性的基礎(chǔ)上，還需要進一步擴展這些材料的波長范圍，以擴展稀鉍材料的發(fā)光波長。

傳統(tǒng)的稀鉍半導(dǎo)體量子阱依次包括襯底、下勢壘層、含有鉍元素的量子阱層、上勢壘層和蓋層。目前，往往通過增加bi組分的方法來擴展這些材料的波長范圍。例如，隨著bi組分的增高，bi組分為10.9％的gaasbi量子阱的發(fā)光波長為1.3μm,bi組分為10.1％的gasbbi量子阱的發(fā)光波長為2.43μm。

但是，要想繼續(xù)擴展gaasbi量子阱的發(fā)光波長到1.55μm的通信波段，gasbbi量子阱的發(fā)光波長到更長的中紅外波段，單純通過增加bi組分的方法還存在很多挑戰(zhàn)。首先，要實現(xiàn)更高的bi組分，需要在更嚴苛的生長條件，更低的生長溫度、生長速率和v/iii比，例如，生長溫度在300～400℃范圍內(nèi)，生長速率在0.3～0.5μm/h，v/iii比接近接近臨界v/iii比。其次，bi組分的增高也會導(dǎo)致量子阱中缺陷密度的增加，材料的缺陷密度會影響發(fā)光強度，缺陷密度越高，非輻射符合幾率越高，發(fā)光越弱，從而降低發(fā)光效率。例如，bi組分為10.9％的gaasbi量子阱，雖然實現(xiàn)了1.3μm波長的發(fā)光，但發(fā)光強度很弱。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種稀鉍半導(dǎo)體量子阱結(jié)構(gòu)，以在不會降低發(fā)光強度的情況下擴展稀鉍半導(dǎo)體材料的躍遷波長。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種稀鉍半導(dǎo)體量子阱，從下到上依次包括：下勢壘層、含有鉍元素的量子阱層和上勢壘層；其特征在于，在量子阱層中設(shè)有至少一層n型δ摻雜層，該δ摻雜層的材料為s，si，se或te。

所述δ摻雜層的摻雜面密度為10¹²cm^-2量級。

所述下勢壘層與量子阱層之間、上勢壘層與量子阱層之間分別設(shè)有低溫下勢壘層和低溫上勢壘層。

所述下勢壘層和上勢壘層的厚度為50nm～400nm，低溫下勢壘層和低溫上勢壘層的厚度為30～100nm，量子阱層的厚度為2～15nm。

所述下勢壘層和上勢壘層的材料為algax或gax，量子阱層的材料為gaxbi，其中，x為n，p，as或sb。

本發(fā)明還提供了一種權(quán)利要求1所述的稀鉍半導(dǎo)體量子阱的制備方法，包括：步驟s1：在gax襯底上生長材料為algax或gax的下勢壘層；步驟s2：在所述下勢壘層上生長材料為gaxbi的量子阱層，并在生長所述量子阱層的過程中生長n型δ摻雜層；步驟s3：在量子阱層上生長上勢壘層。

所述在生長材料為algax下勢壘層與生長量子阱層之間包括生長材料為gax的低溫下勢壘層。

所述步驟s1中在襯底上生長下勢壘層之前生長與襯底相同材料的緩沖層。

所述x為n，p，as或sb。

所述生長采用分子束外延或金屬有機化學(xué)氣相沉積生長技術(shù)。

在步驟s2生長gax層的過程中中途停止生長，并在x壓保護下，使生長溫度下降，隨后繼續(xù)生長。

在所述生長溫度下降前，生長溫度維持在450℃～650℃，生長溫度下降后，生長溫度維持在300℃～400℃。

生長所述量子阱層時，x壓調(diào)至在該溫度下生長gax所需要的最小x壓。

本發(fā)明提供的一種稀鉍半導(dǎo)體量子阱結(jié)構(gòu)，其中δ摻雜層的引入使得在量子阱的導(dǎo)帶和價帶之間被引入v字形的勢阱，導(dǎo)帶底進一步降低，由此縮小導(dǎo)帶到價帶躍遷能量，使發(fā)光波長往長波方向擴展，有效擴展發(fā)光波長；與傳統(tǒng)的通過增加bi的含量擴展發(fā)光波長的gaasbi量子阱相比，δ摻雜層的引入并沒有增加材料的缺陷密度，而是使得量子阱對電子的束縛作用增強，輻射躍遷幾率越大，發(fā)光越強，因而不會降低發(fā)光強度，這對于擴展稀鉍光電器件應(yīng)用范圍和提高器件性能都有重要的作用。此外，可以用常規(guī)的分子束外延方法或金屬有機化學(xué)氣相沉積方法進行生長，生長工藝簡單，易于實現(xiàn)。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的稀鉍半導(dǎo)體量子阱的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是如圖1所示的稀鉍半導(dǎo)體量子阱的能帶結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是按照本發(fā)明制備方法制備的量子阱層的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是按照本發(fā)明的實施例二制備的7.8％bi組分的gasbbi量子阱室溫pl峰值波長隨teδ摻雜層面密度的變化關(guān)系。

圖5是如圖4所示的7.8％bi組分的gasbbi量子阱室溫pl峰值能量隨teδ摻雜層面密度的變化關(guān)系。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，給出本發(fā)明的較佳實施例，并予以詳細描述，使能更好地理解本發(fā)明的功能、特點。

如圖1所示是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的稀鉍半導(dǎo)體量子阱從下到上依次包括下勢壘層2、含有鉍元素的量子阱層3、上勢壘層4。為了增強對電子的限制和進一步擴展發(fā)光波長，在量子阱層3中間插入一層n型δ摻雜層7，所述δ摻雜層7材料為s、si、se或te。

量子阱層3的材料為gaxbi,其中，x＝n，p，as，sb。下勢壘層2與上勢壘層4材料相同，為algax或gax。當(dāng)下勢壘層2和上勢壘層4的材料為algax時，下勢壘層2與量子阱層3之間、上勢壘層4與量子阱層3之間分別設(shè)有低溫下勢壘層21和低溫上勢壘層41。此外，下勢壘層2和上勢壘層4也可同時為gax單層。為方便描述，下文僅僅在下勢壘層2和上勢壘層4為algax的情況下討論。

該稀鉍半導(dǎo)體量子阱的能帶結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。由于每種不同的材料均有各自的導(dǎo)帶底和價帶頂，從下到上的每一層材料的導(dǎo)帶底和價帶頂從左到右依次排列，形成了稀鉍半導(dǎo)體量子阱的能帶結(jié)構(gòu)示意圖。其中如圖所示，由于n型δ摻雜層7的導(dǎo)帶底和價帶頂分別低于量子阱的材料的導(dǎo)帶底和價帶頂，δ摻雜層的引入使得在量子阱的導(dǎo)帶和價帶之間被引入v字形的勢阱，導(dǎo)帶底進一步降低。由此，縮小導(dǎo)帶到價帶躍遷能量，使發(fā)光波長往長波方向擴展，有效擴展發(fā)光波長；與傳統(tǒng)的通過增加bi的含量擴展發(fā)光波長的gaasbi量子阱相比，δ摻雜層的引入并沒有增加材料的缺陷密度，而是使得量子阱對電子的束縛作用增強，輻射躍遷幾率越大，發(fā)光越強，因而不會降低發(fā)光強度，這對于擴展稀鉍光電器件應(yīng)用范圍和提高器件性能都有重要的作用。

在其它實施例中，量子阱層3中的δ摻雜層7也可為多層。通過增加δ摻雜層的摻雜面密度，可以使發(fā)光波長紅移。此外，所述稀鉍量子阱層可以是單量子阱、多量子阱或超晶格結(jié)構(gòu)。所述δ摻雜層可以是單層或多層。

如圖3所示，本發(fā)明還提供了該稀鉍半導(dǎo)體量子阱的制備方法。該方法具體包括以下步驟：

步驟s1：在襯底1上生長下勢壘層2。

包括步驟s11：在襯底1上生長與襯底相同材料的緩沖層6。

襯底1的材料為gaas、gasb、inp或者其他材料。分子束外延技術(shù)中，襯底在450℃到650℃脫氧后，表面會很粗糙，在其上生長與襯底相同材料的緩沖層，可以使表面變平整，以方便接下來的生長。其中，生長的緩沖層為50～200nm厚。

步驟s12：在緩沖層6上生長下勢壘層2。

當(dāng)下勢壘層2的材料為algax時，先在緩沖層6上生長下勢壘層2，接下來再生長材料為gax的低溫下勢壘層21，為了將降溫環(huán)節(jié)提前，避免在之后停止生長導(dǎo)致缺陷，在生長gax層21的過程中需要中途停止生長，并在x壓保護下，將生長溫度降至300℃～400℃。由于bi原子質(zhì)量和半徑都比x原子的大，bi原子與ga原子形成共價鍵的結(jié)合能小于x原子與ga原子形成共價鍵的結(jié)合能，在高溫下很難把bi凝入gax中，bi原子很容易在表面析出，gaxbi需要在低溫、低x壓的條件下生長。在gaxbi量子阱前需要把生長溫度降至300℃～400℃，如果不在生長量子阱前進行降溫，生長停頓會導(dǎo)致量子阱和勢壘的界面處產(chǎn)生缺陷，影響發(fā)光質(zhì)量，因此，要將降溫環(huán)節(jié)提到前一層的生長過程中進行，這也是稀鉍量子阱的生長過程與普通量子阱的不同之處。

當(dāng)下勢壘層2的材料為algax時，勢壘層2和量子阱層3之間必須設(shè)有材料為gax的低溫勢壘層21，因為暫停生長來降溫的過程需要放置在gax層內(nèi)進行，如果中間沒有g(shù)ax層，降溫過程要放在algax層內(nèi)進行，而algax層需要在高溫下生長，較低生長溫度會嚴重影響algax層的質(zhì)量。優(yōu)選地，algax勢壘層可以在50nm～400nm范圍內(nèi)，gax勢壘層可以在30～100nm范圍內(nèi)。

可替代地，可以用與生長低溫下勢壘層21相同的方法直接生長材料為gax的下勢壘層2。

步驟s2：在下勢壘層2上生長量子阱層3，并在生長量子阱層3的過程中間生長n型δ摻雜層7。

關(guān)閉ga束源爐的閥門，暫停生長5～10s，調(diào)整x束源爐的閥門將x壓調(diào)至在當(dāng)前溫度下生長gax所需要的最小x壓。然后打開ga源爐的閥門，生長gaxbi的量子阱層3，量子阱層3的厚度可以在2～15nm范圍內(nèi)。

接下來關(guān)閉ga、x、bi束源爐的閥門，打開δ摻雜層7的摻雜材料的束源爐的閥門生長n型δ摻雜層7。其中，δ摻雜層7的摻雜面密度通過調(diào)節(jié)束源爐的溫度或摻雜時間t來控制，摻雜材料的摻雜濃度與束源爐的溫度呈指數(shù)關(guān)系，這個指數(shù)關(guān)系式可以通過束源爐在不同溫度下對應(yīng)的摻雜濃度擬合得到；在固定摻雜材料的束源爐溫度即固定的摻雜濃度的情況下，可以通過增加摻雜時間來增加摻雜材料的摻雜面密度，摻雜面密度與摻雜時間成正比。摻雜面密度需要達到10¹²cm^-2以上的量級，δ摻雜層的摻雜面密度越高，波長擴展的越長。所述δ摻雜層7的摻雜材料為n型摻雜材料如si、te、se或者s。

生長完δ摻雜層7，打開ga、x、bi束源爐的閥門，繼續(xù)生長gaxbi量子阱層3；

步驟s3：在量子阱層3上生長上勢壘層4。

生長溫度設(shè)置到450℃到650℃，當(dāng)上勢壘層4的材料為algax時，邊升溫邊生長材料為gax的低溫上勢壘層41，再生長上勢壘層4，其中algax勢壘層可以在50nm～400nm范圍內(nèi)，gax勢壘層可以在30～100nm范圍內(nèi)。可替代地，上勢壘層4的材料為gax時，直接邊升溫邊生長上勢壘層4。

步驟s4：生長gax蓋層5。

制備所得的具體結(jié)構(gòu)如圖4所示，從下到上依次包括襯底1、緩沖層6、勢壘層2、低溫勢壘層21、量子阱或勢阱層3、低溫勢壘層41、勢壘層4和蓋層5。所述勢阱層3中還設(shè)有一層δ摻雜層7。

以上所述的均為采用分子束外延的材料生長技術(shù)制備稀鉍半導(dǎo)體量子阱。此外本發(fā)明還可以作出種種變化，例如還可以采用金屬有機化學(xué)氣相沉積的材料生長技術(shù)用類似的方法制備稀鉍半導(dǎo)體量子阱。材料的生長采用分子束外延或金屬有機化學(xué)氣相沉積的材料生長技術(shù)，使得生長工藝簡單，易于控制。

實施例一用分子束外延方法在gaas襯底上制備gaasbi/gaas/algaas量子阱

制備步驟如下：

s1：在gaas襯底上生長algaas勢壘層2，包括：

s11：在gaas襯底上生長100nmgaas緩沖層，生長溫度為580℃；

s12：生長algaas勢壘層2，包括：

s121：在580℃生長200nm的algaas勢壘層2；

s122：在580℃生長25nm的gaas低溫勢壘層21；

s123：關(guān)閉ga束源爐的快門，保持as束源爐快門開啟，將生長溫度降到350℃；

s124：在350℃，繼續(xù)生長25nm的gaas低溫勢壘層21；

s2：在algaas勢壘層2上生長gaasbi勢阱層3，并在生長gaasbi勢阱層3的過程中間生長si的δ摻雜層7，包括：

s21：將as束源爐的閥門關(guān)小，使as壓降低至在350℃生長gaas所需的臨界值，在350℃生長4nm的gaasbi勢阱層3；

s22：關(guān)閉ga、as、bi束源爐的閥門，打開si束源爐的閥門，保持4s，再關(guān)閉si束源爐的閥門，使摻雜面密度達到10¹²cm^-2的量級；

s23：打開ga、as、bi束源爐的閥門，繼續(xù)生長4nm的gaasbi勢阱層3；

s3：在升溫過程中，生長50nm的gaas低溫勢壘層41和200nm的algaas勢壘層4，包括：

s31：將生長溫度設(shè)定為580℃，在升溫過程中，生長25nm的gaas低溫勢壘層41；

s32：等溫度升到580℃時，繼續(xù)生長25nm的gaas低溫勢壘層41和200nm的algaas勢壘層4；

s4：生長10nm的gaas蓋層5。

實施例二用分子束外延方法在gasb襯底上制備gasbbi/gasb/algasb量子阱

制備步驟如下：

s1：在gasb襯底上生長生長algasb勢壘層2，包括：

s11：在gasb襯底上生長100nmgasb緩沖層，生長溫度為500℃；

s12：生長algasb勢壘層2，包括：

s121：在500℃生長200nm的algasb勢壘層2；

s122：在500℃生長25nm的gasb低溫勢壘層21；

s123：關(guān)閉ga束源爐的快門，保持sb束源爐快門開啟，將生長溫度降到300℃；

s124：在300℃，繼續(xù)生長25nm的gasb低溫勢壘層21；

s2：在algasb勢壘層2上生長gasbbi勢阱層3，并在生長gasbbi勢阱層3的過程中間生長te的δ摻雜層7，包括：

s21：將sb束源爐的閥門關(guān)小，使sb壓降低至在300℃生長gasb所需的臨界值，在300℃生長4nm的gasbbi勢阱層3；

s22：關(guān)閉ga、sb、bi束源爐的閥門，打開gate束源爐的閥門，保持4s，再關(guān)閉gate束源爐的閥門，使摻雜面密度達到10¹²cm^-2的量級；

s23：打開ga、sb、bi束源爐的閥門，繼續(xù)生長4nm的gasbbi勢阱層3；s3：在升溫過程中，生長50nm的gasb低溫勢壘層41和200nm的algaas勢壘層4，包括：

s31：將生長溫度設(shè)定為500℃，在升溫過程中，生長25nm的gasb低溫勢壘層41；

s32：等溫度升到500℃時，繼續(xù)生長25nm的gasb低溫勢壘層41和200nm的algasb勢壘層4；

s4：生長10nm的gasb蓋層5。

實施例三用金屬有機化學(xué)氣相沉積方法生長在gasb襯底上制備gasbbi/gasb/algasb量子阱

制備步驟如下：

s1：在gasb襯底上生長algasb勢壘層2，包括：

s11：將gasb襯底載入到mocvd反應(yīng)室中，反應(yīng)室壓力200torr,在600℃，無三甲基銻(tmsb)氣氛保護下，對gasb襯底脫氧5分鐘，緊接著通入三甲基鎵(tmga)和tmsb，tesb源的通入量為1.0×10^-6mol/min，tmga的通入量為2.1×10^-7mol/min,在550℃生長100nm厚的gasb緩沖層；

s12：生長algasb勢壘層2，包括：

s121：通入三甲基鋁(tmal),通入量為4.0×10^-8mol/min,在550℃生長200nm的algasb勢壘層2；

s122：在550℃生長25nm的gasb低溫勢壘層21；

s123：關(guān)閉tmga源和tmal源，在tmsb氣氛保護下，將生長溫度降到320℃；

s124：通入tmga和tmsb，在320℃，繼續(xù)生長25nm的gasb低溫勢壘層21；

s2：在algasb勢壘層2上生長gasbbi勢阱層3，并在生長gasbbi勢阱層3的過程中間生長te的δ摻雜層7，包括：

s21：通入tmga，tmsb和三甲基鉍(tmbi)，tmga和tmbi的通入量分別為2.1×10^-7mol/min和6.4×10^-8mol/min，tmsb的通入量減小至gasb所需的臨界值5.2×10^-6mol/min，在320℃生長4nm的gasbbi勢阱層3；

s22：關(guān)閉tmga、tmsb、tmbi源，通入三甲基銻(tmte)，保持4s，再關(guān)閉te源，使摻雜面密度達到10¹²cm^-2的量級；

s23：通入tmga、tmsb、tmbi源，繼續(xù)生長4nm的gasbbi勢阱層3；

s3：在升溫過程中，生長50nm的gasb低溫勢壘層41和200nm的algasb勢壘層4，包括：

s31：將生長溫度設(shè)定為550℃，在升溫過程中，生長25nm的gasb低溫勢壘層41；

s32：等溫度升到550℃時，繼續(xù)生長25nm的gasb低溫勢壘層41和200nm的algasb勢壘層4；

s4：生長10nm的gasb蓋層5。

實驗結(jié)果

實施例二中的gaas中摻雜te后，利用霍爾(hall)效應(yīng)測試出摻雜濃度，來確定teδ摻雜層的面密度。實施具體的方法如下：在半絕緣的gaas襯底上生長200nm的gaas緩沖層，然后以生長速率r生長1μm厚的摻te的gaas層，用hall測試出摻雜體密度ρ。以相同te束源爐溫度生長的δ摻雜層的面密度σ可以由下式計算：

σ＝ρ·r·t(1)

通過調(diào)節(jié)摻雜時間t，可以調(diào)節(jié)δ摻雜層的面密度，從而調(diào)節(jié)不同的發(fā)光波長。

bi組分為7.8％的gasbbi量子阱室溫發(fā)光波長為2250nm，當(dāng)在gasbbi量子阱中插入一層面密度為1.1×10¹²cm^-2的teδ摻雜層，室溫發(fā)光波長擴展到2349nm，δ摻雜層的面密度每增加一倍，室溫?zé)晒夤庾V(pl)峰位平均以13mev速度紅移，如圖4和5所示，所引入的發(fā)光波長紅移量是每摻入1％的bi所產(chǎn)生的紅移量33mev的39％。當(dāng)δ摻雜層的面密度增加到4.4×10¹²cm^-2時，室溫發(fā)光波長擴展到2527nm。δ摻雜層濃度越高，發(fā)光波長紅移量越大，驗證了通過這種方法可以進一步擴展稀鉍半導(dǎo)體的發(fā)光波長。從實驗結(jié)果表明，teδ摻雜面密度為1.1×10¹²cm^-2的樣品的pl的積分強度比未摻雜樣品的提高了30％，這驗證了δ摻雜可以增強勢阱對電子的限制作用，提高發(fā)光效率。

以上所述的，僅為本發(fā)明的較佳實施例，并非用以限定本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的上述實施例還可以做出各種變化。即凡是依據(jù)本發(fā)明申請的權(quán)利要求書及說明書內(nèi)容所作的簡單、等效變化與修飾，皆落入本發(fā)明專利的權(quán)利要求保護范圍。本發(fā)明未詳盡描述的均為常規(guī)技術(shù)內(nèi)容。