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(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料和器件芯片制備領(lǐng)域，具體地涉及生長InP基InAs量子阱的方法。
背景技術(shù)：
由于在氣體探測、生物醫(yī)學(xué)等方面存在巨大潛在應(yīng)用優(yōu)勢，發(fā)光波長在2-3 μ m范圍的InP基InAs量子阱材料和器件(激光器和探測器等)具有成本低、器件工藝技術(shù)成熟等眾多優(yōu)點(diǎn)。
在1994年以InAs為阱、Ina53Gaa47As為壘的InP基量子阱結(jié)構(gòu)材料首先在I. 7 μ m 量子阱激光器中得到應(yīng)用。隨著金屬有機(jī)化合物氣相沉積(MOCVD)外延技術(shù)的發(fā)展，該材料體系的應(yīng)用波長范圍得到了拓展，2007年實(shí)現(xiàn)了 2· 33μπι InP基InAS/InQ.53Gaa47AS量子講激光器。
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(yīng)變的情況下會產(chǎn)生缺陷，影響材料質(zhì)量；2、根據(jù)量子限制效應(yīng)的規(guī)律，延長InAs量子阱的發(fā)光波長需要增加InAs層的厚度，但這樣會引起材料應(yīng)變的加劇從而產(chǎn)生更多的缺陷，導(dǎo)致材料質(zhì)量的下降。因此，在進(jìn)行長波長InP基InAS/Ina53Gaa47AS量子阱的外延生長時，需對材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對材料的外延過程進(jìn)行優(yōu)化控制，在拓長發(fā)光波長的同時盡可能減緩InAs量子阱受到的壓應(yīng)變，減少材料缺陷的產(chǎn)生。
為此，2010年有研究小組采用包含贗襯底的InP基InAs量子阱材料結(jié)構(gòu)，用以逐漸增加表層襯底材料的晶格常數(shù)，降低襯底與InAs量子阱層的失配度，實(shí)現(xiàn)了 2.90μπι發(fā)光波長的半導(dǎo)體材料。但是贗襯底結(jié)構(gòu)需要外延較大厚度(>3μπι)晶格常數(shù)漸變的贗襯底材料，在一定程度上增加了器件的串聯(lián)電阻和制作成本。發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題
為解決上述的一個或多個問題，本發(fā)明提供了一種生長InP基InAs量子阱的方法。
( 二 )技術(shù)方案
根據(jù)本發(fā)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緩沖層；在InP緩沖層上生長兩側(cè)均包含IrvxGaxAs應(yīng)力漸變勢壘層的InAs量子阱結(jié)構(gòu)；以及在InAs量子阱結(jié)構(gòu)上生長InP蓋層。
(三)有益效果
從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)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(cè)引入晶格常數(shù)漸變的IrvxGaxAs應(yīng)力漸變勢壘層來減緩InAs量子阱所受到的壓應(yīng)變，減少材料中因應(yīng)變累積釋放而產(chǎn)生的缺陷濃度，改善了InAs量子阱材料的晶體質(zhì)量；(2)由于InAs量子阱所受應(yīng)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(fā)光波長。


圖IA為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例生長InP基InAs量子阱方法的流程圖；圖IB為按照圖I所示的方法制備的InP基InAs量子阱的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為采用傳統(tǒng)方法制備和采用圖I所示方法制備的InP基InAs量子阱材料室溫光致熒光譜的對比。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)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(shí)現(xiàn)方式，為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計(jì)約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。此外，以下實(shí)施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“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并非用來限制本發(fā)明。本發(fā)明通過在InAs量子阱兩側(cè)均引入晶格常數(shù)漸變的IrvxGaxAs應(yīng)力漸變勢壘層來減緩InAs量子阱所受到的壓應(yīng)變，改善材料的晶體質(zhì)量并拓長材料的發(fā)光波長。在本發(fā)明的一個示例性實(shí)施例中，提供了一種生長InP基InAs量子阱的方法。圖IA為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例生長InP基InAs量子阱方法的流程圖。圖IB為按照圖I所示的方法制備的InP基InAs量子阱的結(jié)構(gòu)示意圖。請參照圖IA和圖1B，本實(shí)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，其制備的步驟與本實(shí)施例相同。步驟B :采用金屬有機(jī)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緩沖層2 ；本步驟中，生長InP緩沖層的方法除了 MOCVD方法外，還可以采用分子束外延(MBE)或化學(xué)束外延(CBE)等方法。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)需要合理設(shè)置InP緩沖層2的生長溫度和厚度，一般情況下，InP緩沖層2的生長溫度介于500°C至700°C之間，其厚度介于IOOnm至600nm之間。步驟C :在InP緩沖層2上生長包含IrvxGaxAs應(yīng)力漸變勢壘層的雙周期量子阱結(jié)構(gòu)3 ；本步驟中，生長量子阱結(jié)構(gòu)的方法除了 MOCVD方法外，還可以采用分子束外延(MBE)或化學(xué)束外延(CBE)等方法。
如圖IB所示，每個周期的量子阱結(jié)構(gòu)包括依次生長的In。. 53Ga0.47As層30， IiVxGaxAs應(yīng)力漸變勢壘層31，InAs量子阱層32，IrvxGaxAs應(yīng)力漸變勢壘層33，和 Ina53Gaa47As層34。據(jù)此,本步驟又包括
子步驟Cl，在470°C下，在InP緩沖層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(shù)與InP襯底的晶格常數(shù)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(yīng)力漸變勢壘層31，其中，通過改變Ga源的摩爾流量，將IrvxGaxAs應(yīng)力漸變勢壘層31中Ga組分系數(shù)x由O. 47逐漸降低到O. 38， 該IrvxGaxAs應(yīng)力漸變勢壘層31厚度為17nm ；
其中，該IrvxGaxAs應(yīng)力漸變勢壘層的厚度不超過lOOnm，其Ga的組分逐漸減小， 變化范圍為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(yīng)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(yīng)力漸變勢壘層33中Ga組分系數(shù)x由O. 38逐漸升聞到O. 47 ；
其中，該IrvxGaxAs應(yīng)力漸變勢壘層的厚度不超過lOOnm，其Ga的組分逐漸減小， 變化范圍為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(shù)與InP襯底的晶格常數(shù)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。
重復(fù)執(zhí)行子步驟C1-C5 —次，形成雙周期的量子阱結(jié)構(gòu)。
當(dāng)然，如果要形成多周期的量子阱結(jié)構(gòu)，重復(fù)執(zhí)行子步驟C1-C5即可，此處不再重復(fù)描述。
本步驟中，通過上下兩個IrvxGaxAs應(yīng)力漸變勢壘層，可以有效減緩InAs量子阱所受到的壓應(yīng)變，減少由應(yīng)變引起的材料缺陷，提高晶體質(zhì)量，并且有利于InAs量子阱材料的發(fā)光波長向更長方向移動。
本步驟中，生長Ina53Gaa47As層30和34、IrvxGaxAs應(yīng)力漸變勢壘層31和33、InAs 量子阱層32的方法除了 MOCVD方法外，還可以采用分子束外延(MBE)或化學(xué)束外延(CBE)等方法。
步驟D :采用MOCVD方法，在645°C下，在雙周期量子阱結(jié)構(gòu)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，還可以采用分子束外延(MBE)或化學(xué)束外延(CBE)等方法。
此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)需要合理設(shè)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，生長溫度介于500°C至700°C之間。
至此，本實(shí)施例生長InP基InAs量子阱的方法介紹完畢。
為了實(shí)驗(yàn)采用本實(shí)施例生長InP基InAs量子阱的方法制備的量子阱樣品的發(fā)光效果，在材料生長過程結(jié)束后，通過光柵光譜儀測量包含應(yīng)力漸變勢壘層的InAs/Ini_xGaxAS/InP量子阱樣品在室溫下的光致發(fā)光譜，并與不含應(yīng)力漸變勢壘層的InAs/IrvxGaxAsAnP量子阱樣品的室溫光致熒光譜進(jìn)行對比，如圖2所示。從圖2可以看到，包含應(yīng)力漸變勢壘層的InAS/Ini_xGaxAS/InP量子阱材料的發(fā)光質(zhì)量得到了明顯改善，其熒光強(qiáng)度是不含應(yīng)力漸變勢壘層樣品的3倍，并且其發(fā)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并不僅限于實(shí)施方式中提到的各種具體結(jié)構(gòu)或形狀，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可對其進(jìn)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(yīng)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(yīng)力漸變勢壘層；(3) InP基InAs量子阱結(jié)構(gòu)包含一個或多個周期；(4)在多周期的InP基InAs量子阱結(jié)構(gòu)中的若干周期應(yīng)用IrvxGaxAs應(yīng)力漸變勢壘層；(5)僅在InAs量子阱的某一側(cè)應(yīng)用IrvxGaxAs應(yīng)力漸變勢壘層。綜上所述，本發(fā)明中，在InAs量子阱兩側(cè)弓丨入In1^xGaxAs應(yīng)力漸變勢壘層后可有效減緩InAs量子阱所受到的壓應(yīng)變，減少由應(yīng)變引起的材料缺陷，提高晶體質(zhì)量。另一方面，InAs所受壓應(yīng)變的減小會引起其發(fā)光波長的紅移，有利于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(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所 述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種生長InP基InAs量子阱的方法，其特征在于，包括 在InP襯底上生長InP緩沖層； 在所述InP緩沖層上生長兩側(cè)均包含IrvxGaxAs應(yīng)力漸變勢壘層的InAs量子阱結(jié)構(gòu)；以及 在所述InAs量子阱結(jié)構(gòu)上生長InP蓋層。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述InAs量子阱結(jié)構(gòu)為單周期、雙周期或多周期的InAs量子阱結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，生長每一周期的InAs量子阱結(jié)構(gòu)的步驟包括 生長厚度低于IOOnm的第一 IrvxGaxAs應(yīng)力漸變勢壘層，其中，該IrvxGaxAs應(yīng)力漸變勢壘層中Ga組分系數(shù)X逐漸降低至O. 38 ； 生長厚度低于15nm的InAs量子阱層；以及 生長厚度低于IOOnm的第二 IrvxGaxAs應(yīng)力漸變勢壘層，其中，該IrvxGaxAs應(yīng)力漸變勢壘層中Ga組分系數(shù)X由O. 38逐漸升高。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于 所述生長第一 IrvxGaxAs應(yīng)力漸變勢壘層的步驟中，Ga組分系數(shù)x由O. 47逐漸降低至O.38，該第一 IrvxGaxAs應(yīng)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(yīng)力漸變勢壘層的步驟中，Ga組分系數(shù)x由O. 38逐漸升高至O.47，該第一 IrvxGaxAs應(yīng)力漸變勢壘層厚度為17nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一IrvxGaxAs應(yīng)力漸變勢壘層、InAs量子阱層和第二 IrvxGaxAs應(yīng)力漸變勢壘層的生長方法為金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積MOCVD 法； 所述生長第一 IrvxGaxAs應(yīng)力漸變勢壘層和生長第二 IrvxGaxAs應(yīng)力漸變勢壘層的步驟中，通過改變Ga源的摩爾流量來實(shí)現(xiàn)Ga組分系數(shù)的變化。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述采用MOCVD方法生長第一IrvxGaxAs應(yīng)力漸變勢壘層和第二 IiVxGaxAs應(yīng)力漸變勢壘層的生長的步驟中，生長的溫度介于450°C至650°C之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于 所述生長第一 IrvxGaxAs應(yīng)力漸變勢壘層的步驟之前還包括在InP緩沖層上生長第—1% S3Ga0. 47As B ; 所述生長第二 IrvxGaxAs應(yīng)力漸變勢壘層的步驟之后還包括在IrvxGaxAs應(yīng)力漸變勢壘層上生長第二 Intl 53Gaa47As層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一Ina53Gaa47As層和第二Ina53Gaa47As 層的厚度為 3nm。
9.根據(jù)權(quán)利要求I至8中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述InP襯底為η型摻雜、P型摻雜或中性的InP襯底。
10.根據(jù)權(quán)利要求I至8中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述InP緩沖層和InP蓋層均采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法制備。
全文摘要
本發(fā)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緩沖層；在InP緩沖層上生長兩側(cè)均包含In1-xGaxAs應(yīng)力漸變勢壘層的InAs量子阱結(jié)構(gòu)；以及在InAs量子阱結(jié)構(gòu)上生長InP蓋層。本發(fā)明通過在InAs量子阱兩側(cè)引入晶格常數(shù)漸變的In1-xGaxAs應(yīng)力漸變勢壘層來減緩InAs量子阱所受到的壓應(yīng)變，減少材料中因應(yīng)變累積釋放而產(chǎn)生的缺陷濃度，改善了InAs量子阱材料的晶體質(zhì)量，并拓展了InAs量子阱材料的發(fā)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(yōu)先權(quán)日2012年12月21日
發(fā)明者季海銘, 羅帥, 楊濤 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所