一種InP基中紅外InAsBi量子阱結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種InP基中紅外InAsBi量子阱結(jié)構(gòu)，采用InAsBi作為量子阱結(jié)構(gòu)的勢阱層，同時采用與InP匹配的In0.53Ga0.47As或者晶格常數(shù)比InP小的InxGa1-xAs、0<x<0.53作為量子阱結(jié)構(gòu)的勢壘層。本發(fā)明所采用的InP襯底相對GaSb襯底具有較優(yōu)的襯底質(zhì)量，可降低器件制備成本；量子阱采用InAsBi作為勢阱層，由于具有窄帶隙，可實現(xiàn)中紅外波段發(fā)光；利用量子阱帶間躍遷制備的半導體光源與利用子帶間躍遷的量子級聯(lián)激光器相比，具有閾值電流低、電光轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點。
【專利說明】-種InP基中紅外InAsBi量子阱結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于半導體光電子材料領(lǐng)域，特別涉及一種InP基中紅外InAsBi量子阱結(jié) 構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002] 中紅外波段包含了許多重要分子基頻特征譜線，具有很小的大氣光吸收特性，中 紅外波段的激光器和發(fā)光二極管等光源在民用與軍事領(lǐng)域均有非常重要的應用前景，如民 用的環(huán)境監(jiān)測、化學物品探測和醫(yī)學診斷等領(lǐng)域，以及軍用領(lǐng)域的激光雷達、防撞及目標識 別等。由半導體材料制成的半導體激光器由于效率高、體積小、重量輕等優(yōu)點尤其受到關(guān) 注。實現(xiàn)中紅外半導體激光器的方式主要有三種途徑：1型量子阱激光器、帶間級聯(lián)激光器 (Interband Cascade Laser, ICL)和量子級聯(lián)激光器（Quantum Cascade Laser, QCL)。其 中，I型量子阱激光器作為一種相對傳統(tǒng)的方案，其結(jié)構(gòu)相對簡單，制備條件相對成熟，通過 電流注入將電子和空穴的準費米能級的能量差增大使得大于所輻射光子的能量，從而實現(xiàn) 載流子的反轉(zhuǎn)，理論上激光器的電壓僅需略高于輻射光子能量對應的電壓即可使激光器實 現(xiàn)工作，使器件具有較高的轉(zhuǎn)化效率。目前，GaSb襯底上的InGaAsSb/AlGa(In)AsSb量子 阱激光器是主要的中紅外波段I型半導體量子阱激光器實現(xiàn)手段，已經(jīng)在3. 4微米以下的 多個波段實現(xiàn)了室溫連續(xù)激射。但是銻化物多元材料生長存在互不溶隙，器件刻蝕工藝也 有較大難度，高質(zhì)量的GaSb襯底也很難獲得。
[0003] InP襯底上的量子阱激光器具有更成熟的材料和器件工藝，與InP襯底晶格匹配 或應變補償?shù)腎nGaAs(P)體系量子阱激光器可以在近紅外通訊波段的1. 3微米和1. 55微 米工作，在光纖通訊的推動下得到了飛速發(fā)展，已經(jīng)較為成熟。通過增加量子阱中的In組 分和勢阱的厚度，可以使InGaAs量子阱的發(fā)光波長向長波延伸進入中紅外波段范圍。但是 受到量子阱應變的影響和臨界厚度的限制，目前實現(xiàn)的最長波長約為2. 4微米。通過在InP 襯底上生長緩沖層構(gòu)筑晶格常數(shù)比InP大的所謂"虛擬襯底"，然后再生長InAs量子阱激 光器結(jié)構(gòu)，可以使激光器發(fā)光波長達到更長的3微米附近。但是異變量子阱激光器對材料 生長有很高的要求，而且以InAs材料作為勢阱的量子阱激光器受到InAs材料的禁帶寬度 (0. 35eV)限制，發(fā)光波長很難突破3微米。
[0004] 近年來，稀鉍半導體材料因具有很多獨特而重要的特性而引起了國際上越來越多 的關(guān)注。人們發(fā)現(xiàn)當在III-V族材料中加入鉍后會產(chǎn)生類似于稀氮材料的帶隙收縮。而鉍 元素主要對價帶產(chǎn)生作用，對導帶作用很小，空穴遷移率只是隨著鉍濃度的升高而略微降 低，不會像稀氮材料那樣大幅降低電子遷移率及產(chǎn)生大量非輻射復合中心。而且鉍元素在 普通生長溫度下III-V族材料的生長中起表面活化劑的作用，有利于形成平整的界面，增 強材料的光學特性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種InP基中紅外InAsBi量子阱結(jié)構(gòu)，該量子 阱結(jié)構(gòu)采用InAsBi作為勢阱層，由于具有窄帶隙，可實現(xiàn)中紅外波段發(fā)光。
[0006] 本發(fā)明的一種InP基中紅外InAsBi量子阱結(jié)構(gòu)，采用InAsBi作為量子阱結(jié)構(gòu)的 勢阱層，同時采用與InP匹配的In Q.53Gaa47AS或者晶格常數(shù)比InP小的Ir^GahA^iKKO. 53 作為量子阱結(jié)構(gòu)的勢壘層。
[0007] 所述量子阱結(jié)構(gòu)生長在InP襯底上。
[0008] 所述InP襯底上首先生長InP緩沖層。
[0009] 所述量子阱結(jié)構(gòu)可以采用ΙηΑ8α95Β?α(ι5作為勢阱層，采用Ιη α46&α6Α8作為勢壘層。
[0010] 所述星子講結(jié)構(gòu)為米用InAsa94Bia(l6作為勢講層，米用In a53Gaa47As作為勢魚層。
[0011] 所述量子阱結(jié)構(gòu)的帶間躍遷波長達到中紅外波段，適用于制備中紅外量子阱激光 器、發(fā)光二極管等中紅外光源器件。
[0012] 有益效果
[0013] 本發(fā)明所采用的InP襯底相對GaSb襯底具有較優(yōu)的襯底質(zhì)量，可降低器件制備成 本；量子阱采用InAsBi作為勢阱層，由于具有窄帶隙，可實現(xiàn)中紅外波段發(fā)光；利用量子阱 帶間躍遷制備的半導體光源與利用子帶間躍遷的量子級聯(lián)激光器相比，具有閾值電流低、 電光轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015] 圖2是實施例1的量子阱結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖3是實施例2的量子阱結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0017] 下面結(jié)合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人 員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定 的范圍。
[0018] 實施例1
[0019] 以制備InP基發(fā)光波長為3. 1微米的InAS(l.95Bia(l5雙量子阱為例：
[0020] (1)要在InP襯底上生長InAS(l.95Bia(l5雙量子阱結(jié)構(gòu)，先生長一層lOOnm InP緩沖 層；
[0021] (2)生長一層20nm厚的InQ.4GaQ. 6As材料作為勢魚層；
[0022] (3)生長一層5nm厚的InAs^Bi^材料作為勢講層；
[0023] (4)再次生長一層20nm厚的In^Ga^As材料作為勢壘層；
[0024] (5)再次生長一層5nm厚的ΙηΑ8α95Β?α(ι5材料作為第二個量子阱的勢阱層；
[0025] (6)最后再次生長一層20nm厚的Ina4GaQ. 6As材料作為勢魚層，完成此雙量子講結(jié) 構(gòu)的生長，量子阱室溫發(fā)光波長約為3. 1微米。
[0026] 實施例2
[0027] 以制備InP基發(fā)光波長為3. 0微米的InASa94Bia(l6三量子阱為例：
[0028] (1)要在InP襯底上生長InAS(l.94Bi a(l6三量子阱結(jié)構(gòu)，先生長一層lOOnm InP緩沖 層；
[0029] (2)生長一層15nm厚的InQ.53GaQ. 47AS材料作為勢壘層；
[0030] (3)生長一層4nm厚的ΙηΑ8α94Β?α(ι6材料作為勢阱層；
[0031] (4)再次生長一層15nm厚的InQ.53Ga Q.47AS材料作為勢壘層；
[0032] (5)再次循環(huán)重復執(zhí)行兩遍上述（3)和（4)過程，即完成此三量子阱結(jié)構(gòu)的生長， 量子阱室溫發(fā)光波長約為3. 0微米。
【權(quán)利要求】
1. 一種InP基中紅外InAsBi量子阱結(jié)構(gòu)，其特征在于：采用InAsBi作為量子阱結(jié)構(gòu)的 勢阱層，同時采用與InP匹配的In Q.53Gaa47AS或者晶格常數(shù)比InP小的InfahA^iKKO. 53 作為量子阱結(jié)構(gòu)的勢壘層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種InP基中紅外InAsBi量子阱結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述量 子阱結(jié)構(gòu)生長在InP襯底上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種InP基中紅外InAsBi量子阱結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述量 子講結(jié)構(gòu)為采用ΙηΑ8α95Β;? α(ι5作為勢講層，采用Ina4Gaa6As作為勢魚層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種InP基中紅外InAsBi量子阱結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述量 子講結(jié)構(gòu)為采用ΙηΑ8α94Β;? α(ι6作為勢講層，采用Ιηα536Βα47Α8作為勢魚層。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種InP基中紅外InAsBi量子阱結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述量 子阱結(jié)構(gòu)的帶間躍遷波長達到中紅外波段。
【文檔編號】H01S5/343GK104104012SQ201410247131
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年6月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月5日
【發(fā)明者】顧溢, 張永剛, 王庶民 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所