專利名稱：基于數字合金的非矩形量子結構及其實現方法
基于數字合金的非矩形量子結構及其實現方法所屬領域本發(fā)明涉及一種基于數字合金的非矩形量子結構及其實現方法，屬于半導體光電子材料及器件領域。
背景技術：
在半導體光電子器件(如半導體激光器等)和其他電子器件(如共振遂穿器 件等)中引入量子結構已有數十年的發(fā)展歷史了，這些器件已在不同領域獲得了廣泛應 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，應用化合物半導體材 料構成量子結構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材料構成量子結構。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體系量子結構；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體系量子結構，這些 量子結構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。在這些應用 中人們目前普遍采用的是組分突變的矩形量子結構，這種結構在很多場合可以滿足人們的 需要，且具有設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，這種矩形量子結構也給人們帶來一些限制，例如對矩形量子結構除 材料組分外，可變參數就是勢阱和勢壘的寬度，對一些特殊功能的設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構往往會引起較大的應變積 累，這一方面限制了材料設計和生長的范圍，另一方面也不利于高質量材料的生長。針對矩形量子結構及其工藝實現中存在的問題，本發(fā)明人設想能否提供一種普適 的方案，采用現有方法實現可控的非矩形量子結構，以適合于采用特定的外延工藝(如分 子束外延)來實現，從而引導出本發(fā)明的構思。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于數字合金的非矩形量子結構及其實現方法本發(fā) 明通過異質外延材料體系的選擇和組合設計使其具有適合分子束外延等超薄層外延生長 工藝實現的特點，采用數字合金的方法實現非矩形的量子結構，并且對量子結構中的應變 總量加以設計控制和改善界面特性，在此基礎上利用生長條件寬松和容易控制的生長工藝 實現非矩形量子結構；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構的外 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構的困難，并且有 利于對量子結構中的應變總量加以控制和改善界面特性，這些結構特別適合于采用特定的 外延工藝(如分子束外延)進行生長。首先，選擇數字合金異質材料體系生長數字合金在異質材料體系的選擇和組合上需有特殊考慮，除需滿足設計量子 結構對材料能帶性質、禁帶寬度和帶階參數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，能方便地進行生長和容易控制，這是工藝實現的前提。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約為5. 87，室溫禁帶寬度約0. 75eV ；Ina52Ala48As三元系材料的晶格常數也為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，晶格常數約為 6. 06，與InP間有很大的正失配，直接用其構成量子阱會有一定困難；如采用Ina53Gaa47As 和InAs這兩種異質材料構成數字合金，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的，可以形成等效In組分> 0. 53的數字合金 InGaAs材料，在適當的應變條件下由其構成非矩形(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變量，或在總應變量相同的情況下 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數字合金勢壘和InGaAs/InAs數字合金勢阱的InAlAs/InGaAs-InGaAs/ InAs數字合金體系就可以在很大的范圍內裁減量子結構的參數，增加了合金組分變化及 勢阱和勢壘的形狀變化自由度，給材料和器件設計帶來更大自由度，而其基礎材料僅為晶 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 組分標定以及提高可控性和改善量子結構的生長質量帶來很大方便。鑒于以上材料體 系量子阱中存在較大的壓應變，我們還可以在勢壘中引入適當的張應變，例如采用AlAs/ InGaAs-InGaAs/InAs體系等，以進一步提高結構質量。這種應用數字合金構成量子結構的思路顯然也可以推廣到其他材料體系，如對 采用GaAs襯底，就可以設計生長壓應變的AlInP/GalnP-GalnP/InP、AIGaAs/GaAs-GaAs/ InAs、AlAs/GaAs-GaAs/InAs 體系或應變補償的 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構是采用數字合金構成量子阱的材料生長基礎是當生長 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形成數字合金，數字合金的等效 組分相當于原始合金材料組分的加權平均，權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，另一方面與生長溫度及后處理溫度等參數有 關，厚度越薄溫度越高混合效果會越好。采用數字合金構成量子阱時，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，量子勢壘結構中也可引入數字合金結構，其基本的出發(fā)點也與量 子阱相同，由于量子結構中勢壘層的厚度一般比勢阱層要厚一些，勢壘層在設計上的變化 也較少，一般設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，如采用數字合金一般也應固定權重，即 生長等效組分固定的數字合金，形成矩形量子勢壘。當然，對于設計生長有特殊要求的量子 結構也可以引入非矩形量子勢壘，以達到特定功能。
本發(fā)明涉及一種基于數字合金的非矩形量子結構，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 成數字合金；②應用這種數字合金在量子尺度上形成非矩形的量子結構(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構的單一性問題，為器 件設計引入更大的自由度；③應用這種結構可以有效地控制量子結構中的應變，特別是減小總應變量，并改 善界面特性；④所述的結構特別適合采用特定的外延工藝(如分子束外延)方便地進行生長， 且具有很好的可控性。本發(fā)明所述的基于數字合金的非矩形量子結構的工藝實現從工藝的現實性、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 實現前述非矩形量子結構應該以已有的晶格匹配材料生長參數為基礎，根據對量子結構的 實際要求和前述材料體系選擇原則確定合適的材料體系，然后根據非矩形量子阱和量子勢 壘的組分和形狀要求，設計相對應的材料生長時序，為使量子阱混合效應達到較好的效果， 應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界面，影響量子結構的功能和效果，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)合金材料構成數字合金的方法以及應用這種方法構成的非矩形 量子結構，應用這種方法可有效地在量子尺度上控制材料組分按設計要求精確變化，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構的單一性問題，為量子結構 和功能的設計和實現引入更大的自由度，并在量子結構的應變及界面控制方面帶來好處。 本發(fā)明的基于數字合金的非矩形量子結構既適合于需要采用非矩形量子阱的特殊半導體 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體激光器的非矩形量子結構示意圖。
具體實施例方式下面通過附圖和實施例，進一步說明本發(fā)明的實質性特點和顯著的進步，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數字合金勢壘和InGaAs/InAs數字合金三角形 勢阱的波長拓展量子結構外延材料實施步驟1.需要在InP襯底上實現量子躍遷波長大于2微米的量子結構而不引入銻化 物材料，此量子結構的設計波長約為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.根據能帶計算，Ina53Gaa47As和Ina52Ala48As按1 1質量比混合形成的數 字合金即可以滿足勢壘合金材料的要求，因此即在勢壘數字合金中把Ina53Gaa47As和 Ina52Ala48As的厚度比定位1 1，這樣形成的數字合金組分為Ina 525Ala24Gaa 235As,晶格參 數仍與InP襯底匹配。勢壘層的厚度設計為13. 5nm,平均分配到9個數字合金周期中，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.根據能帶計算和應變總量控制的要求，勢阱層采用三角形結構，即勢阱層的禁帶寬度從中間向兩邊線性變化，以達到較好的避免應力積累的效果。三角形量子阱采用 InAs和Ina53Gaa47As數字合金構成，量子阱寬設計為9nm，平均分配到12個數字合金周期 中，每個周期0. 75nm(約兩個原子層)，這樣各個數字合金周期中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，生長量子結構前先確定晶格匹配的 Ina53Gaa47As和Ina52Ala48As的生長參數，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, 在此基礎上進行非矩形量子結構的生長；6.在對Epi-Ready InP襯底進行脫附處理后先生長合適的緩沖層，然后即可開始 進行非矩形量子結構的生長。根據生長速率，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計厚度，生長非矩形量子阱后用 同樣的參數繼續(xù)完成另一側勢壘的生長；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 非矩形量子阱結構。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計時快門開關時間 會有一個近似，并且實際的快門開關時間也會有一個系統(tǒng)誤差，特別是對開關時間較短時 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的修正；8.實際生長量子結構時量子阱和量子勢壘都可以按應用要求重復進行，對此特定 結構考慮到應變總量的限制量子阱的數目可控制在2 3個，生長完非矩形量子結構后再 生長上合適的保護帽層，此結構即可用于結構和光學測試，也可直接應用到波長拓展的半 導體激光器結構中去。
權利要求
基于數字合金的非矩形量子結構，其特征在于通過選擇異質外延材料體系和組合設計，采用數字合金的方法實現非矩形的量子結構。
2.按權利要求1所述的基于數字合金的非矩形量子結構，其特征在于所述的數字合金 的等效組分相當于原始合金材料組分的加權平均。
3.按權利要求1所述的基于數字合金的非矩形量子結構，其特征在于所述的數字合金 構成非矩形的量子阱為三角形、鋸齒形或拋物線形。
4.按權利要求1所述的基于數字合金的非矩形量子結構，其特征在于所述的數字合金 為兩種二元或多元合金材料構成。
5.按權利要求4所述的基于數字合金的非矩形量子結構，其特征在于以InP為襯 底的數字合金為InAlAs/InGaAs-InGaAs/InAs ；已GaAs為襯底的數字合金為AlInP/ GalnP-GalnP/InP、AlGaAs/GaAs-GaAs/InAs、AlAs/GaAs-GaAs/InAs 體系或應變補償的 GaP/GalnP-GalnP/InP、AlP/GalnP-GalnP/InP 體系。
6.按權利要求1所述的基于數字合金的非矩形量子結構，其特征在于非矩形的量子結 構中勢壘層厚度比勢阱層厚度大。
7.實現權利要求1-6任一項所述的基于數字合金的非矩形量子結構的方法，其特征在 于采用分子束外延方法實現的，首先是以已有的晶格匹配材料生長參數為基礎，根據對量 子結構的實際要求和材料體系選擇原則確定合適的材料體系，然后根據非矩形量子阱和量 子勢壘的組分和形狀要求設計對應的材料生長時序，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.按權利要求7所述的實現方法，其特征在于對于采用InAlAs/InGaAs數字合金勢壘 和InGaAs/InAs數字合金三角形勢阱的波長拓展量子結構外延材料的方法是(1)在InP襯底上實現量子躍遷波長大于2微米的量子結構而不引入銻化物材料，設計 的量子結構的波長為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)根據能帶計算，Ina53Gaa47As和Ina52Ala48As按1 1質量比例混合形成的數字合 金，在勢壘數字合金中把Ina53Gaa47As和Ina52Ala48As的厚度比定位1 1，使形成的數字合 金組分為Ina 525Ala24Gaa 235As,晶格參數仍與InP襯底匹配。勢壘層的厚度設計為13. 5nm, 平均分配到9個數字合金周期中，每個周期1. 5nm，每個超薄層厚度為0. 75nm ；(4)根據能帶計算和應變總量控制的要求，勢阱層采用三角形結構，所述的三角形量子 阱由InAs和Ina53Gaa47As數字合金構成，量子阱寬為9nm，平均分配到12個數字合金周期 中，每個周期0.75nm，各個數字合金周期中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，生長量子結構前先確定晶格匹配的 Ina53Gaa47As和Ina52Ala48As的生長參數，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，進行非矩形量子結構的生 長；(6)在對Epi-ReadyInP襯底進行脫附處理后先生長合適的緩沖層，然后即可開始非 矩形量子結構的生長；根據生長速率，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計厚度，生長非矩形量子阱后用同樣的參 數繼續(xù)完成另一側勢壘的生長；(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閉和打開，直 至生長完整個非矩形量子阱結構；快門時序設計時最小控制間隔也為0. Is ； (8)生長量子結構時量子阱和量子勢壘按應用要求重復進行，生長完非矩形量子結構 后再生長合適的保護帽層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于數字合金的非矩形量子結構及實現方法，其特征在于通過選擇異質外延材料體系和組合設計，采用數字合金的方法實現非矩形的量子結構；所述的數字合金為兩種二元或多元合金材料構成。本發(fā)明的實現方法可有效地在量子尺度上控制材料組分按設計要求精確變化，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構的單一性問題，為量子結構和功能的設計和實現引入更大的自由度，并在量子結構的應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)先權日2010年3月19日
發(fā)明者張永剛, 顧溢 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所