[發(fā)明專利]一種大尺寸InGaSb量子點(diǎn)的外延生長(zhǎng)方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200810051421.1
• 申請(qǐng)日: 2008-11-13
• 公開（公告）號(hào): CN101404246A
• 公開（公告）日: 2009-04-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李占國(guó);劉國(guó)軍;李林;李梅;尤明慧;喬忠良;王勇;鄧昀;王曉華;趙英杰;李聯(lián)合
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 長(zhǎng)春理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L21/203
• 分類號(hào): H01L21/203;H01L33/00;H01L31/18;H01S5/00
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域，屬于半導(dǎo)體光電子新型材料的外延生長(zhǎng)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

大尺寸量子點(diǎn)的概念及結(jié)構(gòu)研究起源于20世紀(jì)末。主要是借鑒或結(jié)合量子點(diǎn)(QDs)、超晶格(SLs)的制備方法獲得的。由于其特殊的應(yīng)變場(chǎng)，輕、重空穴的更強(qiáng)的耦合作用，TE和TM輻射模式的關(guān)系，使其在偏振無(wú)關(guān)的半導(dǎo)體光放大器、極低閾值激光器、波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器、集成光電子學(xué)器件等方面都將實(shí)現(xiàn)重要應(yīng)用。大尺寸量子點(diǎn)在半導(dǎo)體(凝聚態(tài))物理和材料學(xué)研究方面的基礎(chǔ)研究方面具有的重要價(jià)值，在電子學(xué)、光(電)子學(xué)器件方面的巨大應(yīng)用價(jià)值。

1998年，M.Sugawara等報(bào)道了以兩層InAs/InGaAs量子點(diǎn)為有源區(qū)的激光器(高寬比為1，量子點(diǎn)高、直徑均約為15nm)，閾值電流密度為560A/cm²。2002年，T.Kita等通過(guò)疊層生長(zhǎng)的InAs/InGaAs量子點(diǎn)，改變“量子點(diǎn)”的形狀，控制量子點(diǎn)的各向異性，首次獲得利用大尺寸量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體光放大器(SOA)光學(xué)增益的偏振不敏感性的跡象。2007年，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)J.He等研究了基于大尺寸量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性，指出了量子尺寸、形狀和結(jié)構(gòu)在新器件應(yīng)用方面的潛力。

InGaSb材料作為核心發(fā)光單元，對(duì)1.4～4.0μm輻射波段的發(fā)光器件和探測(cè)器件應(yīng)用更有優(yōu)勢(shì)。在近、中紅外半導(dǎo)體器件方面顯示出越來(lái)越重要得研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。銻化物以其特有的窄帶隙、電子有效質(zhì)量小等特點(diǎn)成為近年來(lái)中紅外波段研究的熱點(diǎn)材料，GaAs基InGaSb量子點(diǎn)激光器的研制將為光通訊提供一種價(jià)格低廉、功耗小、性能優(yōu)良的新光源選擇。

InGaSb量子點(diǎn)的研究是在近幾年才開始研究的，研究工作也主要集中在日本的幾個(gè)研究小組，其中N.Yamamoto所在的小組在1.3μm?InGaSb量子點(diǎn)激光器的研究上已經(jīng)有所進(jìn)展。可以預(yù)言大尺寸的InGaSb量子點(diǎn)材料在近紅外和中遠(yuǎn)紅外波段新型光電子器件上將具有十分重要的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

我們發(fā)明了一種大尺寸InGaSb量子點(diǎn)的外延生長(zhǎng)方法。量子尺寸的半導(dǎo)體材料具有與體材料截然不同的能態(tài)密度分布、特殊的載流子行為和光波限制特性、特殊的各向異性的應(yīng)變及馳豫特性，等等，進(jìn)而引起一系列光躍遷現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為具有更高的增益譜密度、更強(qiáng)的發(fā)光譜線，具有更小的溫度依賴性的增益系數(shù)，量子點(diǎn)為有源區(qū)的光電子器件中，由于大尺寸量子點(diǎn)本身相對(duì)具有尺寸規(guī)則、均勻，其發(fā)射效率、光增益都強(qiáng)于傳統(tǒng)的自組織生長(zhǎng)的量子點(diǎn)；周圍疊層浸潤(rùn)層對(duì)電子的俘獲能力、反射率和光限制能力也要強(qiáng)于單層浸潤(rùn)層的量子點(diǎn)。我們發(fā)明了一種大尺寸InGaSb量子點(diǎn)的外延生長(zhǎng)方法。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，見圖1所示，大尺寸InGaSb量子點(diǎn)的外延結(jié)構(gòu)包括GaAs襯底(1)，GaAs緩沖層(2)，自組織法生長(zhǎng)的InGaSb種子量子點(diǎn)(3)、短周期的GaSb/InGaSb超晶格層(4)，GaSb蓋層(5)大尺寸的InGaSb量子點(diǎn)(6)。所采用的設(shè)備為分子束外延設(shè)備(MBE)。

本發(fā)明的技術(shù)效果在于量子點(diǎn)形狀和尺寸的人為控制(artificial?engineering)，包括納米結(jié)構(gòu)定位問題，密度控制問題；材料組分分布及均勻性的控制；發(fā)光效率及非輻射躍遷等損耗的控制；量子點(diǎn)單元的耦合與發(fā)光結(jié)構(gòu)的結(jié)合技術(shù)。

本發(fā)明之傳統(tǒng)自組織生長(zhǎng)的量子點(diǎn)無(wú)論在尺寸、均勻性、形狀可控等方面得到明顯增強(qiáng)和改善，有效發(fā)光強(qiáng)度大大增加，并且實(shí)現(xiàn)了銻化物體系得低維外延生長(zhǎng)。如果作為半導(dǎo)體激光器發(fā)光材料，將使激光器的閾值電流和最大光功率輸出得到有效改善，提高激光器的電光轉(zhuǎn)換效率，從而提高激光器的整體性能。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，大尺寸InGaSb量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)包括GaAs襯底(1)、GaAs緩沖層(2)、自組織法生長(zhǎng)的InGaSb種子量子點(diǎn)(3)、短周期的GaSb/InGaSb超晶格層(4)、GaSb蓋層(5)以及大尺寸的InGaSb量子點(diǎn)(6)。襯底(1)為材料外延生長(zhǎng)的基底，采用GaAs襯底；生長(zhǎng)1μm的GaAs緩沖層(2)；InGaSb種子量子點(diǎn)(3)，通常采用自組織方法生長(zhǎng)，生長(zhǎng)厚度為2.2MLs，其作用是作為大尺寸InGaSb量子點(diǎn)的種子，在短周期超晶格(4)的作用下，尺寸和形狀得到人工的控制。短周期超晶格(4)由交替生長(zhǎng)的7MLs的GaSb和2MLs的InGaSb超晶格構(gòu)成；GaSb蓋層(5)；大尺寸InGaSb量子點(diǎn)(6)。

下面結(jié)合實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明，采用的設(shè)備為分子束外延設(shè)備(MBE)。