[發明專利]基于鉍元素的非矩形III-V族半導體量子阱的制備方法

有效

• 申請號: 201310264472.3
• 申請日: 2013-06-27
• 公開（公告）號: CN103367567A
• 公開（公告）日: 2013-10-23
• 發明（設計）人: 王庶民;顧溢;宋禹忻;葉虹
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H01L33/00
• 分類號: H01L33/00;H01L33/06;H01L33/30
• 代理公司: 上海泰能知識產權代理事務所 31233
• 代理人: 黃志達

技術領域

本發明屬于半導體微結構材料的制備領域，特別涉及一種基于鉍元素的非矩形III-V族半導體量子阱的制備方法。

背景技術

隨著薄膜材料外延手段和半導體物理知識的發展，使得量子微結構成功地在實驗上獲得制備，推動了半導體激光器、半導體探測器等光電子器件和電子器件的快速發展。這些器件已經在不同領域獲得了廣泛應用，并且對人們深入理解和發展各種量子理論起到重要作用，同時也反過來推動了分子束外延（MBE）和金屬有機物氣相外延（MOCVD）等各種薄層外延方法的發展。目前，所采用的量子結構主要是基于異質材料構成的，例如：人們發展了在GaAs襯底上的AlGaAs為勢壘，GaAs為量子阱的典型AlGaAs/GaAs體系量子結構；在InP襯底上發展了以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微電子器件中。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，這種結構在一般情況可以滿足人們的需要，且具有設計和生長較簡單的優點，得到了很好的發展，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，這樣對一些特殊功能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。

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注。人們發現當在III-V族材料中加入鉍后會產生比較大的帶隙收縮。鉍元素主要對價帶產生作用，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。同時，人們還發現GaAsBi材料的帶隙對溫度依賴度遠小于GaAs或InGaAsP材料。由于鉍元素有很大的原子質量，預計鉍化物具有很大的自旋-軌道分裂能，可以抑制俄歇復合，提高激光器的特征溫度。因此，稀鉍材料可以擴展傳統III-V族半導體材料與器件的波長，減弱或消除俄歇復合，提高半導體光電器件的工作溫度和特征溫度。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。最近，人們發現鉍元素在III-V族材料中由于與III族元素產生的化學鍵能較小，很容易產生空位，從而引起III族元素在界面處的互擴散，特別是在較高的生長溫度下更為明顯。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種基于鉍元素的非矩形III-V族半導體量子阱的制備方法，該方法可用常規分子束外延、原子層沉積等多種材料生長手段進行生長，操作工藝簡單方便，該方法可有效地控制材料組分，克服了采用常規生長方法只適合生長組分突變矩形量子阱結構的問題，為量子結構和功能的設計及實現引入更大的自由度。

本發明的一種基于鉍元素的非矩形III-V族半導體量子阱的制備方法，包括：生長III-V族半導體量子阱的勢阱材料和勢壘材料，所述的勢阱材料和勢壘材料的生長過程中均加入鉍元素。

所得到的III-V族半導體量子阱為非矩形結構。

所述的III-V族半導體量子阱為以InP為襯底的In_0.53Ga_0.47As/InAs材料，其制備方法為：先生長In_0.53Ga_0.47As勢壘，然后生長InAs勢阱底，再生長In_0.53Ga_0.47As勢壘，生長上述勢壘和勢阱底的整個過程中均加入鉍元素。

本發明針對III-V族半導體傳統矩形量子結構及其工藝實現中存在的問題，需要在非矩形量子阱制備方法方面進行創新，本發明旨在利用鉍元素引起III族元素互擴散的特性提供一種非矩形III-V族半導體量子阱的制備方法。

本發明的生長III-V族半導體量子阱的勢阱和勢壘材料過程中同時打開鉍束源快門，利用的鉍元素引起的III族元素互擴散實現非矩形量子阱結構。應用這種方法可有效地控制材料組分，克服了采用常規生長方法只適合生長組分突變矩形量子阱結構的問題，為量子結構和功能的設計及實現引入更大的自由度。

本發明中可以通過調節生長溫度和生長速率對III-V族半導體量子阱的界面形狀進行調控。

有益效果

（1）本發明的制備方法可用常規分子束外延、原子層沉積等多種材料生長手段進行生長，操作工藝簡單方便；