[發(fā)明專利]InSb/GaSb量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)器件及生長(zhǎng)方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310388446.1
• 申請(qǐng)日: 2013-08-30
• 公開（公告）號(hào): CN103441181A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 邢軍亮;張宇;徐應(yīng)強(qiáng);王國(guó)偉;王娟;向偉;任正偉;牛智川
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所
• 主分類號(hào): H01L31/109
• 分類號(hào): H01L31/109;H01L31/18;C30B29/40;C30B25/02;C30B23/02;C30B33/02
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 宋焰琴

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種InSb/GaSb量子點(diǎn)材料結(jié)構(gòu)器件及其生長(zhǎng)方法。

背景技術(shù)

2～5μm波段是極其重要的大氣透射窗口，在這一波段有望實(shí)現(xiàn)自由空間通訊；同時(shí)非對(duì)稱雙原子和多原子分子氣體在2～5μm波段下存在強(qiáng)的吸收峰，尤其是大量污染性氣體分子(NH₃(2.1μm)、HF(2.5μm)、CH₄(2.35μm和3.3μm)、HCHO(3.5μm)、HCl(3.5μm)、CO(2.3μm))，因而激射波長(zhǎng)處于此波段的GaSb基中遠(yuǎn)紅外激光器器件在通訊與氣體分子譜方向有著重要的用途。在這個(gè)波段，銻化物的光發(fā)射與探測(cè)器件已經(jīng)展現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢(shì)；然而3～4μm室溫連續(xù)激射的光發(fā)射器件目前技術(shù)仍舊不太成熟。InSb量子點(diǎn)材料是這一波段潛在的可行性材料；同時(shí)其具有低維納米結(jié)構(gòu)材料獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，相比于量子阱激光器，InSb量子點(diǎn)光發(fā)射器件具備更高的增益、更低的閾值電流，更高的量子效應(yīng)等一系列優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于InAs/GaSb量子點(diǎn)體系，InSb量子點(diǎn)得到的關(guān)注與研究比較少，而且大部分研究小組更注重研究采用MBE或者M(jìn)OVCD方法在GaAs、InP、InAs襯底上生長(zhǎng)InSb量子點(diǎn)。通過(guò)傳統(tǒng)的SK生長(zhǎng)方法生長(zhǎng)的InSb量子點(diǎn)只能在低溫下產(chǎn)生光致發(fā)光現(xiàn)象，2006年loffe實(shí)驗(yàn)室提出通過(guò)Sb源對(duì)GaSb表面改性，低溫大束流生長(zhǎng)InSb量子點(diǎn)的方法，實(shí)現(xiàn)了均勻高密度InSb量子點(diǎn)的生長(zhǎng)，通過(guò)采用AlGaAsSb作為勢(shì)壘材料，實(shí)現(xiàn)了InSb量子點(diǎn)的室溫下的光致發(fā)光。

本發(fā)明提出一種InAs/GaSb量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)器件與生長(zhǎng)方法，通過(guò)Sb源對(duì)GaSb表面改性，低溫小束流生長(zhǎng)InSb量子點(diǎn)，以及采用AlGaInAsSb五元材料作為勢(shì)壘材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有助于InSb/GaSb量子點(diǎn)應(yīng)用于中紅外波段的半導(dǎo)體光電器件有源區(qū)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與外延生長(zhǎng)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種InAs/GaSb量子點(diǎn)生長(zhǎng)方法，通過(guò)Sb源對(duì)GaSb表面改性，低溫小束流生長(zhǎng)InSb量子點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)在GaSb上生長(zhǎng)高密度，均勻的InSb量子點(diǎn)。

本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提出一種InAs/GaSb量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)器件，采用AlGaInAsSb五元材料作為勢(shì)壘材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有助于InSb/GaSb量子點(diǎn)應(yīng)用于中紅外波段的半導(dǎo)體光電器件有源區(qū)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與外延生長(zhǎng)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

本發(fā)明提供一種InAs/GaSb量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)器件，所述量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)器件包括：

n型GaSb襯底101：采用(001)晶向n型摻雜的GaSb襯底，摻雜濃度為：5×10¹⁷/cm³；

GaSb下緩沖層102：在襯底上生長(zhǎng)n型GaSb材料，厚度為300nm，用于阻擋襯底中的缺陷向上生長(zhǎng)，提高外延的晶體質(zhì)量。

川GaInAsSb下勢(shì)壘層103：生長(zhǎng)在緩沖層上的該勢(shì)壘層生長(zhǎng)在GaSb緩沖層上，AlGaInAsSb下勢(shì)壘層與GaSb襯底晶格匹配；

GaSb上緩沖層104：生長(zhǎng)在下勢(shì)壘層上的下緩沖層，厚度為200nm，采用GaSb材料；

InSb量子點(diǎn)層105：有源區(qū)生長(zhǎng)在下緩沖層上，每層InSb量子點(diǎn)的淀積厚度為1～2.6ML；

GaSb上保護(hù)層106：生長(zhǎng)在InSb量子層的上保護(hù)層，厚度為200nm，采用GaSb材料，用以保護(hù)量子點(diǎn)形貌；

AlGaInAsSb上勢(shì)壘層107：生長(zhǎng)在緩沖層上的該勢(shì)壘層生長(zhǎng)在GaSb緩沖層上，AlGaInAsSb下勢(shì)壘層與GaSb襯底晶格匹配；

GaSb蓋層108，該蓋層生長(zhǎng)在AlGaInAsSb上勢(shì)壘層上面，用于整體結(jié)構(gòu)的保護(hù)作用。

為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明還提供了一種InSb量子點(diǎn)的分子束外延生長(zhǎng)方法，包括以下步驟：

步驟201：在n型GaSb襯底上生長(zhǎng)GaSb緩沖層，阻擋襯底中的缺陷向上生長(zhǎng)，提高外延的晶體質(zhì)量，厚度為300nm，淀積溫度為550℃，淀積速率為0.5原子層/秒，五族三族源(分子束外延生長(zhǎng)中的五三比)的流量比為8～10；

步驟202：在GaSb襯底上生長(zhǎng)AlGaInAsSb五元材料的勢(shì)壘層，非摻雜的低Al組分AlGaInAsSb五元材料勢(shì)壘材料的厚度為100nm，生長(zhǎng)溫度400℃，淀積速率1原子層/秒，五族三族源的流量比為15～20；