[發明專利]一種稀鉍半導體量子阱

有效

• 申請號: 201710356260.6
• 申請日: 2017-05-16
• 公開（公告）號: CN107123714B
• 公開（公告）日: 2019-05-03
• 發明（設計）人: 岳麗;王庶民;張焱超;潘文武;王利娟
• 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: H01L33/06
• 分類號: H01L33/06;H01L33/30;H01L33/00
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 鄧琪

本發明提供了一種稀鉍半導體量子阱，從下到上依次包括：下勢壘層、含有鉍元素的量子阱層和上勢壘層；在稀鉍量子阱層中間設有n型δ摻雜層，量子阱層的材料為GaXBi，下勢壘層與上勢壘層材料相同，為AlGaX或GaX，δ摻雜層的材料為S，Si，Se或Te，X為N，P，As，Sb。本發明引入δ摻雜層，有效擴展發光波長，與傳統的通過增加Bi的含量擴展發光波長的GaAsBi量子阱相比，δ摻雜層的引入并沒有增加材料的缺陷密度，而是使得量子阱對電子的束縛作用增強，不會降低發光強度，這對于擴展稀鉍光電器件應用范圍和提高器件性能都有重要的作用。

技術領域

本發明屬于半導體光電材料制備領域，特別涉及一種擴展稀鉍半導體量子阱發光波長的方法。

背景技術

稀鉍化合物半導體材料因具有較大的禁帶收縮效應和自旋-軌道分裂能等新奇特性，近年來受到國際上的廣泛關注。當少量的鉍原子凝入到傳統的III-V族化合物半導體中時，Bi原子作為雜質引入的能級靠近價帶頂(VBM)，Bi原子的6p能級與III-V族化合物的價帶共振而使VBM升高，導致禁帶寬度E_g變窄，自旋軌道分裂能Δ_SO增加；此外當E_g<Δ_SO時，可以抑制俄歇復合以及價帶間的吸收，使能帶對溫度變化不敏感，從而提高器件的溫度穩定性，擴展發光波長。

這些特性有希望提高激光器的特征溫度和半導體器件的工作溫度，用于研制近紅外和中紅外波段的低功耗非制冷激光器、發光二極管、探測器等器件。目前，已經成功合成了很多種稀鉍化合物材料，如GaAsBi、InSbBi、InPBi、GaSbBi、InAsBi、InGaAsBi等，采用GaAsBi材料已研制出激光器和發光二極管，實現了發光波長的擴展。但是，由于所研制的光電器件的發光波長范圍太窄，在稀鉍材料這些優越特性的基礎上，還需要進一步擴展這些材料的波長范圍，以擴展稀鉍材料的發光波長。

傳統的稀鉍半導體量子阱依次包括襯底、下勢壘層、含有鉍元素的量子阱層、上勢壘層和蓋層。目前，往往通過增加Bi組分的方法來擴展這些材料的波長范圍。例如，隨著Bi組分的增高，Bi組分為10.9％的GaAsBi量子阱的發光波長為1.3μm,Bi組分為10.1％的GaSbBi量子阱的發光波長為2.43μm。

但是，要想繼續擴展GaAsBi量子阱的發光波長到1.55μm的通信波段，GaSbBi量子阱的發光波長到更長的中紅外波段，單純通過增加Bi組分的方法還存在很多挑戰。首先，要實現更高的Bi組分，需要在更嚴苛的生長條件，更低的生長溫度、生長速率和V/III比，例如，生長溫度在300～400℃范圍內，生長速率在0.3～0.5μm/h，V/III比接近接近臨界V/III比。其次，Bi組分的增高也會導致量子阱中缺陷密度的增加，材料的缺陷密度會影響發光強度，缺陷密度越高，非輻射符合幾率越高，發光越弱，從而降低發光效率。例如，Bi組分為10.9％的GaAsBi量子阱，雖然實現了1.3μm波長的發光，但發光強度很弱。

發明內容

本發明的目的是提供一種稀鉍半導體量子阱結構，以在不會降低發光強度的情況下擴展稀鉍半導體材料的躍遷波長。

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種稀鉍半導體量子阱，從下到上依次包括：下勢壘層、含有鉍元素的量子阱層和上勢壘層；其特征在于，在量子阱層中設有至少一層n型δ摻雜層，該δ摻雜層的材料為S，Si，Se或Te。

所述δ摻雜層的摻雜面密度為10¹²cm^-2量級。

所述下勢壘層與量子阱層之間、上勢壘層與量子阱層之間分別設有低溫下勢壘層和低溫上勢壘層。

所述下勢壘層和上勢壘層的厚度為50nm～400nm，低溫下勢壘層和低溫上勢壘層的厚度為30～100nm，量子阱層的厚度為2～15nm。