CN112803240B - 一种InGaAs/AlGaAs阱垒外延层结构的优化方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种InGaAs/AlGaAs阱垒外延层结构的优化方法及其应用，包含GaAs衬底和GaAs间隔层，具体是利用MOCVD方法在GaAs衬底上交替生长量子阱InGaAs和势垒AlGaAs，并在每个InGaAs/AlGaAs阱垒界面处均***一层GaAs间隔层，有效的减小了In、Al原子偏析的长度，并且减小了AlGaAs势垒厚度，避免了In的扩散，降低了外延生长InGaAs量子阱的难度，有助于提高激光器的内量子效率，增强其光电性能。

Description

一种InGaAs/AlGaAs阱垒外延层结构的优化方法及其应用
技术领域
本发明属于半导体材料技术领域，涉及一种InGaAs/AlGaAs阱垒外延层结构，具体涉及一种InGaAs/AlGaAs阱垒外延层结构的优化方法及其应用。
背景技术
在消费市场的推动下，垂直腔面发射激光器(VCSEL)以其低廉的价格和优越的集成特性成为光芯片领域的研究热点。VCSEL广泛应用于光纤通信、云计算、光存储和光互联设备等领域。940nm垂直腔面发射激光器(VCSEL)是近年来发展迅速的一种新型半导体激光器，是一种理想的数据通信和三维传感光源。VCSEL通常包含一个量子阱(QW)有源腔区，可以产生足够的光增益。InGaAs/AlGaAs应变量子阱的晶体质量和界面结构对外延层的制备至关重要。在MOCVD外延生长条件下，晶体生长方向上的In原子的表面偏析会导致晶体上表面的In原子浓度大于下表面和晶体内部的浓度。与表面分离的原子增加了表面粗糙度，导致生长方式由二维向三维岛状生长模式转变。原子偏析引起的表面缺陷是不可避免的，In偏析造成的量子阱界面的粗糙和弯曲会引起非辐射复合的产生，从而降低激光器的内量子效率，影响其光电性能。所以急需对现有的InGaAs/AlGaAs量子阱结构进行改进优化以抑制In的偏析。并且AlGaAs势垒应在较高的温度下生长，以保证Al原子的迁移能力，在低温条件下生长AlGaAs势垒会大大降低量子阱界面的晶体质量和平直度。
现有文献中报道，在InGaAs/AlGaAsQWIP器件的制造中，由于其不可避免性和不可重复性，In组分损失成为一个严重的问题。在以前的研究中，证明了使用一层薄的AlGaAs层在低温下生长可以防止In成分的损失，在光电流光谱中验证了该生长过程能够调节能带工程设计的光响应波长。
但是以上方法为在InGaAs/AlGaAs量子阱中生长AlGaAs薄层，但AlGaAs材料在生长过程中，温度较低时，Al原子的迁移速度降低，会影响AlGaAs的晶体质量，同时温度较低时，生长过程中深能级杂质氧会形成非辐射复合中心。而GaAs的典型的MOCVD生长温度介于InGaAs和AlGaAs之间，有利用MOCVD生长时候的温度过渡。同时由于以上文献报道的AlGaAs势垒层的厚度较厚，增加了获得高质量量子阱的难度。
发明内容
基于上述问题，本发明目的在于提供一种阱垒外延层结构，以降低原子偏析引起的表面缺陷，从而使量子阱界面平坦化，减少缺陷引起的非辐射复合。
具体的，本发明提供了一种InGaAs/AlGaAs阱垒外延层结构的优化方法，包含GaAs衬底和GaAs间隔层，具体是利用MOCVD方法在GaAs衬底上交替生长量子阱InGaAs和势垒AlGaAs，并在量子阱InGaAs和势垒AlGaAs之间***一层薄的GaAs间隔层，具体结构如图1所示。
本领域普通技术人员知晓，MOCVD全称为金属有机化合物气相外延技术，是目前制造绝大多数光电子材料的基本技术。MOCVD设备作为化合物半导体材料研究和生产的手段，特别是作为工业化生产的设备，它的高质量、稳定性、重复性及规模化是其他的半导体材料生长设备无法替代的，本发明人所用MOCVD方法具体条件如下：
用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法，在0°偏角的N型(100)GaAs衬底上生长如图1所示的InGaAs/AlGaAs阱垒外延层结构，以三甲基镓(TMGa)、三甲基铟(TMIn)、三甲基铝(TMAl)作为Ⅲ族源，以砷烷(AsH3)作为Ⅴ族源，以高纯氢气作为载气；生长温度为650℃。
进一步地，所述的InGaAs/AlGaAs阱垒外延层结构包含4层势垒AlGaAs层，3层量子阱InGaAs层。
进一步地，所述InGaAs/AlGaAs阱垒外延层结构是在每个InGaAs/AlGaAs阱垒界面处均***一层GaAs间隔层。
进一步地，所述GaAs间隔层的厚度为0.6nm～1nm。
进一步地，所述势垒AlGaAs层的厚度为3.2nm～3.4nm。
进一步地，所述量子阱InGaAs层的厚度为6.4nm～6.6nm。
另外，本发明还提供了所述一种InGaAs/AlGaAs阱垒外延层结构在垂直腔面发射激光器中应用，能够有效的避免In偏析造成量子阱界面粗糙和弯曲的问题，可以提高激光器的内量子效率，增强其光电性能。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果或者优点：
本发明在量子阱InGaAs和势垒AlGaAs之间***一层薄的GaAs间隔层，此结构的优化会降低原子偏析引起的表面缺陷，从而形成量子阱界面平坦突变，有助于减少缺陷引起的非辐射复合。
另外，InGaAs量子阱和AlGaAs势垒的生长温度区间相差较大，采用在阱垒界面***GaAs间隔层会有平滑界面的作用，减小In、Al原子偏析的长度，并且减小了AlGaAs势垒厚度，避免了In的扩散，降低了外延生长InGaAs量子阱的难度。
附图说明
图1为多量子阱结构示意图
图2为MQW/MQW-GaAs高分辨XRD2Theta-Omega图
图3为MQW/MQW-GaAs扫描透射电子显微镜图谱
图4为MQW/MQW-GaAs光致发光光谱图
具体实施方式
下面，结合附图对本发明的技术方案进行说明，但是，本发明并不限于下述的实施方法。
实施例1
利用MOCVD方法在GaAs衬底上生长图1所示的两种多量子阱结构。MQW及MQW-GaAs均在650℃相同温度下生长。在MQW外延层中有三个周期的InGaAs/AlGaAs多量子阱外延层，而在MQW-GaAs外延层中InGaAs/AlGaAs的阱垒界面处***了6层重复的GaAs间隔层。
其中所用MOCVD方法的具体条件如下：
实验设备：美国VEECO公司生产的E475MOCVD设备；
实验条件：用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法，使两个对比样品MQW和MQW-GaAsIL均在0°偏角的N型(100)GaAs衬底上生长如图1所示的InGaAs/AlGaAs阱垒外延层结构，以三甲基镓(TMGa)、三甲基铟(TMIn)、三甲基铝(TMAl)作为Ⅲ族源，以砷烷(AsH3)作为Ⅴ族源，以高纯氢气作为载气；生长温度为650℃。
对以上述方法制备的多量子阱结构进行各项检测，结果数据见图2、图3、图4。
如图2所示，在XRD2Theta-Omega扫描图谱显示，MQW-GaAs结构的强度比MQW的要大，并且量子阱的卫星峰呈现出了更小的半高宽。通过对比两种结构卫星峰，MQW结构几乎看不到明显的条纹峰，而MQW-GaAs结构呈现出了有明显界限、强度突出的条纹峰，这表明了GaAs间隔层减小了界面粗糙度，对界面晶体质量的改善。值得一提的是，MQW相对于MQW-GaAs结构卫星峰有略微的角度蓝移趋势，这反应出了由InGaAs向InAlGaAs过渡使得晶格发生膨胀的过程。GaAs缓冲层显著提高了势垒材料本身的光滑性，形成光滑均匀的势垒和良好的界面，保证了MQWs之间的重复性。
由图3a)可知，MQW界面处呈现原子弥散的状态，MQW-GaAs结构由于InGaAs两侧包覆着GaAs层所以阱宽较MQW宽。从图3b)可以看出阱垒界面有颜色的渐变趋势，这是因为GaAs间隔层也起到了过渡阱垒的作用。从图3可以明显看出MQW尽管在电镜STEM模式拍摄过程中将对比度及明暗度调到了最佳，MQW-GaAs的阱垒界面对比度仍不及MQW，表明了加入GaAs间隔层对原子互混程度减小的利处。
图4显示了室温下的PL光谱。MQW-GaAs结构的峰值波长为929nm，略低于理论设计值(930nm)。由于某些原因，可以观察到PL峰从MQW-GaAs结构的样品向MQW结构的样品的蓝移。由于低维体系的比表面积一般比体材料大得多，其发光性能受表面缺陷的影响更大。由缺陷形成的局域态会捕获自由载流子，影响材料的光学性质和载流子迁移。原子偏析引起的表面缺陷也是导致PL峰强度逐渐变细的关键因素之一。
如上所述，即可实现本发明，上述的实施例仅仅是对本发明的实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种改变和改进，均应落入本发明确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种InGaAs/AlGaAs阱垒外延层结构的优化方法，其特征在于，利用MOCVD方法在GaAs衬底上生长所述InGaAs/AlGaAs阱垒外延层结构；
所述GaAs衬底为0°偏角的N型（100）GaAs衬底；
所述InGaAs/AlGaAs阱垒外延层结构从上到下依次为GaAs盖层、AlGaAs层、GaAs间隔层、InGaAs层、GaAs间隔层、AlGaAs层、GaAs间隔层、InGaAs层、GaAs间隔层、AlGaAs层、GaAs间隔层、InGaAs层、GaAs间隔层、AlGaAs层、GaAs衬底；
所述GaAs间隔层的厚度为0.6nm～1nm；
所述InGaAs/AlGaAs阱垒外延层结构的生长温度为650℃。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述MOCVD方法所用Ⅲ族源为TMGa、TMIn、TMAl；所用Ⅴ族源为AsH3；所用载气为氢气。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述AlGaAs层的厚度为3.2nm～3.4nm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，InGaAs层的厚度为6.4nm～6.6nm。
5.权利要求1至4任一项所述方法在制备所述InGaAs/AlGaAs阱垒外延层结构中的应用。
6.权利要求1至4任一项所述InGaAs/AlGaAs阱垒外延层结构在垂直腔面发射激光器中的应用。
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