CZ303855B6 - GaAsSb layer with graded composition reducing stress in InAs/GaAs quantum dots - Google Patents
GaAsSb layer with graded composition reducing stress in InAs/GaAs quantum dots Download PDFInfo
- Publication number
- CZ303855B6 CZ303855B6 CZ20110570A CZ2011570A CZ303855B6 CZ 303855 B6 CZ303855 B6 CZ 303855B6 CZ 20110570 A CZ20110570 A CZ 20110570A CZ 2011570 A CZ2011570 A CZ 2011570A CZ 303855 B6 CZ303855 B6 CZ 303855B6
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- layer
- quantum dots
- gaas
- gaassb
- concentration
- Prior art date
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/544—Solar cells from Group III-V materials
Landscapes
- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
Description
Oblast technikyTechnical field
Vynález se týká polovodičových struktur využívaných jako zdroj optického signálu pro optické komunikace.The invention relates to semiconductor structures used as an optical signal source for optical communications.
Dosavadní stav techniky:BACKGROUND OF THE INVENTION:
V současné době jsou zdroje optického signálu pro optické vláknové komunikace vyráběny v systému polovodičů InGaAs/InP. Tento systém má své nedostatky: finanční nákladnost výroby, a to především kvůli ceně InP substrátů, a horší tepelné a výkonové vlastnosti, protože InGaAs potenciálová jáma pro elektrony v tomto systému není dostatečně hluboká. Dlouhodobě je proto snahou nalézt alternativní struktury a kombinace materiálu, které by mohly být využity v součástkách sloužících jako zdroj optického signálu na vlnových délkách 1300 a 1550 nm.Currently, optical signal sources for fiber optic communications are manufactured in the InGaAs / InP semiconductor system. This system has its drawbacks: costly production, mainly due to the cost of InP substrates, and inferior thermal and performance properties, because the InGaAs potential pit for electrons in this system is not deep enough. In the long term, it has been an attempt to find alternative structures and combinations of materials that could be used in components serving as an optical signal source at 1300 and 1550 nm.
V posledních letech se nejvíce pozornosti v této oblasti věnuje systému In(Ga)As kvantových teček (K.T) na GaAs podložkách. Kvantové tečky jsou čočkovité útvary z polovodiče In(Ga)As v GaAs matrici. Jejich základna má několik desítek nm a jejich výška se pohybuje v rozmezí 2 až 10 nm. Jedná se o systém s mřížkově nepřizpůsobivými materiály s vysokým pnutím ve struktuře. KT se v tomto systému tvoří samoorganizací metodou Stranskeho-Krastanowova. Stranskeho-Krastanowovův mód růst nastává u kombinace určitých typů polovodičů (např. při růstu InAs na GaAs) s různými mřížkovými konstantami při vhodných růstových podmínkách: Aby se uvolnilo mechanické pnutí ve struktuře, vznikne při epitaxi InAs tenká tzv. smáčecí vrstva a na ní se místo růstu ve vrstvách samouspořádají malé ostrůvky InAs tzv. kvantové tečky. V literatuře jsou popsány další možné módy růstu, například Frank van der Merveho (růst vrstva po vrstvě) nebo Volmer-Weberův (vznik ostrůvků bez smáčecí vrstvy).In recent years, most attention has been paid to the system of In (Ga) As quantum dots (K.T) on GaAs substrates. Quantum dots are lenticular formations of the In (Ga) As semiconductor in the GaAs matrix. Their base has several tens of nm and their height ranges from 2 to 10 nm. It is a system with non-conforming materials with high stress in the structure. KT is formed in this system by the self-organization of the Stranski-Krastanow method. Stransky-Krastanow growth mode occurs in combination of certain types of semiconductors (eg when InAs grows to GaAs) with different lattice constants under suitable growth conditions: In order to release the mechanical stress in the structure, a thin so-called wetting layer forms during epitaxy InAs. Instead of growing in layers, small islands of InAs, called quantum dots, self-arrange. Other possible growth modes are described in the literature, for example Frank van der Merve (layer-by-layer growth) or Volmer-Weber (island formation without a wetting layer).
Výhodou KT u výše uvedeného systému je posuv emitovaného světla k delším vlnovým délkám oproti kvantovým jamám (tenký In(GA)As, tzn. InAs nebo InGaAs, vrstvám) v systému In(Ga)As/GaAs, a vhodnost využití KT v laserových strukturách. Taje dána především zmenšením objemu aktivní oblasti, a tím snížením prahového proudu laseru, lepšími tepelnými vlastnostmi a lokalizací rekombinace excitonů v KT, čímž jsou chráněny zrcadla laseru před tepelnou destrukcí při vyšších výkonech. Protože jsou KT v tomto systému zkoumány od r. 1994, je stále obtížné připravit laserovou strukturu vyzařující na vlnové délce 1300 nm. Daří se to prozatím pouze pomocí technologie epitaxe z molekulárních svazků (MBE - Molecular Beam Expitaxy) např. [1], která pracuje za podmínek vysokého vakua a je pro průmyslovou výrobu méně vhodná než plynná epitaxe z organokovových sloučenin (MOVPE - Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy). KT připravené metodou Stranskeho-Krastonowova přikryté vrstvou GaAs s tloušťkou nad 50 nm emitují obvykle světlo s vlnovou délkou 1150 až 1250 nm. Další prodloužení vlnové délky na 1300 nm se nejčastěji dosahuje bezprostřední překrytím KT pomocí vrstev snižujících pnutí uvnitř KT. Vrstvy musí být připraveny z materiálu, jehož mřížková konstanta je mez mřížkovou konstantou materiálu teček (InAs) a podložky (GaAs). Nejčastěji se používají InGaAs a GaAsSb vrstvy. Schematické znázornění struktury s KT překrytými GaAsSb vrstvou lze nalézt na obr. I.The advantage of KT in the above system is the shift of the emitted light to longer wavelengths compared to quantum wells (thin In (GA) As, ie InAs or InGaAs layers) in the In (Ga) As / GaAs system, and the suitability of using KT in laser structures . This is mainly due to the reduction in the volume of the active region, thereby reducing the laser threshold current, better thermal properties, and localizing the exciton recombination in KT, thereby protecting the laser mirrors from thermal destruction at higher powers. Since KTs have been studied in this system since 1994, it is still difficult to prepare a laser structure emitting at 1300 nm. For the time being, this has only been achieved using Molecular Beam Expitaxy (MBE) technology, eg [1], which operates under high vacuum conditions and is less suitable for industrial production than metal-organic vapor (MOVPE) epitaxy of organometallic compounds Phase Epitaxy). KTs prepared by the Stranski-Krastonow method covered with a layer of GaAs with a thickness above 50 nm usually emit light with a wavelength of 1150 to 1250 nm. Further extension of the wavelength to 1300 nm is most often achieved by immediate overlapping KT by means of stress-reducing layers inside KT. The layers must be prepared from a material whose grid constant is between the grid constant of the dots (InAs) and the pad (GaAs) material. InGaAs and GaAsSb layers are most commonly used. A schematic representation of the structure with KT overlaid by the GaAsSb layer can be found in Figure I.
Vložením těchto vrstev mezi KT a GaAs dochází ke snížení pnutí uvnitř KT a zároveň:Inserting these layers between KT and GaAs reduces stress inside the KT and at the same time:
1) ke zúžení zakázaného pásu energie v napnutých InAs KT1) to narrow the forbidden energy band in strained InAs KT
2) k zabránění rozpouštění KT během jejich překryvu.2) to prevent KT dissolution during overlap.
Zachování původní velikosti KT i zúžení zakázaného pásu energií v KT vede k prodloužení emitované vlnové délky.Maintaining the original KT size and narrowing the forbidden energy band in the KT leads to an extension of the emitted wavelength.
- 1 CZ 303855 B6- 1 GB 303855 B6
InGaAs krycí vrstvy sací efektivně prodlužují emitovanou vlnovou délku z KT, avšak kvůli menší bariéře mezi KT a obklopující kvantovou jámou se zhoršují tepelné i výkonové vlastnosti struktury a je velice obtížné dosáhnout elektroluminiscence, případně stimulované emise ze základního stavu KT. GaAsSb vrstvy představují dostatečnou bariéru pro elektrony, avšak pro vyšší koncentrace antimonu, kdy dochází k účinnému snížení pnutí v KT a požadovanému posunu vlnové délky, přechází systém do tzv. heterostruktury II. typu [2], ve kterém jsou oba typy nosičů náboje od sebe prostorově separovány: elektrony zůstávají lokalizovány v TK, zatímco díry jsou lokalizovány v GaAsSb vrstvě (viz obr. 2 a). Tím se sníží podstatně překryv vlnových funkcí elektronů a děr a sníží se významně i efektivita luminiscence.The InGaAs suction liners effectively extend the emitted wavelength from KT, but due to the smaller barrier between KT and the surrounding quantum well, the thermal and performance properties of the structure deteriorate and it is very difficult to achieve electroluminescence or stimulated emission from the KT baseline. GaAsSb layers represent a sufficient barrier for electrons, but for higher concentrations of antimony, when there is an effective reduction of stress in KT and the required wavelength shift, the system passes into the so-called heterostructure II. of type [2], in which both types of charge carriers are spatially separated from each other: electrons remain localized in the BP, while the holes are localized in the GaAsSb layer (see Fig. 2 a). This significantly reduces the overlap of the wave functions of electrons and holes and significantly reduces the luminescence efficiency.
Relevantní literatura:Relevant literature:
[1] H.Y. Liu, I.R. Sellers, T.J. Badcock, D.J. Mowbray, M.S. Skolnick, K. M. Groom, M. Gutiérrez, M. Hopkinson, J.S. Ng, J.P.R. David, R.Beanland: Improved performance of 1.3 mm multilayer InAs quantumdot lasers using a high-growth-temperature GaAs spacer layer, Appl. Phys.[1] H.Y. Liu, I.R. Sellers, T.J. Badcock, D.J. Mowbray, M.S. Skolnick, K. M. Groom, M. Gutierrez, M. Hopkinson, J.S. Ng, J.P.R. David, R.Beanland: Improved performance of 1.3 mm multilayer InAs quantumdot lasers using GaAs spacer layer, Appl. Phys.
lett., 85 (2004) 704 až 6.lett., 85 (2004) 704-6.
[2] Wen-Hao Chang, 1, a_ Yu-An Liao, 1 Wei-Ting Hsu, 1 Ming-Chih Lee, 1 Pei-chin Chiu, Jen-Inn Chyi: Carrier dynamics of type-II InAs/GaAs quantum dots covered by a this gaAslxSbx layer, Appl. Phys. Lett, 93 (2008) 033107.[2] Wen-Hao Chang, 1, Yu-An Liao, 1 Wei-Ting Hsu, 1 Ming-Chih Lee, 1 Pei-chin Chiu, Jen-Inn Chyi: Carrier Dynamics of Type-II InAs / GaAs quantum dots covered by this gaAslxSbx layer, Appl. Phys. Lett., 93 (2008) 033107.
[3] Jun Tatebayashi, Yasuhiki Arakawa, Nobuaki Hatori, Hiroji Ebe, Mitsuru Sugawara, Hisao[3] Jun Tatebayashi, Yasuhiki Arakawa, Nobuaki Hatori, Hiroo Ebe, Mitsuru Sugawara, Hisao
Sudo and Akito Kuramata: InAs/GaAs self-assembled quantum-dot lasers grown by metalorganic Chemical vapor deposition-Effects of postgrowth annealing on stadked InAs quantum dots, Appl. Phys. Lett. 85 (2004) 1024 až 6.Sudo and Akito Kuramata: InAs / GaAs self-assembled quantum-dot lasers grown by metalorganic Chemical vapor deposition-Effects of postgrowth annealing on stadked InAs quantum dots, Appl. Phys. Lett. 85 (2004) 1024-6.
[4] Kouichi Akahane, Naokatsu Yamamoto, Shin-ichiro Gozu, Naoki Ohtani: Strong photoluminescence and lase operation of InAs quantum dots covered by a GaAsSb strain-reducing layer,[4] Kouichi Akahane, Naokatsu Yamamoto, Shin-ichiro Gozu, Naoki Ohtani: Strong photoluminescence and lase operation of InAs quantum dots covered by GaAsSb strain-reducing layer,
Physica E 26 (2005) 395 až 396.Physica E 26 (2005) 395-396.
[5] Η. Y. Liua, M. J. Steer, TjJ. Badcock. D.J. Mowbray, M.S. Skolnick, P. Navaretti, K.M. Groom, M. Hopkinson, R.A. Hogg: Long-Wavelength light emission and lasing from InAs/GaAs quantum dots covered by a GaAsSb strain-reducing layer, Appl. Phys. Lett. 86 (2005) 143108.[5] Η. Y. Liu, M.J. Steer, TjJ. Badcock. D.J. Mowbray, M.S. Skolnick, P. Navaretti, K.M. Groom, M. Hopkinson, R. A. & Hogg: Long-Wavelength light emission and lasing from InAs / GaAs quantum dots covered by GaAsSb strain-reducing layer, Appl. Phys. Lett. 86 (2005) 143108.
[6] Kouichi Akahane, Naokatsu Yamamoto, Naoki Ohtani. Long-wavelength light emission from in As quantum dots covered by GaAsSb grown on GaAs substrates, Physica E 21 (2004) 295 až[6] Kouichi Akahane, Naokatsu Yamamoto and Naoki Ohtani. Long-wavelength light emission from As quantum dots covered by GaAsSb grown on GaAs substrates, Physica E 21 (2004) 295 to
299.299.
Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION
Tento vynález řeší výše zmíněné nevýhody, především nízkou efektivitu elektroluminiscence KT na požadované vlnové délce 1300 nm.The present invention solves the above-mentioned disadvantages, in particular the low efficiency of the KT electroluminescence at the desired wavelength of 1300 nm.
Podstata vynálezu spočívá v gradovaném složení GaAsSb vrstvy redukující pnutí v kvantových tečkách. Schematické znázorněné řezu strukturou je podobné jako na obr. 1, přičemž GaAsi.xSbx vrstva překrývající bezprostředně In(Ga)As/GaAs kvantové tečky má gradovanou koncentraci antimonu, kde x se pohybuje v rozmezí 0,03 až 0,3 tak, že nižší koncentrace antimonu se nachází blíže kvantovým tečkám a ve směru růstu (tedy se vzrůstající vzdáleností od kvantových teček) se koncentrace zvyšuje.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention resides in the graded composition of a GaAsSb stress reducing layer in quantum dots. The schematic cross-sectional view of the structure is similar to that of Figure 1, with GaAsi. x Sb x layer overlying the In (Ga) As / GaAs quantum dots has a graded concentration of antimony, where x ranges from 0.03 to 0.3 so that the lower concentration of antimony is closer to quantum dots and in the direction of growth (ie as the distance from quantum dots increases) the concentration increases.
Gradování koncentrace antimonu lze realizovat stejně v jediné vrstvě nebo skokově ve dvou či více vrstvách, jejichž počet může být až padesát. Nejnižší obsah Sb v GaAsi_xSbx v oblasti těsně přiléhající ke KT může být zvolen v rozmezí x=0,03 až 0,12. Toto složení je zvoleno tak, aby bylo zabráněno „rozpouštění“ KT během růstu krycí vrstvy, ale zároveň aby byla zachována dostatečná bariéra pro díry a umožněna jejich lokalizace v KT (např. x=0,05). Koncentrace antimonu se pak dále zvyšuje s rostoucí tloušťkou deponovaného gaAsi xSbx k hodnotám v rozmezí x=0,14 až 0,3. Zvýšená koncentrace Sb zajišťuje uvolnění pnutí uvnitř KT a požadovaný posuv emitované vlnové délky. V oblasti GaAsSb k vyšší koncentraci Sb se vytváří pro díry kvantováGrading of the antimony concentration can be carried out in the same layer in one layer or stepwise in two or more layers, the number of which can be up to 50. The lowest Sb content in GaAsi_ x Sb x in the region adjacent to KT can be selected in the range x = 0.03 to 0.12. This composition is chosen so as to prevent the "dissolution" of KT during the growth of the coating, but at the same time to maintain a sufficient barrier for the holes and allow their localization in the KT (eg x = 0.05). The antimony concentration then increases further with increasing thickness of the deposited gaAsi x Sb x to values in the range x = 0.14 to 0.3. The increased Sb concentration ensures the release of stress within the CV and the desired shift of the emitted wavelength. In the GaAsSb region to a higher Sb concentration, quantum holes are created for holes
-2CZ 303855 B6 potenciálová jáma (viz obr. 2. b), jejíž bariéry tvoří na jedné straně GaAsSb vrstva s nízkou koncentrací Sb a na druhé straně krycí GaAs vrstva. Parametry kvantové jámy (hrany valenčního pásu dané složením GaAsSb i tloušťkou kvantové jámy) musí být zvoleny takovým způsobem, aby základní děrový stav v KT byl pro díry energeticky výhodnější než základní děrový stav v GaAsSb kvantové jámě. Vhodné tloušťky GaAsi_xSbx vrstvy se nacházejí v rozmezí 3 až 10 mm. Díky vytvoření kvantových hladin vGaAsdSb kvantové jámě je možné použít GaAsi.xSbx s vyšší koncentrací Sb (bylo realizováno až x=0,25), s tím dosáhnout většího uvolnění pnutí ve struktuře, při zachování společné lokalizace elektronů a děr v KT, než bylo doposud možné při použití GaSAsi_xSbx vrstvy s konstantním složením (nejvýše x=0,14).A potential pit (see Fig. 2b), whose barriers are formed on the one hand by a GaAsSb layer with a low Sb concentration and on the other hand by a covering GaAs layer. The parameters of the quantum well (the valence band edges given by the composition of GaAsSb and the thickness of the quantum well) must be chosen in such a way that the basic hole state in KT is more energy efficient for holes than the basic hole state in GaAsSb quantum hole. Suitable thicknesses GaAsi_ x Sb x layers are in the range of 3-10 mm. By creating quantum levels in the GaAsdSb quantum pit, GaAsi can be used. x Sb x with higher Sb concentration (up to x = 0.25 realized), thereby achieving greater stress relief in the structure, while maintaining the common localization of electrons and holes in CC, than previously possible using GaSAsi_ x Sb x layer with constant composition (maximum x = 0.14).
GaAsSb kvantová jáma pro díry může být realizována jako trojúhelníková, je-li obsah Sb v GaAsSb spojitě zvyšován, skokově stupňovaná nebo jako obdélníková pomocí dvou vrstev GaAsi _xSbx s různým složením: první vrstva bezprostředně překrývající kvantové tečky má tloušťku 0,5 až 3 nm a nižší obsah antimonu x = 0,03 až 0,09 tvoří bariéru pro díry, druhá vrstva GaAsi _xSbx má tloušťku 3 až 10 nm a vyšší koncentraci antimonu x=0,14 až 0?3 a tvoří pro díry kvantovou jámu.The GaAsSb quantum hole for holes can be realized as triangular if the Sb content in GaAsSb is continuously increased, stepped or rectangular using two layers of GaAsi _ x Sb x with different composition: the first layer immediately overlapping quantum dots has a thickness of 0.5 to 3 nm and lower antimony content x = 0.03 to 0.09 form a barrier for holes, the second layer GaAsi _ x Sb x has a thickness of 3 to 10 nm and higher concentration of antimony x = 0.14 to 0? 3 and form for holes quantum pit.
Nej vhodnějším způsobem realizace je jáma trojúhelníková.The most suitable way of realization is a triangular pit.
Vícevrstvá polovodičová struktura obsahuje následující vrstvy:The multilayer semiconductor structure contains the following layers:
1. nelegovaná GaAs vrstva1. Unalloyed GaAs layer
2. InAs KT + InAs smáčecí vrstva2. InAs KT + InAs wetting layer
3. GaAsSb vrstva s gradovaným složením3. GaAsSb layer with graded composition
4. Nelegovaná GaAs vrstva4. Unalloyed GaAs layer
Mezi vrstvou 1. a 2. lze vložit InGaAs nebo GaAsSb podkladovou vrstvu, která se používá pro zvýšení hustoty KT. Tuto strukturu lze pak vložit do jiné funkční polovodičové struktury, připravené na GaAs substrátu, např. do intrinzické oblasti GaAs PIN diody nebo do laserové diody na bázi GaAs a IlGaAs světlovody.Between layers 1 and 2, an InGaAs or GaAsSb backing layer can be inserted, which is used to increase the density of KT. This structure can then be embedded in another functional semiconductor structure prepared on a GaAs substrate, e.g., in the intrinsic region of a GaAs PIN diode or in a GaAs-based laser diode and an IlGaAs light guide.
Vícevrstvá polovodičová struktura může být připravena standardně používanou metodou plynné epitaxe z organokovových sloučenin (MOVPE) nebo pomocí epitaxe z molekulárních svazků (MBE), případně jinými epitexními technologiemi umožňujícími přípravu vrstev s tloušťkou několik nanometrů (CBE, MOMBE).The multilayer semiconductor structure can be prepared by the standardly used method of gaseous epitaxy of organometallic compounds (MOVPE) or by molecular beam epitaxy (MBE), or by other epitex technologies enabling the preparation of layers with a thickness of several nanometers (CBE, MOMBE).
Pomocí tohoto vynálezu se podařilo dosáhnout efektivní elektroluminiscence z KT na požadované vlnové délce 1300 nm z heterostruktury připravené metodou plynné epitaxe z organokovových sloučenin (MOVPE). Vícevrstvá polovodičová struktura podle vynálezu umožňuje dostatečné snížení pnutí v KT při zachování heteropřechodu I. typu mezi KT a vrstvou GaAsSb.With the present invention, an effective electroluminescence from KT at the desired wavelength of 1300 nm was obtained from a heterostructure prepared by the gas epitaxy method of organometallic compounds (MOVPE). The multilayer semiconductor structure of the present invention allows for sufficient stress reduction in KT while maintaining a Type I heterogeneity between KT and GaAsSb.
Vynalezená vícevrstvá polovodičová struktura je vhodná pro zabudování do polovodičových laserů emitujících na vlnové délce 1300 nm, která má minimální útlum ve vláknových světlovodech. Lasery se zabudovanou patentovanou strukturou mohou být použity jako zdroj signálu pro vláknové optické vlnovody.The invented multilayer semiconductor structure is suitable for incorporation into semiconductor lasers emitting at a wavelength of 1300 nm, which has a minimum attenuation in the fiber light guides. Lasers with built-in patented structure can be used as a signal source for fiber optic waveguides.
Přehled obrázků na výkresechOverview of the drawings
Obr. 1 Schematické znázornění řezu elektroluminiscenční struktury s kvantovými tečkami (KT) GaAsSb vrstvou redukující pnutí v KT umístěné v GaAs matrici a stručný popis jednotlivých technologických kroků při přípravě této struktury.Giant. 1 Schematic representation of a cross-section of a quantum dot electroluminescence structure (KT) of a GaAsSb stress-reducing layer in a KT placed in a GaAs matrix and a brief description of the individual technological steps in preparing this structure.
Obr. 2 Schematické znázornění průběhu energie hrany vodivostního a valenčního pásu struktur v okolí kvantové tečky ve směru epitaxního růstu:Giant. 2 Schematic representation of the energy course of the edge of the conductive and valence band of structures around the quantum dot in the direction of epitaxial growth:
-3 CZ 303855 B6-3 CZ 303855 B6
a) Běžně používaná struktura s GaAsi_xSbx vrstvou redukující pnutí v kvantových tečkách s konstantní koncentrací Sb x>0, 14: dochází ke vzniku heterostruktury II. typu, kdy jsou elektrony a díry lokalizovány v odlišných částech struktury (elektrony v KT, díry v GaAsSb vrstvě).a) Commonly used structure with GaAsi_ x Sb x stress reducing layer in quantum dots with constant Sb x concentration> 0, 14: heterostructure II. type where electrons and holes are located in different parts of the structure (electrons in KT, holes in GaAsSb layer).
b) Vynalezená struktura s gradovaným složením GaAsSb vrstvy: v GaAsSb vrstvě vzniká bariéra a trojúhelníková kvantová jáma. Pokud základní děrový stav v KT má nižší energii než základní děrový stav v trojúhelníkové GaAsSb kvantové jámě, zůstávají díry spolu s elektrony lokalizovány v kvantové tečce.b) The invented structure with graded composition of the GaAsSb layer: in the GaAsSb layer a barrier and a triangular quantum pit are formed. If the ground hole state in KT has lower energy than the ground hole state in the triangular GaAsSb quantum well, the holes together with the electrons remain in the quantum dot.
Obr. 3 Elektroluminíscenční (EL) spektrum při různých budicích proudech diody A - realizovaná struktura s gradovanou GaAsSb vrstvou redukující pnutí v kvantových tečkách. Koncentrace Sb vGaAsi_xSbx vrstvě se zvyšuje od x=0,03 (těsně u KT) po x=0,15 (odhadnuto zrtg difrakce vzorku A). Maximum elektroluminiscence se nachází na požadované vlnové délce 1300 nm.Giant. 3 Electroluminescence (EL) spectrum at different excitation currents of diode A - realized structure with graded GaAsSb layer reducing stress in quantum dots. Concentration vGaAsi_ Sb x Sb x layer is increased from x = 0.03 (close to KT) for x = 0.15 (estimated zrtg diffraction sample A). The maximum electroluminescence is at the desired wavelength of 1300 nm.
Obr. 4 Elektroluminíscenční (EL) spektrum při různých budicích proudech diody B - realizovaná struktura s gradovanou GaAsSb vrstvou redukující pnutí v kvantových tečkách. Koncentrace Sb vGaAs,_xSbx vrstvě se zvyšuje od x=0,05 (těsně u KT) po x=0,19 (odhadnuto zrtg difrakce vzorku B). Maximum elektroluminiscence se nachází na vlnové délce 1310 nm.Giant. 4 Electroluminescence (EL) spectrum at different excitation currents of diode B - realized structure with graded GaAsSb layer reducing stress in quantum dots. The concentration of Sb in the GaAs, x Sb x layer increases from x = 0.05 (close to KT) to x = 0.19 (estimated from the X-ray diffraction pattern of sample B). The maximum electroluminescence is at 1310 nm.
Obr. 5 Elektroluminiscenční (EL) spektrum při různých budicích proudech diody C - realizovaná struktura s gradovanou GaAsSb vrstvou redukující pnutí v kvantových tečkách. Koncentrace Sb v GaAsi_xSbx vrstvě se zvyšuje od x=0,0 (těsně u KT) po x=0,25 (odhadnuto z rtg difrakce vzorku C). Maximum elektroluminiscence se nachází na vlnové délce 1323 nm.Giant. 5 Electroluminescence (EL) spectrum at different excitation currents of diode C - realized structure with graded GaAsSb layer reducing stress in quantum dots. The concentration of Sb in the GaAsi_ x Sb x layer increases from x = 0.0 (close to KT) to x = 0.25 (estimated from the X-ray diffraction pattern of sample C). The maximum electroluminescence is at 1323 nm.
Obr. 6 Vlnová délka elektroluminiscenční (EL) a fotoluminiscenčního (PL) maxima v závislosti na průměrné koncentraci antimonu v GaAsSb vrstvě. (Sb koncentrace odhadnuta z rtg difrakce).Giant. 6 The wavelength of the electroluminescence (EL) and photoluminescence (PL) peaks as a function of the average concentration of antimony in the GaAsSb layer. (Sb concentration estimated from X-ray diffraction).
Obr. 7 Srovnání fotoluminiscenčních (PL) spekter realizované struktury obsahující 6x vrstvu InAs kvantových teček překrytých gradovanou GaAsSb vrstvou redukující pnutí v kv. tečkách s optimalizovanou technologií oddělovacích vrstev (—) s PL struktury s nízkou teplotou růstu oddělovacích GaAs vrstev (....) a s PL struktury s jedinou vrstvou KT (---). Koncentrace Sb v GaAsi_xSbx vrstvách se zvyšuje od x=0,05 (těsně u KT) po x=0,25 (odhadnuto z rtg difrakce na vrstvě typu C viz. obr. 8).Giant. 7 Comparison of photoluminescence (PL) spectra of realized structure containing 6x layer of InAs quantum dots overlaid with graded GaAsSb layer reducing stress in kv. dots with optimized separating layer technology (-) with PL structures with low growth temperature of separating GaAs layers (....) and PL structures with single layer KT (---). The concentration of Sb in the GaAsi_ x Sb x layers increases from x = 0.05 (close to KT) to x = 0.25 (estimated from X-ray diffraction on the type C layer, see Fig. 8).
Obr. 8 Výsledky analýzy dat rtg difrakce, které obsahovaly pouze gradovanou GaAs,_xSbx vrstvu na GaAs podložce, připravenou identickým způsobem jako v PIN elektroluminiscenčních diodách A, B a C. Analýza dat z rtg difrakce umožnila odhadnout nejvyšší dosažený obsah antimonu ve vrstvě a jeho průměrnou koncentraci. Počáteční (nejnižší) koncentrace byla odhadnuta ze znalosti tloušťky GaAsSb vrstvy a předpokladu lineárního nárůstu koncentrace antimonu.Giant. 8 Results of analysis of X-ray diffraction data containing only graded GaAs, x Sb x layer on GaAs substrate, prepared in the same way as in PIN electroluminescent diodes A, B and C. Analysis of X-ray diffraction data allowed to estimate the highest antimony content in the layer and its average concentration. The initial (lowest) concentration was estimated from the knowledge of the GaAsSb layer thickness and the assumption of a linear increase in antimony concentration.
Příklady provedení vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Příklad 1 - struktura elektroluminiscenční diody AExample 1 - structure of an electroluminescent diode
Vícevrstvá polovodičová struktura byla zabudována do elektroluminiscenčních PIN diody. Struktura byla připravena standardně používanou metodou nízkotlaké plynné epitaxe z organokovových sloučenin (LP MOVPE). Gradovaná GaAsl-xSbx vrstva má složení typu A (viz. obr. 8).The multilayer semiconductor structure was built into the electroluminescent PIN diode. The structure was prepared using the standard method of low pressure gaseous epitaxy of organometallic compounds (LP MOVPE). The graded GaAs1-xSbx layer has a type A composition (see Fig. 8).
Struktura obsahuje následující vrstvy:The structure contains the following layers:
1. n-typová GaAs podložka1. n-type GaAs washer
2. n-typová GaAs epitaxní vrstva s koncentrací 2,5. 1018cm“3, tloušťka 200 nm, teplota přípravy 650 °C2. n-type GaAs epitaxial layer with a concentration of 2.5. 10 18 cm 3 , thickness 200 nm, preparation temperature 650 ° C
3. nelegovaná GaAs vrstva, tloušťka 120 nm, teplota přípravy 650 °C3. unalloyed GaAs layer, thickness 120 nm, preparation temperature 650 ° C
-4CZ 303855 B6-4GB 303855 B6
4. nelegovaná GaAs vrstva, tloušťka 10 nm, teplota přípravy 510 °C4. unalloyed GaAs layer, thickness 10 nm, preparation temperature 510 ° C
5. InAs KT + InAs smáčecí vrstva, tloušťka 2 atomární vrstvy, teplota přípravy 510 °C5. InAs KT + InAs wetting layer, 2 atomic layer thickness, preparation temperature 510 ° C
6. GaAsi_xSbx vrstva s gradovaným složením např. gradace od počátečního složení x=0,03 do konečného složení x=0,15 Sb na tloušťce 5 nm, teplota přípravy 510 °C (trojúhelníková kvantová jáma)6. GaAsi_ x Sb x layer with graded composition eg gradation from initial composition x = 0,03 to final composition x = 0,15 Sb at 5 nm thickness, preparation temperature 510 ° C (triangular quantum well)
7. nelegovaná GaAs vrstva, tloušťka 10 nm, teplota přípravy 510 °C7. unalloyed GaAs layer, thickness 10 nm, preparation temperature 510 ° C
8. nelegovaná GaAs vrstva, tloušťka 120 nm, teplota přípravy 650 °C8. unalloyed GaAs layer, thickness 120 nm, preparation temperature 650 ° C
9. p-typová GaAs epitaxní vrstva s koncentrací 2,5 . 1018 cm3, tloušťka 200 nm, teplota přípravy 650 °C9. p-type GaAs epitaxial layer at 2.5. 10 18 cm 3 , thickness 200 nm, preparation temperature 650 ° C
Po epitaxi byla struktura ztečena na 180 pm odbroušením GaAs podložky a z obou stran byly za studená napařeny kontakty PdGeAu.After epitaxy, the structure was decanted to 180 µm by grinding the GaAs pad and the PdGeAu contacts were cold steamed from both sides.
Elektroluminiscenční spektrum takto připravené diody pro různé excitační proudy je prezentováno na obr. 3.The electroluminescence spectrum of the thus prepared diode for various excitation currents is presented in Fig. 3.
Příklad 2 - struktura elektroluminiscenční diody B a CExample 2 - structure of electroluminescent diodes B and C
Vícevrstvá polovodičová struktura byla připravena podle příkladu 1 s tím, že ve vrstvě 6 je obsah Sb gradován od počátečního složení x=0,05 do konečného složení x=0,19 na tloušťce 5 nm (vrstva typu B, viz. obr. 8), případně od počátečního složení x=0,05 do konečného složení x=0,25 na tloušťce 5 nm (vrstva typu C, viz. obr. 8). Elektroluminiscenční spektra takto připravených diod pro různé excitační proudy jsou prezentovány na obr. 4 a 5. Vlnové délky maxim elektroluminiscence i fotoluminiscence jsou znázorněny na obr. 6. Zvýšením koncentrace antimonu do vrstvy redukující pnutí v KT bylo dosaženo dalšího prodloužení emitované vlnové délky (viz. obr. 6).The multilayer semiconductor structure was prepared according to Example 1, with the content of Sb graded in layer 6 from the initial composition x = 0.05 to the final composition x = 0.19 at a thickness of 5 nm (type B layer, see Fig. 8) or from the initial composition x = 0.05 to the final composition x = 0.25 at a thickness of 5 nm (type C layer, see Fig. 8). The electroluminescence spectra of the thus prepared diodes for the different excitation currents are presented in Figures 4 and 5. The wavelengths of both the electroluminescence and photoluminescence peaks are shown in Figure 6. Fig. 6).
Příklad 3 - násobná struktura pro využití v aktivní oblasti polovodičového laseruExample 3 - Multiple structure for use in the active region of a semiconductor laser
Struktura obsahující 6x strukturu kvantových teček překrytých GaAsSb gradovanou vrstvou typu C (viz. obr. 8):Structure containing 6x structure of quantum dots covered by GaAsSb graded layer C (see Fig. 8):
1. semiizolační GaAs podložka1. Semi-insulating GaAs pad
2. nelegovaná GaAs vrstva, tloušťka 120 nm, teplota přípravy 650 °C2. unalloyed GaAs layer, thickness 120 nm, preparation temperature 650 ° C
3. nelegovaná GaAs vrstva, tloušťka 10 nm, teplota přípravy 510 °C3. unalloyed GaAs layer, thickness 10 nm, preparation temperature 510 ° C
4. InAs KT + InAs smáčecí vrstva, tloušťka 2 atomární vrstvy, teplota přípravy 510 °C4. InAs KT + InAs wetting layer, 2 atomic layer thickness, preparation temperature 510 ° C
5. GaAsi_xSbx vrstva s gradovaným složením např. gradace od počátečního složení x=0,03 do konečného složení x=0,15 Sb na tloušťce 5 nm, teplota přípravy 510 °C (trojúhelníková kvantová jáma)5. GaAsi_ x Sb x layer with graded composition eg gradation from initial composition x = 0,03 to final composition x = 0,15 Sb at 5 nm thickness, preparation temperature 510 ° C (triangular quantum well)
6. nelegovaná GaAs vrstva, tloušťka 10 nm, teplota přípravy 510 °C6. Unalloyed GaAs layer, thickness 10 nm, preparation temperature 510 ° C
7. přerušení růstu na 7 minut, zvýšení teploty na 600 °C7. Interrupt growth for 7 minutes, increase temperature to 600 ° C
8. nelegovaná GaAs vrstva, tloušťka 8 nm, teplota přípravy 600 °C, doba růstu 2 minuty8. Unalloyed GaAs layer, thickness 8 nm, preparation temperature 600 ° C, growth time 2 minutes
9. nelegovaná GaAs vrstva, tloušťka 17 nm, teplota přípravy 510 °C9. Unalloyed GaAs layer, thickness 17 nm, preparation temperature 510 ° C
Technologické kroky 2. až 9. se 6x opakují.Technological steps 2 to 9 are repeated 6 times.
Na obr. 6 lze vidět zvýšení intenzity fotoluminiscence ve srovnání se strukturou obsahující jedinou vrstvu kvantových teček. Fotoluminiscenční spektrum znázorněné tečkované bylo získáno z totožné struktury, avšak celá GaAs oddělovací vrstva byla připravena za teploty 510 °C (chyběl 8. technologický krok). Intenzita FL byla u tohoto vzorku 1 OOOx nižší a maximum FL bylo posunuto k delším vlnovým délkám. Na spektru je možno rozlišit FL z jednotlivých rovin KT, které seFigure 6 shows an increase in photoluminescence intensity compared to a structure containing a single layer of quantum dots. The photoluminescence spectrum depicted by the dotted pattern was obtained from the same structure, but the entire GaAs spacer layer was prepared at 510 ° C (8th process step was missing). The FL intensity of this sample was 1000x lower and the maximum FL was shifted to longer wavelengths. On the spectrum it is possible to distinguish FL from the individual planes KT, which are
-5CZ 303855 B6 liší svou vlnovou délkou. Všechny tyto jevy jsou způsobeny přenosem atomů In a Sb (surfaktantů) do následujících rovin a dokládá to důležitost růstu části GaAs oddělovací vrstvy za zvýšené teploty 600 °C.-5GB 303855 B6 differs in wavelength. All these phenomena are due to the transfer of In and Sb atoms (surfactants) to the following planes, and this illustrates the importance of growing part of the GaAs of the spacer layer at an elevated temperature of 600 ° C.
Průmyslová využitelnostIndustrial applicability
Vynalezená vícevrstvá polovodičová struktura obsahuje GaAsi_xSbx vrstvu, překrývající In(Ga)As/GaAs kvantové tečky. Tato vrstva má buď gradovanou koncentraci antimonu, neboje nárůst koncentrace antimonu řešen skokově pomocí více vrstev. Struktura je vhodná pro zabudování do polovodičových laserů emitujících na vlnové délce 1300 nm, pro kterou je minimální útlum ve vláknových světlovodech. Lasery se zabudovanou patentovanou strukturou mohou být použity jako zdroj signálu pro vláknové optické vlnovody. Další možnost využití těchto struktur je v optických paměťových prvcích (zásobníkové - „bufferové“ nebo RAM paměti).The inventive multilayer semiconductor structure comprises GaAsi_ x Sb x layer overlying In (Ga) As / GaAs quantum dots. This layer either has a graded concentration of antimony, or the increase in antimony concentration is solved in a stepwise manner by means of multiple layers. The structure is suitable for incorporation into semiconductor lasers emitting at a wavelength of 1300 nm, for which there is minimal attenuation in fiber optics. Lasers with built-in patented structure can be used as a signal source for fiber optic waveguides. Another possibility of using these structures is in optical memory elements (stack - buffer or RAM memory).
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ20110570A CZ2011570A3 (en) | 2011-09-14 | 2011-09-14 | GaAsSb layer with graded composition reducing stress in InAs/GaAs quantum dots |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ20110570A CZ2011570A3 (en) | 2011-09-14 | 2011-09-14 | GaAsSb layer with graded composition reducing stress in InAs/GaAs quantum dots |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ303855B6 true CZ303855B6 (en) | 2013-05-29 |
| CZ2011570A3 CZ2011570A3 (en) | 2013-05-29 |
Family
ID=48485819
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ20110570A CZ2011570A3 (en) | 2011-09-14 | 2011-09-14 | GaAsSb layer with graded composition reducing stress in InAs/GaAs quantum dots |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ2011570A3 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CZ307941B6 (en) * | 2018-06-14 | 2019-09-04 | Fyzikální Ústav Av Čr, V. V. I. | Multilayer semiconductor structure for photoelectric devices |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20010023942A1 (en) * | 2000-03-23 | 2001-09-27 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Semiconductor device of heterojunction structure having quantum dot buffer layer |
| WO2004095534A2 (en) * | 2003-04-17 | 2004-11-04 | Bae Systems Information And Electronic Systems Integration Inc. | Gaas substrate with sb buffering for high in devices |
| US20080258132A1 (en) * | 2006-06-22 | 2008-10-23 | National Central University | Quantum dot optoelectronic device having an sb-containing overgrown layer |
| JP2011082348A (en) * | 2009-10-07 | 2011-04-21 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Semiconductor element and semiconductor wafer |
-
2011
- 2011-09-14 CZ CZ20110570A patent/CZ2011570A3/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20010023942A1 (en) * | 2000-03-23 | 2001-09-27 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Semiconductor device of heterojunction structure having quantum dot buffer layer |
| WO2004095534A2 (en) * | 2003-04-17 | 2004-11-04 | Bae Systems Information And Electronic Systems Integration Inc. | Gaas substrate with sb buffering for high in devices |
| US20080258132A1 (en) * | 2006-06-22 | 2008-10-23 | National Central University | Quantum dot optoelectronic device having an sb-containing overgrown layer |
| JP2011082348A (en) * | 2009-10-07 | 2011-04-21 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Semiconductor element and semiconductor wafer |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| A. Hospodkova, et al.: Influence of strain reducing layers on electroluminescence and photoluminescence of InAs/GaAs QD structures, Journal of Crystal Growth 315 (2011), p. 110-113, 22.09.2010 * |
| A. Hospodkova, et al.: InGaAs and GaAsSb strain reducing layers covering InAs/GaAs quantum dots, Journal of Crystal Growth 312 (2010), p. 1383-1387, 03.11.2009 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CZ307941B6 (en) * | 2018-06-14 | 2019-09-04 | Fyzikální Ústav Av Čr, V. V. I. | Multilayer semiconductor structure for photoelectric devices |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ2011570A3 (en) | 2013-05-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Chichibu et al. | Luminescences from localized states in InGaN epilayers | |
| US6345063B1 (en) | Algainn elog led and laser diode structures for pure blue or green emission | |
| Suárez et al. | Laser devices with stacked layers of InGaAs/GaAs quantum rings | |
| US9281441B2 (en) | Semiconductor layer including compositional inhomogeneities | |
| Bavencove et al. | GaN‐based nanowires: From nanometric‐scale characterization to light emitting diodes | |
| US20090269868A1 (en) | Methods of Manufacture for Quantum Dot optoelectronic devices with nanoscale epitaxial lateral overgrowth | |
| Ra et al. | Core–shell tunnel junction nanowire white-light-emitting diode | |
| US6773949B2 (en) | Semiconductor devices and methods | |
| JPH11266004A (en) | Quantum semiconductor device and quantum semiconductor light emitting device | |
| Tamargo et al. | Full-color light-emitting diodes from ZnCdMgSe/ZnCdSe quantum well structures grown on InP substrates | |
| US10263144B2 (en) | System and method for light-emitting devices on lattice-matched metal substrates | |
| Lee et al. | White emission from non-planar InGaN/GaN MQW LEDs grown on GaN template with truncated hexagonal pyramids | |
| Krishna et al. | Structural and luminescence characteristics of cycled submonolayer InAs/GaAs quantum dots with room-temperature emission at 1.3 μm | |
| Brault et al. | Ultraviolet light emitting diodes using III-N quantum dots | |
| Kim et al. | Laser diodes employing GaAs1− xBix/GaAs1− yPy quantum well active regions | |
| Brault et al. | Investigation of AlyGa1− yN/Al0. 5Ga0. 5N quantum dot properties for the design of ultraviolet emitters | |
| Chen et al. | Optical and structural properties of InGaN/GaN multiple quantum well structure grown by metalorganic chemical vapor deposition | |
| Ryu et al. | Low threshold current density GaAsSb quantum well (QW) lasers grown by metal organic chemical vapour deposition on GaAs substrates | |
| Brault et al. | UVA and UVB light emitting diodes with AlyGa1− yN quantum dot active regions covering the 305–335 nm range | |
| Luo et al. | InAs/InGaAsP/InP quantum dot lasers grown by metalorganic chemical vapor deposition | |
| CZ303855B6 (en) | GaAsSb layer with graded composition reducing stress in InAs/GaAs quantum dots | |
| JPH04112584A (en) | Semiconductor device | |
| US7023024B2 (en) | Diamond based blue/UV emission source | |
| JP2003519930A (en) | Group III nitride semiconductor structure with suppressed phase separation | |
| Garbuzov et al. | Photoluminescence study of excess carrier spillover in 1.3 μm wavelength strained multi‐quantum‐well InGaAsP/InP laser structures |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Patent lapsed due to non-payment of fee |
Effective date: 20180914 |