[发明专利]一种提高热稳定性的稀铋半导体量子阱结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体光电材料及其制备领域，特别涉及一种提高热稳定性的稀铋半导体量子阱结构及其制备方法。

背景技术

近年来，稀铋半导体材料因具有很多独特而重要的特性而引起了国际上越来越多的关注。人们发现GaAsBi材料的带隙对温度依赖度远小于GaAs或InGaAsP材料，对于铋组分0.019-0.05范围内的GaAsBi材料，带隙温度系数约为0.1-0.4meV/K，低于GaAs的0.56meV/K。由于铋元素有很大的原子质量，预计铋化物具有很大的自旋-轨道分裂能，可以抑制俄歇复合，提高激光器的特征温度。同时，人们还发现当在III-V族材料中加入铋后会产生类似于稀氮材料的带隙收缩。因此，稀铋材料可以扩展传统III-V族半导体材料与器件的波长，减弱或消除俄歇复合，提高半导体光电器件的工作温度和特征温度。铋元素主要对价带产生作用，对导带作用很小，空穴迁移率只是随着铋浓度的升高而略微降低。而且铋元素在普通生长温度下III-V族材料的生长中起表面活化剂的作用，有利于形成平整的界面，增强材料的光学特性。

然而，稀铋半导体材料存在的一个问题是由于铋原子半径比较大，铋原子与其他原子组成化学键的键能比较小，造成稀铋半导体材料在高温下的热稳定性较差。对于稀铋半导体量子阱而言，量子阱的辐射与非辐射复合主要发生在势阱中，所以为发挥稀铋材料的优点，在势阱中加入铋元素，减弱俄歇复合，提高量子阱的发光质量；而常规稀铋量子阱结构的势垒中是不含铋元素的。但是，在高温退火作用下，稀铋半导体量子阱层中的铋原子会向量子阱的势垒层扩散，造成量子阱层中铋元素含量的减少，这是稀铋半导体量子阱实用化所面临的重要挑战之一。

稀铋半导体材料是近几年才兴起的全新研究方向，稀铋半导体量子阱的热稳定性更是最近才被发现和认识，目前尚没有改善稀铋半导体量子阱热稳定性的结构和方法可借鉴。迫切需要进行创新，提高稀铋半导体量子阱热稳定性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种提高热稳定性的稀铋半导体量子阱结构及其制备方法，该稀铋半导体量子阱结构的热稳定性高，制备方法简单，易控制。

本发明的一种提高热稳定性的稀铋半导体量子阱结构，所述的量子阱结构的势垒层中含有铋元素，其中铋元素的含量x为0.005≤x≤0.1。

本发明的一种提高热稳定性的稀铋半导体量子阱结构的制备方法，包括生长势垒层和势阱层，所述势垒层的生长过程中加入铋元素。

所述的提高热稳定性的稀铋半导体量子阱结构以改进的GaAs衬底上GaAsBi量子阱结构为例，势垒层由传统的AlGaAs改为AlGaAsBi，其制备方法包括：

（1）在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层；

（2）生长AlGaAsBi势垒层；

（3）生长GaAsBi势阱层；

（4）继续重复生长N-1个周期的AlGaAsBi势垒层和GaAsBi势阱层，其中1≤N≤5；

（5）最后再生长AlGaAsBi势垒层，即可。

所述的AlGaAsBi为AlGaAsBix，其中0.005≤x≤0.1。

本发明通过在常规稀铋量子阱的势垒层中加入铋元素，使势垒层也含有铋元素，可以减小量子阱势阱层中铋原子的热扩散，起到提高稀铋半导体量子阱层热稳定性的作用；由于量子阱结构的复合发生在势阱中，势垒中加入铋对量子阱的其他特性影响很小。

本发明中量子阱结构可以用常规的分子束外延、原子层沉积等方法进行生长，操作工艺简单，易控制。

有益效果：

（1）本发明的稀铋半导体量子阱结构通过在常规稀铋量子阱的常规势垒层中加入铋元素，使势垒层也含有铋元素，可以起到提高量子阱热稳定性的效果；

（2）本发明的制备方法可以用常规的分子束外延、原子层沉积等方法进行生长，操作工艺简单，易控制。

附图说明

图1是改进稀铋半导体量子阱结构以提高其热稳定性的示意图；

图2是实施例1中一种改进GaAsBi/AlGaAs量子阱热稳定性的双量子阱结构示意图；

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1