[发明专利]一种稀铋半导体量子阱

说明书

本发明提供了一种稀铋半导体量子阱，从下到上依次包括：下势垒层、含有铋元素的量子阱层和上势垒层；在稀铋量子阱层中间设有n型δ掺杂层，量子阱层的材料为GaXBi，下势垒层与上势垒层材料相同，为AlGaX或GaX，δ掺杂层的材料为S，Si，Se或Te，X为N，P，As，Sb。本发明引入δ掺杂层，有效扩展发光波长，与传统的通过增加Bi的含量扩展发光波长的GaAsBi量子阱相比，δ掺杂层的引入并没有增加材料的缺陷密度，而是使得量子阱对电子的束缚作用增强，不会降低发光强度，这对于扩展稀铋光电器件应用范围和提高器件性能都有重要的作用。

技术领域

本发明属于半导体光电材料制备领域，特别涉及一种扩展稀铋半导体量子阱发光波长的方法。

背景技术

稀铋化合物半导体材料因具有较大的禁带收缩效应和自旋-轨道分裂能等新奇特性，近年来受到国际上的广泛关注。当少量的铋原子凝入到传统的III-V族化合物半导体中时，Bi原子作为杂质引入的能级靠近价带顶(VBM)，Bi原子的6p能级与III-V族化合物的价带共振而使VBM升高，导致禁带宽度E_g变窄，自旋轨道分裂能Δ_SO增加；此外当E_g<Δ_SO时，可以抑制俄歇复合以及价带间的吸收，使能带对温度变化不敏感，从而提高器件的温度稳定性，扩展发光波长。

这些特性有希望提高激光器的特征温度和半导体器件的工作温度，用于研制近红外和中红外波段的低功耗非制冷激光器、发光二极管、探测器等器件。目前，已经成功合成了很多种稀铋化合物材料，如GaAsBi、InSbBi、InPBi、GaSbBi、InAsBi、InGaAsBi等，采用GaAsBi材料已研制出激光器和发光二极管，实现了发光波长的扩展。但是，由于所研制的光电器件的发光波长范围太窄，在稀铋材料这些优越特性的基础上，还需要进一步扩展这些材料的波长范围，以扩展稀铋材料的发光波长。

传统的稀铋半导体量子阱依次包括衬底、下势垒层、含有铋元素的量子阱层、上势垒层和盖层。目前，往往通过增加Bi组分的方法来扩展这些材料的波长范围。例如，随着Bi组分的增高，Bi组分为10.9％的GaAsBi量子阱的发光波长为1.3μm,Bi组分为10.1％的GaSbBi量子阱的发光波长为2.43μm。

但是，要想继续扩展GaAsBi量子阱的发光波长到1.55μm的通信波段，GaSbBi量子阱的发光波长到更长的中红外波段，单纯通过增加Bi组分的方法还存在很多挑战。首先，要实现更高的Bi组分，需要在更严苛的生长条件，更低的生长温度、生长速率和V/III比，例如，生长温度在300～400℃范围内，生长速率在0.3～0.5μm/h，V/III比接近接近临界V/III比。其次，Bi组分的增高也会导致量子阱中缺陷密度的增加，材料的缺陷密度会影响发光强度，缺陷密度越高，非辐射符合几率越高，发光越弱，从而降低发光效率。例如，Bi组分为10.9％的GaAsBi量子阱，虽然实现了1.3μm波长的发光，但发光强度很弱。

发明内容

本发明的目的是提供一种稀铋半导体量子阱结构，以在不会降低发光强度的情况下扩展稀铋半导体材料的跃迁波长。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种稀铋半导体量子阱，从下到上依次包括：下势垒层、含有铋元素的量子阱层和上势垒层；其特征在于，在量子阱层中设有至少一层n型δ掺杂层，该δ掺杂层的材料为S，Si，Se或Te。

所述δ掺杂层的掺杂面密度为10¹²cm^-2量级。

所述下势垒层与量子阱层之间、上势垒层与量子阱层之间分别设有低温下势垒层和低温上势垒层。

所述下势垒层和上势垒层的厚度为50nm～400nm，低温下势垒层和低温上势垒层的厚度为30～100nm，量子阱层的厚度为2～15nm。