[发明专利]一种量子阱结构及其生长方法

说明书

本申请属于半导体材料技术领域，特别是涉及一种量子阱结构及其生长方法。为了获得高质量的InGaAs量子阱，一般采用GaAsP应变补偿垒层的方法，但会带来超出预期的发光峰。并且就算保持了总应变为零，仍会造成InGaAs/GaAsP界面粗糙化，引发局部微观缺陷，这同样会弱化量子阱的性能。如果直接采用GaAs做势垒层，生长温度的选择成了挑战。本申请提供了一种量子阱结构，包括依次层叠的衬底、缓冲层、下势垒层、势阱层和上势垒层；所述上势垒层包括低温势垒层和高温势垒层，所述势阱层、所述低温势垒层与所述高温势垒层依次层叠。优化低温、高温势垒层的厚度分配和生长温度，提高量子阱材料的生长质量。

技术领域

本申请属于半导体材料技术领域，特别是涉及一种量子阱结构及其生长方法。

背景技术

量子阱(quantum well)是指与电子的德布罗意波长可比的微观尺度上的势阱。量子阱的基本特征是由于量子阱宽度(与电子的德布罗意波长可比的尺度)的限制，导致载流子波函数在一维方向上的局域化，量子阱中因为有源层的厚度仅在电子平均自由程内，阱壁具有很强的限制作用，使得载流子只在与阱壁平行的平面内具有二维自由度，在垂直方向，使得导带和价带分裂成子带。量子阱中的电子态、声子态和其他元激发过程以及它们之间的相互作用，与三维体状材料中的情况有很大差别。在具有二维自由度的量子阱中，电子和空穴的态密度与能量的关系为台阶形状，而不是象三维体材料那样的抛物线形状。

通过MOCVD以及MBE等沉积手段获得的以InGaAs为势阱的量子阱结构，作为一种二维材料结构，由于其量子约束效应，被广泛应用于半导体激光器，光电探测器，太阳能电池等领域。然而，InGaAs的晶格常数与In的含量成正比例关系，晶格失配带来的失配应变一旦积累到引发塑性形变的程度，就会引发失配位错等缺陷。

为了获得高质量的InGaAs量子阱，有人采用GaAsP应变补偿垒层的方法，但是在InGaAs与GaAsP的界面处极易形成InGaAsP四元化合物，带来超出预期的发光峰。并且InGaAs/GaAsP材料体系的晶格失配远远大于InGaAs/GaAs，就算保持了总应变为零，仍会造成界面粗糙化，引发局部微观缺陷，同样会弱化InGaAs量子阱的性能。如果直接采用GaAs做势垒层，生长温度的选择成了挑战。高温条件并不适于InGaAs材料的沉积，造成In原子的解吸附与蒸发，大大降低了In的并入率，一方面In组分损失会造成波长相较于预期发生蓝移，另一方面，表面出现大量In空位等缺陷，不平整的界面将影响后续薄膜的沉积。然而，较高的生长温度十分有利于获得高质量的GaAs材料，可以减少杂质的掺入并提高原子有序性，因此为了保护In原子，大多选取一折中温度，从而忽视GaAs层低温生长引发杂质掺入等问题。

发明内容

1.要解决的技术问题

基于为了获得高质量的InGaAs量子阱，有人采用GaAsP应变补偿垒层的方法，但是在InGaAs与GaAsP的界面处极易形成InGaAsP四元化合物，带来超出预期的发光峰。并且InGaAs/GaAsP材料体系的晶格失配远远大于InGaAs/GaAs，就算保持了总应变为零，仍会造成界面粗糙化，引发局部微观缺陷，同样会弱化InGaAs量子阱的性能。如果直接采用GaAs做势垒层，生长温度的选择成了挑战。高温条件并不适于InGaAs材料的沉积，造成In原子的解吸附与蒸发，大大降低了In的并入率，一方面In组分损失会造成波长相较于预期发生蓝移，另一方面，表面出现大量In空位等微观缺陷，不平整的界面将影响后续薄膜的沉积。然而，较高的生长温度十分有利于获得高质量的GaAs材料，可以减少杂质的掺入并提高原子有序性，因此为了保护In原子，大多选取一折中温度，进而忽视GaAs层低温生长引发杂质掺入等问题，本申请提供了一种量子阱结构及其生长方法。

2.技术方案

为了达到上述的目的，本申请提供了一种量子阱结构，包括依次层叠的衬底、缓冲层、下势垒层、势阱层和上势垒层；

所述上势垒层包括低温势垒层和高温势垒层，所述势阱层、所述低温势垒层与所述高温势垒层依次层叠。