[发明专利]一种InGaAs/AlGaAs阱垒外延层结构的优化方法及其应用

说明书

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阱垒界面处均插入一层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。

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之间插入一层薄的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℃。