[发明专利]高性能高质量InGaAs/InGaAsP多量子阱的外延结构及其生长方法和应用

说明书

高性能高质量InGaAs/InGaAsP多量子阱的外延结构及其生长方法和应用，属于半导体材料技术领域。本发明提供了InGaAs/InGaAsP多量子阱的外延结构以GaAs/InGaAs/InGaAsP/InGaP为材料体系，采用生长中断技术，通过外延生长装置层叠生长得到的，生长中断过程中关闭V族源的As和P源，通入氢气带走反应室中残存的V族气体，生长中断时间为5～40s。该外延结构包括依次层叠的衬底、缓冲层、下势垒层、下插入层、势阱层、上插入层和上势垒层。本发明在不破坏结构，抑制InGaAsP势垒层中P原子向InGaAs势阱层扩散，减少界面粗糙度增加，获得高质量和光学性质的多量子阱外延结构。

技术领域

本发明属于半导体材料技术领域，具体涉及高性能高质量InGaAs/InGaAsP多量子阱的外延结构及其生长方法和应用。

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，传统的InGaAs/AlGaAs量子阱材料体系中的AlGaAs材料极易氧化，导致端面阈值损伤增加，降低器件的可靠性。

为了获得可靠性较好的半导体激光器，采用GaAs/InGaAs/InGaAsP/InGaP材料体系的方法，代替传统InGaAs/GaAs/AlGaAs材料体系。与传统的AlGaAs基材料体系相比，使用无铝体系的半导体激光器的优点是：(1)这种材料体系的表面复合速率较低，导致半导体激光器的端面温度较低，能实现高输出功率下的可靠工作；(2)InGaP限制层的较高导电性和导热性，使得半导体器件可在高功率下获得更好的转换效率；(3)由于再生界面上没有含铝化合物，所以有利于进行多次外延生长和构成掩埋结构半导体激光器的发展。

在生长高质量的砷化物/磷化物异质结构时，有两个主要问题需要解决：一种是所谓的记忆效应，即残余的V族源将并入后续层结构，在异质界面处形成成分梯度过渡层，即在生长InGaAsP势垒层时，其中残留的P也将并入InGaAs阱层中；另一个遇到的问题就是切换V族源时As和P的替换问题，即新的V族源将取代下层的旧的V族源，导致应变界面层的产生。因为As/P互换导致界面粗糙度变化，进而使得量子受限能级随机化，光发射的线宽增加，并极大地影响异质结构器件的性能。因此本发明针对InGaAs/InGaAsP异质结构外延生长技术的需求，提供了一种多量子阱的外延结构及其生长方法。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于设计提供高性能高质量InGaAs/InGaAsP多量子阱的外延结构及其制备方法和应用。本发明基于获得可靠性较好的半导体激光器，采用GaAs/InGaAs/InGaAsP/InGaP材料体系，通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长InGaAs/InGaAsP多量子阱的方法，获得具有突变异质界面的量子阱结构。为了达到上述的目的，本发明采用以下技术方案：

高性能高质量InGaAs/InGaAsP多量子阱的外延结构，其特征在于所述InGaAs/InGaAsP多量子阱的外延结构以GaAs/InGaAs/InGaAsP/InGaP为材料体系，采用生长中断技术，通过外延生长装置层叠生长得到的，所述生长中断过程中关闭V族源的As和P源，通入氢气带走反应室中残存的V族气体，生长中断时间为5～40s。