專利名稱：GaAs基含B高應變量子阱及其制備方法、半導體激光器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體光電子材料與器件領域，尤其涉及一種GaAs基含B (硼)高應變量子阱及其制備方法，以及基于此含B高應變量子阱的邊發(fā)射半導體激光器。
背景技術：
GaAs (砷化嫁)基 InGaAs/GaAs 和 GaAsSb/GaAs 高應變量子講(Quantum Well,QW)結構(其中InGaAs和GaAsSb為阱層，GaAs為壘層)因其可在GaAs襯底上實現長波長發(fā)光而一直受到人們關注，并被廣泛應用于半導體激光器、光探測器及超輻射管的研制。對于InGaAs/GaAs高應變量子阱，由于受InGaAs阱中In(銦)組分的限制，在GaAs襯底上生長的InGaAs/GaAs高應變QW的最長室溫光致發(fā)光譜(RT-PL譜)峰值波長僅 1.257 u m[Appl.Phys.Lett.，84，5100 (2004)]，還無法實現 1.3 y m 或更長波段發(fā)光。目前，拓展InGaAs/GaAs高應變QW的發(fā)光波長主要通過在阱區(qū)中摻入V族氮(Nitrogen，N)元素來實現，利用N并入造成的能帶彎曲效應來進一步減小帶隙，進而將發(fā)光波長拓展到
1.3i!m甚至1.55i!m波段。但是N并入會帶來很多不利的影響(如N在外延層中分布不均勻、導致相分凝、引入缺陷使得材料質量劣化等)，最終影響含N半導體光電子器件的壽命和可靠性。另外一種可在GaAs襯底上實現長波長發(fā)光的材料系是GaAsSb/GaAs高應變QW。目前，盡管GaAsSb/GaAs高應變QW已實現了 1.295 y m波長連續(xù)激射[Electron.Lett.,37,566 (2001)]，但進一步向長波長拓展就需要加大Sb (銻)組分，這使得阱和壘之間應變更大，材料制備更加困難。

發(fā)明內容

(一 )要解決的技術問題本發(fā)明要解決的技術問題是:1)如何解決由于InGaAs及GaAsSb阱層與GaAs壘層之間晶格失配(或稱為應變)度大而導致InGaAs及GaAsSb阱層中In、Sb組分不能繼續(xù)提高，從而使得InGaAs/GaAs及GaAsSb/GaAs量子阱發(fā)光波長無法拓展的問題。2)如何解決由于InGaAs/GaAs及GaAsSb/GaAs高應變量子阱中阱層材料表面能過高，導致InGaAs/GaAs及GaAsSb/GaAs量子阱發(fā)光波長無法拓展的問題。3)如何有效提高InGaAs/GaAs及GaAsSb/GaAs高應變量子阱光學質量。( 二 )技術方案為解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種GaAs基含B高應變量子阱的制備方法，包括以下步驟:S1、在GaAs襯底上生長GaAs緩沖層；S2、在所述GaAs緩沖層的頂部生長高應變阱層，生長過程中通入B源以形成含B高應變阱層；S3、在所述含B高應變阱層上生長GaAs壘層或應變補償壘層，以形成GaAs基含B高應變量子阱。優(yōu)選地，在S3步驟之后還包括:S4、重復步驟S2、S3若干次，形成多量子阱。在步驟S4之后還包括:S5、用一定厚度的GaAs蓋帽層覆蓋所述含B量子阱，以形成更優(yōu)的含B量子阱。所述應變補償層材料為GaAsP> InGaP、BGaAs、GaAs-GaAsP、GaAs-1nGaP、GaAs-BGaAs、GaAsP-GaAs、InGaP-GaAs、BGaAs-GaAs 中的一種或幾種的組合。優(yōu)選地，BInGaAs或BGaAsSb阱層的材料中，In或Sb的組分大于或等于30%。本發(fā)明還提供了一種采用所述的方法所制備的GaAs基含B高應變量子阱。本發(fā)明還提供了一種邊發(fā)射半導體激光器，所述激光器以所述的GaAs基含B高應變量子阱作為有源區(qū)。(三)有益效果本發(fā)明的GaAs基含B高應變量子阱(BlnGaAs/GaAs和BGaAsSb/GaAs高應變QW)的制備方法中，通過將B并入到InGaAs或GaAsSb中以彌補In、Sb并入GaAs所導致的晶格常數變大的缺陷，從而實現對晶格失配度的調控；通過將B并入到InGaAs或GaAsSb中降低高應變InGaAs或GaAsSb的表面能，從而進一步拓展了 InGaAs/GaAs和GaAsSb/GaAs高應變QW的發(fā)光波長；通過應變補償提高了含硼量子阱的光學質量。


圖1為在GaAs襯底上生長BlnGaAs/GaAs MQff的外延結構示意
圖2為以BlnGaAs/GaAs量子阱作為有源區(qū)的邊發(fā)射激光器外延結構示意圖；圖3為在GaAs襯底上生長BGaAsSb/GaAs MQff的外延結構示意圖；圖4為以BGaAsSb/GaAs量子阱作為有源區(qū)的邊發(fā)射激光器外延結構示意圖；圖5為5周期BlnGaAs/GaAs量子阱的X射線衍射(XRD) -2 0掃描圖樣；圖6為5周期BlnGaAs/GaAs量子阱的室溫PL譜圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的具體思路如下:111族元素B具有小共價半徑(B、Ga、In原子共價半徑分別為0.82 A、1.26 A、1.44A,么8、513原子共價半徑分別為1.20人、1.40人)，因此8并
入到InGaAs或GaAsSb中可以補償In、Sb并入GaAs導致的晶格常數變大，從而實現對晶格失配度的調控。此外過高的表面能會導致二維(2D)生長轉變三維(3D)生長，從而影響量子阱界面質量，甚至導致3D成島形成量子點，因此B并入有可能降低高應變InGaAs或GaAsSb的表面能，從而抑制2D生長到3D生長的轉化。從這兩方面考慮，B的并入就使得提升已受晶格失配度和2D-3D生長模式轉變限制的InGaAs/GaAs應變QW中的In組分以及GaAsSb/GaAs應變QW中的Sb組分成為可能，從而進一步拓展InGaAs/GaAs和GaAsSb/GaAs高應變QW的發(fā)光波長。實施例1本發(fā)明實施例在GaAs襯底(GaAs substrate)上生長5周期BlnGaAs/GaAs高應變多量子阱結構的方法，可以增大GaAs基InGaAs/GaAs高應變多量子阱的發(fā)光波長，如圖1所示，包括步驟:a、在GaAs襯底上生長一層GaAs緩沖層(GaAs buffer layer),以確保襯底表面平滑且無明顯缺陷；b、在GaAs緩沖層的頂部上生長高應變ByInxGa1TyAs阱層。B并入會抵消In、Sb并入造成的晶格常數過大的問題。在B并入的同時，增大In或Sb源的摩爾流量，從而使得阱層中In或Sb組分進一步提升；高應變ByInxGa1^As講層中In的組分大于或等于30%,且可通過增大B組分進一步提高。C、在高應變ByInxGamAs阱層上生長GaAs壘層或應變補償壘層(如GaAsP、InGaP、BGaAs、GaAs-GaAsP、GaAs-1nGaP、GaAs-BGaAs、GaAsP-GaAs、InGaP-GaAs、BGaAs-GaAs等)，形成GaAs基含B高應變量子阱；d、重復步驟b、c五次以形成5周期高應變BlnGaAs/GaAs多量子阱結構(MQW結構)，具體周期數可根據需要變化；e、用一定厚度的GaAs蓋帽層(GaAs cap)覆蓋MQW結構，形成更優(yōu)的含B量子阱。蓋帽層的厚度根據需要而定，其主要作用是保護MQW結構，避免其與空氣直接接觸而發(fā)生氧化。本實施例是在GaAs襯底上生長BlnGaAs/GaAs MQW。如圖5和圖6所示，X射線衍射(XRD)測得的峰間距為-5780arcsec，室溫光致發(fā)光譜(RT-PI^f)峰值波長為1164nm。當無B并入時，XRD測得的峰間距為-5780arcsec的InGaAs/GaAs MQff的室溫PL譜峰值波長僅為llOOnm。若在此BlnGaAs/GaAs MQW基礎上增大In源的流量(增大為30%的組分含量)，則可使In的并入比進一步提高，從而得到更長的發(fā)光波長。圖5表明在GaAs襯底上生長的是高應變多量子阱結構，衛(wèi)`星峰明顯，晶體質量高；圖6表明該應變量子阱的室溫光熒光譜的強度高、譜線窄，光學質量高。InAs材料與GaAs材料的晶格失配度為7.1%，GaSb材料與GaAs材料的晶格失配度為7.8%，InxGahAsjaAshSbx(也省略地記為InGaAs或GaAsSb)三元合金與GaAs材料的晶格失配度可以通過維加德定律(Vegard’ s law)求出。并入B后，講層材料由InGaAs或 GaAsSb 變?yōu)?ByInxGanyAs 或 ByGa^yAShSbx (也省略地記為 BInGaAs 或 BGaAsSb)四元合金(其中，0<x< l、0<y< I)。在相同的In或Sb組分下，四元合金的晶格常數要比三元合金的晶格常數小，而壘層材料的晶格常數不變，因此根據公式(I)、公式(2)可知晶格失配度變小。維加德定律如下A-AxIVxC = X a_AC+(1-x) a_BC (I)其中，a_ABC代表三元合金的晶格常數，a_AC和a_BC分別代表構成三元合金的二元合金的晶格常數。晶格失配度=[(阱層材料的晶格常數-襯底材料的晶格常數)/襯底材料的晶格常數]X 100%(2)實施例2本實施例公開了一種采用實施例1所述的方法制備的GaAs基含B高應變量子阱，其以BInGaAs或BGaAsSb作為阱層，以GaAs作為壘層。實施例3
本實施例公開了一種邊發(fā)射半導體激光器，其以實施例2所述的含B量子阱作為有源區(qū)，如圖2、圖4所示。本實施例與現有的GaAs基InGaAs/GaAs、GaAsSb/GaAs量子阱邊發(fā)射激光器的區(qū)別在于有源區(qū)增益介質材料不同。這樣，采用圖2和圖4結構的激光器就可以工作在更長的波長。以上所述僅是本發(fā)明的實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型也應視為本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種GaAs基含B高應變量子阱的制備方法，包括以下步驟: 51、在GaAs襯底上生長GaAs緩沖層； 52、在所述GaAs緩沖層頂部生長高應變阱層，生長過程中通入B源以形成含B高應變阱層； 53、在所述含B高應變阱層上生長GaAs壘層或應變補償壘層，以形成GaAs基含B高應變量子講。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在S3步驟之后還包括:S4、重復步驟S2、S3若干次，形成多量子講。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述含B高應變阱層的材料為BInGaAs或BgaAsSb。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述應變補償層的材料為GaAsP、InGaP,BGaAs > GaAs-GaAsP> GaAs-1nGaP> GaAs-BGaAs > GaAsP-GaAs > InGaP-GaAs > BGaAs-GaAs 中的一種或幾種的組合。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述含B高應變阱層中包含In或Sb，且In或Sb的組分大于或等于30%。
6.一種采用權利要求1 5中任一項所述的方法所制備的GaAs基含B高應變量子阱。
7.—種邊發(fā)射半導體激光器，其特征在于，所述激光器以權利要求6所述的GaAs基含B高應變量子阱作為有源區(qū)。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導體光電子材料與器件領域，公開了一種GaAs基含B高應變量子阱的制備方法，包括步驟S1、在GaAs襯底上生長GaAs緩沖層；S2、在所述GaAs緩沖層的頂部生長高應變阱層，生長過程中通入B源形成含B高應變阱層；S3、在所述含B高應變阱層上生長GaAs壘層或應變補償壘層，形成GaAs基含B高應變量子阱。本發(fā)明還公開了一種GaAs基含B高應變量子阱以及一種邊發(fā)射半導體激光器。本發(fā)明通過將B并入到InGaAs或GaAsSb中補償In、Sb并入GaAs導致的晶格常數變大，從而實現對晶格失配度的調控；通過將B并入到InGaAs或GaAsSb中降低高應變InGaAs或GaAsSb的表面能，從而進一步拓展InGaAs/GaAs和GaAsSb/GaAs高應變量子阱的發(fā)光波長；通過對含B高應變阱層進行應變補償，從而提高量子阱的光學質量。
文檔編號H01S5/343GK103151710SQ20111040175
公開日2013年6月12日 申請日期2011年12月6日 優(yōu)先權日2011年12月6日
發(fā)明者王 琦, 賈志剛, 郭欣, 任曉敏, 黃永清 申請人:北京郵電大學