專利名稱：漸變帶隙的銦鎵砷材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用低壓金屬有機(jī)氣相外延(LP-MOVPE)生長漸變帶隙的銦鎵砷(InGaAs)半導(dǎo)體材料，特別涉及一種帶隙變化的半導(dǎo)體光電子器件(半導(dǎo)體光放大器，可調(diào)諧激光器，超輻射發(fā)光二極管等)有源區(qū)材料的制備方法。
背景技術(shù)：
制作許多半導(dǎo)體光電子器件，諸如可調(diào)諧激光器，光放大器，超輻射發(fā)光二極管，光開關(guān)等，一個最重要的性能指標(biāo)就是要求擁有較大的3dB增益帶寬，以便能在較大的波長范圍內(nèi)工作。目前，制作寬增益帶寬半導(dǎo)體光電子器件主要有以下幾種方法1)有源區(qū)采用單個量子阱或多個相同量子阱組成(參見Appl.Phys.Lett.，Vol.56，No.14，1990，pp1345-1346；Electron.Lett.，Vol.29，No.10，1993，pp854-856；IEEE Photonics Technol.Lett.，Vol.5，No.5，1993，pp520-522和IEEE Photonics Technol.Lett.，Vol.10，No.5，1998，pp657-659)。該結(jié)構(gòu)是利用量子阱的態(tài)密度分布呈現(xiàn)階梯狀這一特點，在一定的外加注入電流下，同時實現(xiàn)能級n＝1和n＝2的導(dǎo)帶電子到價帶空穴的躍遷來獲得較大的帶寬。缺點是要求器件有一個合適的長度和較大的注入電流下，才能同時實現(xiàn)n＝1和n＝2的躍遷。
2)厚度連續(xù)變化的量子阱結(jié)構(gòu)(見Electron.Lett，Vol.28，No.7，1992，pp903-905)，該方法是采用光刻掩膜選擇生長厚度變化的量子阱有源區(qū)，當(dāng)阱的厚度變化，其發(fā)射的峰值波長也發(fā)生變化，從而獲得寬的帶寬。但該結(jié)構(gòu)的器件需要制作多段電極，且3dB增益帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于100nm。
3)級聯(lián)結(jié)構(gòu)(見Appl.Phys.Lett.，Vol.58，No.18，1991，pp1976-1978)該結(jié)構(gòu)是有源區(qū)由兩個不同波長的材料組成，其3dB增益帶寬較寬，但仍需依靠制作多段電極來實現(xiàn)寬的帶寬。
4)有源區(qū)采用數(shù)個組分相同而尺寸不同的量子阱組成(見Electron.Lett.，Vol.33，No.19，1997，pp1142-1 143)或尺寸相同而組分變化的量子阱構(gòu)成(見IEEEJ.QuantumElectron.，Vol.39，No.3，2003，pp426-430)此結(jié)構(gòu)是利用不同厚度的量子阱或不同組分的量子阱激射不同的波長來獲得較大的3dB增益帶寬，但為了獲得較大而又平旦的增益帶寬，需要對量子阱的尺寸或組分進(jìn)行仔細(xì)的優(yōu)化設(shè)計，因此，其制作程度相對復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種漸變銦鎵砷材料的外延制備方法，采用這種方法所制備的銦鎵砷(InGaAs)體材料，由于該體材料中被引進(jìn)了準(zhǔn)連續(xù)變化的張應(yīng)變，不同的張應(yīng)變具有不同的帶隙波長，從而導(dǎo)致該材料具有較大的3dB增益帶寬。該方法可廣泛用于制作大增益帶寬的銦磷(InP)基的半導(dǎo)體光電子器件；可調(diào)諧激光器，半導(dǎo)體光放大器，超輻射發(fā)光二極管等等。
本發(fā)明一種漸變銦鎵砷材料的外延制備方法，其特征在于，包括如下步驟(1)在襯底上外延生長一層緩沖層；(2)在緩沖層上外延生長一層下波導(dǎo)層；(3)在下波導(dǎo)層上外延生長漸變銦鎵砷有源層；(4)接著在漸變銦鎵砷有源層上生長上不摻雜波導(dǎo)層；(5)在不摻雜波導(dǎo)層生長上波導(dǎo)蓋層；(6)最后生長接觸層，完成材料的制備。
其中步驟(1)所說的襯底是磷化銦襯底或砷化鎵襯底。
其中所說的緩沖層是磷化銦緩沖層，緩沖層的厚度在1μm左右。
其中所說的上、下波導(dǎo)層既可以與襯底晶格相匹配，也可以存在適度的應(yīng)變，若中心漸變銦鎵砷材料為張應(yīng)變，則上、下波導(dǎo)層擁有適量的壓應(yīng)變；若中心漸變銦鎵砷材料為壓應(yīng)變，則上、下波導(dǎo)層最好擁有適量的張應(yīng)變。
其中所說的生長漸變銦鎵砷材料時，生長溫度在600℃-630℃之間，生長壓力為50毫巴。
其中在磷化銦襯底上生長漸變銦鎵砷材料，漸變既可以只是準(zhǔn)線性變化的張應(yīng)變，也可以只是漸變的壓應(yīng)變，甚至還可以是既含有漸變的張應(yīng)變，又有漸變的壓應(yīng)變；漸變應(yīng)變既可以對稱分布在中心銦鎵砷材料中，也可以非對稱分布在銦鎵砷材料中。


為進(jìn)一步說明本發(fā)明的內(nèi)容，以下結(jié)合附圖和具體實例對本發(fā)明做進(jìn)一步的描述，其中圖1為半導(dǎo)體光放大器的外延結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為鍍模前半導(dǎo)體光放大器的L-I(光—電流)特性曲線；圖3為蒸鍍單層抗反膜后光放大器的自發(fā)發(fā)射譜。
其中由圖1知，該器件與普通器件的結(jié)構(gòu)一致，證明其制作工藝是完全相同的。獨特之處是該結(jié)構(gòu)有源層中的張應(yīng)變是對稱準(zhǔn)線性變化的即從一個大的張應(yīng)變減小到匹配，然后又從匹配增加到同一個大的張應(yīng)變；而普通結(jié)構(gòu)的有源層中只有一個張應(yīng)變。
由圖2知，該器件未鍍抗反膜之前，表現(xiàn)出較好激射特性，其激射閾值為22毫安，斜率效率為0.28W/A(瓦/安培)，這充分說明采用本方法能制備出晶體質(zhì)量較高的漸變有源層，進(jìn)一步證明用本制備方法能夠制作具有高增益大帶寬的半導(dǎo)體光電子器件。
由圖3知，自發(fā)發(fā)射譜出現(xiàn)多個峰值，說明不同的張應(yīng)變被引入了有源層中；在100mA(毫安)的外加電流下，獲得了125nm(納米)的3dB增益帶寬，而且增益帶寬比較平旦，顯然，該增益帶寬是普通結(jié)構(gòu)的2倍，在130mA的外加注入電流下，獲得了91nm較平旦的增益帶寬；由此知，采用本方法能使半導(dǎo)體光電子器件獲得較大而又平旦的3dB增益帶寬。
具體實施例方式
請參閱圖1所示，本發(fā)明一種漸變銦鎵砷材料的外延制備方法，其特征在于，包括如下步驟(1)在襯底70上外延生長一層磷化銦或砷化鎵緩沖層60，所說的襯底70是磷化銦襯底或砷化鎵襯底；所說的緩沖層60是磷化銦緩沖層，緩沖層的厚度在1μm左右；(2)在緩沖層60上外延生長一層下波導(dǎo)層50；(3)在下波導(dǎo)層50上外延生長漸變銦鎵砷有源層40，所說的生長漸變銦鎵砷材料時，生長溫度在600℃-630℃之間，生長壓力為50毫巴；(4)接著在漸變銦鎵砷有源層40上生長上不摻雜波導(dǎo)層30；(5)在不摻雜波導(dǎo)層30生長上波導(dǎo)蓋層20，其中所說的上、下波導(dǎo)20層既可以與襯底晶格相匹配，也可以存在適度的應(yīng)變，若中心漸變銦鎵砷材料為張應(yīng)變，則上、下波導(dǎo)層20、50擁有適量的壓應(yīng)變；若中心漸變銦鎵砷材料為壓應(yīng)變，則上、下波導(dǎo)層20、50最好擁有適量的張應(yīng)變；(6)最后生長接觸層10，完成材料的制備。
其中在磷化銦襯底上生長漸變銦鎵砷材料，漸變既可以只是準(zhǔn)線性變化的張應(yīng)變，也可以只是漸變的壓應(yīng)變，甚至還可以是既含有漸變的張應(yīng)變，又有漸變的壓應(yīng)變；漸變應(yīng)變既可以對稱分布在中心銦鎵砷材料中，也可以非對稱分布在銦鎵砷材料中。
實施例本發(fā)明是一種利用LP-MOVPE(低壓—金屬有機(jī)氣相外延)生長準(zhǔn)連續(xù)應(yīng)變InGaAs(銦鎵砷)體材料，通過改變?nèi)逶猅MGa(三甲基鎵)的組份來獲得所需的應(yīng)變，其技術(shù)方案如下(以InP(銦磷)基為例)(結(jié)合參閱圖1)1)已清潔處理的InP襯底置于MOVPE(金屬有機(jī)氣相外延)反應(yīng)室中(圖中未示)；2)InP襯底70上外延生長一層與InP晶格匹配的下波導(dǎo)層(反應(yīng)室中的壓力為22毫巴，溫度為650攝氏度)；3)在下波導(dǎo)層上外延生長漸變InGaAs體材料，生長該層漸變InGaAs體材料時，關(guān)鍵是在生長的過程中，控制TMGa的源流量，讓TMGa的源流量從與襯底InP失配較大的量(該量對應(yīng)一個大的張應(yīng)變)起開始變化，隨生長時間的增加而準(zhǔn)線性減小直到與InP匹配時的量為止；接著，又讓TMGa的量從與InP匹配時的量起隨生長時間而準(zhǔn)線性增加直到與生長開始時對應(yīng)較大張應(yīng)變量為止。這里需強(qiáng)調(diào)的是，前后TMGa的量變化(即由大到小和由小到大)所用的生長時間是相同的，結(jié)果，一種對稱準(zhǔn)線性張應(yīng)變而具有大帶寬的InGaAs有源層被成功地制備了；4)最后，在InGaAs有源層上再外延生長一層與襯底InP晶格匹配的上波導(dǎo)層；其中，外延生長步驟是一次進(jìn)行；再者，據(jù)實際制作寬帶半導(dǎo)體光電子器件來確定外延生長所需的時間和所要引進(jìn)的最大張應(yīng)變量。
該生長方法的優(yōu)點在于1)利用了應(yīng)變能帶工程，即不同的應(yīng)變對應(yīng)不同的帶隙波長，從而獲得了較寬而平旦的增益帶寬；2)充分利用了三元InGaAs的自身特點，即在外延生長的過程中，只需改變一個Ga(鎵)流量，就可獲得不同的應(yīng)變，相應(yīng)地得到了大的帶寬，很明顯，該生長方法非常簡單；3)在InGaAs有源層中引進(jìn)了適當(dāng)?shù)膽?yīng)變，使價帶中的空穴有效質(zhì)量變小，從而降低了態(tài)密度，有利于器件實現(xiàn)在低電流下工作；再者，應(yīng)變還能降低俄歇復(fù)合和價帶間的相互吸收，這有利于改善器件的溫度特性和可靠性；4)由于有源層的應(yīng)變是準(zhǔn)線性變化，因此，其帶隙為漸變，最終導(dǎo)致其折射率為漸變，顯然，這有利于提高對光的限制；5)設(shè)計制作器件的自由度較大根據(jù)實際半導(dǎo)體光電子器件所需的不同帶寬，相應(yīng)引進(jìn)不同的應(yīng)變，較大的應(yīng)變差對應(yīng)較大的帶寬；6)該方法不僅能在InP襯底上生長漸變InGaAs(既可以是漸變張應(yīng)變，也可以是漸變壓應(yīng)變，甚至兩者皆有)，而且也能推廣在GaAs(砷化鎵)襯底上生長漸變InGaAs(只能是壓應(yīng)變)材料來獲得大帶寬半導(dǎo)體光電子器件的有源層。
本發(fā)明一種漸變InGaAs寬帶半導(dǎo)體光電子器件的有源層制備方法，現(xiàn)以用該方法制備InGaAs半導(dǎo)體光放大器(SOA)為具體實例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明(以InP為襯底)，結(jié)合參閱圖1；(1)一次外延SOA(半導(dǎo)體光放大器)的漸變有源結(jié)構(gòu)即在n-型InP襯底70上外延生長一層n型InP緩沖層60和與InP晶格匹配的四元InGaAsP(銦鎵砷磷)下波導(dǎo)層50，漸變InGaAs中心有源層40和InP晶格匹配的InGaAsP上波導(dǎo)層30，外延生長漸變InGaAs中心有源層40時，關(guān)鍵是控制TMGa的源流量，讓其從形成一較大應(yīng)變(可為壓應(yīng)變，也可為張應(yīng)變，但本結(jié)構(gòu)為張應(yīng)變)準(zhǔn)線性降低到與InP晶格匹配時的流量，然后又繼續(xù)讓TMGa的源流量從匹配準(zhǔn)線形增加到同一較大應(yīng)變量，這樣，一種具有對稱準(zhǔn)線性漸變的張應(yīng)變被引進(jìn)了InGaAs有源層40中。
(2)對用該方法制備的樣品進(jìn)行X射線雙晶衍射測試，測試結(jié)果表明，InGaAs有源層中呈現(xiàn)多個張應(yīng)變值，這些值為0.492％，0.371％，0.255％，0.105％，即在InGaAs有源層中引入了不同的張應(yīng)變，而且這些張應(yīng)變表現(xiàn)為準(zhǔn)線性變化的趨勢。
(3)二次外延p型InP蓋層20和P+型InGaAs接觸層10。
(4)在樣品P面上熱沉積一層二氧化硅(SiO2)做掩膜，光刻出電極圖形，然后濺射制作放大器上電極和真空蒸鍍下電極。
(5)沿正臺方向解理成一定長度的芯片，再在芯片兩端蒸鍍單層抗反膜，至此，完成整個器件的制作。
圖2為鍍模前半導(dǎo)體光放大器的L-I(光—電流)特性曲線；圖3為蒸鍍單層抗反膜后光放大器的自發(fā)發(fā)射譜。
權(quán)利要求
1.一種漸變銦鎵砷材料的外延制備方法，其特征在于，包括如下步驟(1)在襯底上外延生長一層緩沖層；(2)在緩沖層上外延生長一層下波導(dǎo)層；(3)在下波導(dǎo)層上外延生長漸變銦鎵砷有源層；(4)接著在漸變銦鎵砷有源層上生長上不摻雜波導(dǎo)層；(5)在不摻雜波導(dǎo)層生長上波導(dǎo)蓋層；(6)最后生長接觸層，完成材料的制備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的漸變銦鎵砷材料的外延制備方法，其特征在于，其中步驟(1)所說的襯底是磷化銦襯底或砷化鎵襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的漸變銦鎵砷材料的外延制備方法，其特征在于，其中所說的緩沖層是磷化銦緩沖層，緩沖層的厚度在1μm左右。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的漸變銦鎵砷材料的外延制備方法，其特征在于，其中所說的上、下波導(dǎo)層既可以與襯底晶格相匹配，也可以存在適度的應(yīng)變，若中心漸變銦鎵砷材料為張應(yīng)變，則上、下波導(dǎo)層擁有適量的壓應(yīng)變；若中心漸變銦鎵砷材料為壓應(yīng)變，則上、下波導(dǎo)層最好擁有適量的張應(yīng)變。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的漸變銦鎵砷材料的外延制備方法，其特征在于，其中所說的生長漸變銦鎵砷材料時，生長溫度在600℃-630℃之間，生長壓力為50毫巴。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的漸變銦鎵砷材料的外延制備方法，其特征在于，其中在磷化銦襯底上生長漸變銦鎵砷材料，漸變既可以只是準(zhǔn)線性變化的張應(yīng)變，也可以只是漸變的壓應(yīng)變，甚至還可以是既含有漸變的張應(yīng)變，又有漸變的壓應(yīng)變；漸變應(yīng)變既可以對稱分布在中心銦鎵砷材料中，也可以非對稱分布在銦鎵砷材料中。
全文摘要
一種漸變銦鎵砷材料的外延制備方法，包括如下步驟(1)在襯底上外延生長一層磷化銦或砷化鎵緩沖層；(2)在緩沖層上外延生長一層下波導(dǎo)層；(3)在下波導(dǎo)層上外延生長漸變銦鎵砷有源層；(4)接著在漸變銦鎵砷有源層上生長上不摻雜波導(dǎo)層；(5)在不摻雜波導(dǎo)層生長上波導(dǎo)蓋層；(6)最后生長接觸層，完成材料的制備。
文檔編號H01S5/00GK1567533SQ0314273
公開日2005年1月19日 申請日期2003年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月16日
發(fā)明者王書榮, 王圩, 朱洪亮, 張瑞英, 邊靜 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所