[发明专利]一种大尺寸InGaSb量子点的外延生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料技术领域，属于半导体光电子新型材料的外延生长技术领域。

背景技术

大尺寸量子点的概念及结构研究起源于20世纪末。主要是借鉴或结合量子点(QDs)、超晶格(SLs)的制备方法获得的。由于其特殊的应变场，轻、重空穴的更强的耦合作用，TE和TM辐射模式的关系，使其在偏振无关的半导体光放大器、极低阈值激光器、波长可调谐激光器、集成光电子学器件等方面都将实现重要应用。大尺寸量子点在半导体(凝聚态)物理和材料学研究方面的基础研究方面具有的重要价值，在电子学、光(电)子学器件方面的巨大应用价值。

1998年，M.Sugawara等报道了以两层InAs/InGaAs量子点为有源区的激光器(高宽比为1，量子点高、直径均约为15nm)，阈值电流密度为560A/cm²。2002年，T.Kita等通过叠层生长的InAs/InGaAs量子点，改变“量子点”的形状，控制量子点的各向异性，首次获得利用大尺寸量子点结构，实现了半导体光放大器(SOA)光学增益的偏振不敏感性的迹象。2007年，美国加利福尼亚大学J.He等研究了基于大尺寸量子点的结构和光学特性，指出了量子尺寸、形状和结构在新器件应用方面的潜力。

InGaSb材料作为核心发光单元，对1.4～4.0μm辐射波段的发光器件和探测器件应用更有优势。在近、中红外半导体器件方面显示出越来越重要得研究价值和应用价值。锑化物以其特有的窄带隙、电子有效质量小等特点成为近年来中红外波段研究的热点材料，GaAs基InGaSb量子点激光器的研制将为光通讯提供一种价格低廉、功耗小、性能优良的新光源选择。

InGaSb量子点的研究是在近几年才开始研究的，研究工作也主要集中在日本的几个研究小组，其中N.Yamamoto所在的小组在1.3μm InGaSb量子点激光器的研究上已经有所进展。可以预言大尺寸的InGaSb量子点材料在近红外和中远红外波段新型光电子器件上将具有十分重要的应用。

发明内容

我们发明了一种大尺寸InGaSb量子点的外延生长方法。量子尺寸的半导体材料具有与体材料截然不同的能态密度分布、特殊的载流子行为和光波限制特性、特殊的各向异性的应变及驰豫特性，等等，进而引起一系列光跃迁现象，主要表现为具有更高的增益谱密度、更强的发光谱线，具有更小的温度依赖性的增益系数，量子点为有源区的光电子器件中，由于大尺寸量子点本身相对具有尺寸规则、均匀，其发射效率、光增益都强于传统的自组织生长的量子点；周围叠层浸润层对电子的俘获能力、反射率和光限制能力也要强于单层浸润层的量子点。我们发明了一种大尺寸InGaSb量子点的外延生长方法。

本发明是这样实现的，见图1所示，大尺寸InGaSb量子点的外延结构包括GaAs衬底(1)，GaAs缓冲层(2)，自组织法生长的InGaSb种子量子点(3)、短周期的GaSb/InGaSb超晶格层(4)，GaSb盖层(5)大尺寸的InGaSb量子点(6)。所采用的设备为分子束外延设备(MBE)。

本发明的技术效果在于量子点形状和尺寸的人为控制(artificial engineering)，包括纳米结构定位问题，密度控制问题；材料组分分布及均匀性的控制；发光效率及非辐射跃迁等损耗的控制；量子点单元的耦合与发光结构的结合技术。

本发明之传统自组织生长的量子点无论在尺寸、均匀性、形状可控等方面得到明显增强和改善，有效发光强度大大增加，并且实现了锑化物体系得低维外延生长。如果作为半导体激光器发光材料，将使激光器的阈值电流和最大光功率输出得到有效改善，提高激光器的电光转换效率，从而提高激光器的整体性能。

具体实施方式

如图1所示，大尺寸InGaSb量子点的结构包括GaAs衬底(1)、GaAs缓冲层(2)、自组织法生长的InGaSb种子量子点(3)、短周期的GaSb/InGaSb超晶格层(4)、GaSb盖层(5)以及大尺寸的InGaSb量子点(6)。衬底(1)为材料外延生长的基底，采用GaAs衬底；生长1μm的GaAs缓冲层(2)；InGaSb种子量子点(3)，通常采用自组织方法生长，生长厚度为2.2MLs，其作用是作为大尺寸InGaSb量子点的种子，在短周期超晶格(4)的作用下，尺寸和形状得到人工的控制。短周期超晶格(4)由交替生长的7MLs的GaSb和2MLs的InGaSb超晶格构成；GaSb盖层(5)；大尺寸InGaSb量子点(6)。

下面结合实例说明本发明，采用的设备为分子束外延设备(MBE)。