[发明专利]抑制异变外延生长中贯穿位错的结构与方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种抑制异变外延生长中贯穿位错的结构与方法。

背景技术

基于III-V族化合物半导体的量子光电器件一直是纳米电子学与光通信领域的研究重点，也是促进国家信息科技产业快速发展的源动力之一。由于其在可见光波段以及红外波段具有较强的辐射复合效率和发射效率，因此被广泛应用于发光、生物传感、数据存储等领域。例如，基于III-V族化合物量子异质结构材料的激光器已经成为实现高性能光通信波段光源的核心光电子器件，是下一代光通信用激光器的优选方案之一。相对于传统的半导体激光器，量子点激光器具有超低阀值电流密度、高差分增益、高输出功率、可忽略的线宽增强因子和高调制带宽等优异性能。

异变技术和自组织生长技术是半导体量子器件制备中的重要技术手段。作为半导体量子器件制备中的关键技术，异变外延生长是通过改变衬底外延材料的晶格常数，形成任意晶格常数的虚衬底(virtual substrate)模板，用低成本的衬底材料(如GaN、GaAs、Si等材料)来降低生产成本。相对于异质外延生长机制。异变外延生长在晶格常数上的自由灵活性，使得生长在不同衬底上器件的单片集成成为可能。异变外延为半导体失配外延生长提供了新的发展空间，从而为半导体材料的带隙工程提供了更多设计自由度。异变外延层要形成无应变的虚衬底，需要通过产生位错来弛豫异变层和衬底之间由于晶格失配引起的应变。大量界面位错能够起到有效弛豫应变的作用，但不利因素是，界面位错产生的同时还伴随有贯穿位错，随着外延生长的进行，不加控制的情况下，贯穿位错将继续向生长方向传播并进入有源区，形成非辐射复合中心，从而大大降低了发光强度和效率，影响器件的稳定性和寿命。目前的异变外延技术位错密度多为10⁸cm^-2，因此抑制异变外延生长中的贯穿位错，提高器件的发光效率和可靠性，成为异变外延量子材料激光器亟待解决的关键科学问题。

针对上述问题，目前主要的贯穿位错抑制技术主要有：应变层超晶格技术，热循环退火技术，图形生长技术以及协变衬底技术等。但是，要达到器件应用的水平，有源区的贯穿位错密度应低于10⁶cm^-2，而以上贯穿位错抑制方案很难达到这一指标，极大的限制了异变半导体量子器件的发展。综上所述，提出使用多层自组织应变量子点结构与方法对异变外延材料有源区的贯穿位错进行有效抑制是异变半导体激光器中迫切需要解决的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：针对目前贯穿位错抑制技术不能有效解决异变外延生长中的位错缺陷问题，提供一种抑制异变外延生长中贯穿位错的结构与方法，以实现适用于半导体量子器件的异变外延材料为目的，将贯穿位错密度降到器件应用水平，大大提高异变外延量子材料激光器的发光效率、可靠性和使用寿命，为半导体量子光电器件的设计和大规模量子光电器件集成带来良好的促进作用。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种抑制异变外延生长中贯穿位错的方法，包括以下步骤：

S1：选取适合的生长在应变缓冲层上的量子点几何模型作为理论模型；

S2：根据所述理论模型的贯穿位错应变场与晶格失配应变场的相互作用、失配位错应变场与晶格失配应变场的相互作用、以及位错应变场与自由表面的相互作用，利用有限元法，得出整个系统的应力应变分布情况；

S3：基于所述系统的应力应变分布情况以及能量平衡原理，得到利用量子点抑制贯穿位错的临界条件；

S4：根据得到的利用量子点抑制贯穿位错的临界条件，形成抑制异变外延生长中贯穿位错的结构。

优选地，在步骤S1中，所述量子点几何模型为圆柱型或六边截顶金字塔型量子点几何模型。

优选地，在步骤S2中，所述得出整个系统的应力应变分布情况的步骤包括系统的弹性应变能E_res的计算：

E_res＝0.5∫(σ_xxε_xx+σ_yyε_yy+σ_zzε_zz+2σ_xyε_xy+2σ_xzε_xz+2σ_yzε_yz)dv

其中，σ_ij与ε_ij(i，j＝x，y，z)分别为系统的应力与应变。