[发明专利]一种用于实现InGaAs光吸收波长扩展的材料结构

说明书

技术领域

本发明属于半导体光电信息材料与器件领域，特别涉及一种用于实现InGaAs光吸收波长扩展的材料结构。

背景技术

In_xGa_1-xAs三元合金是最重要的III-V族化合物半导体光电子材料之一。它是由InAs和GaAs两种直接带隙半导体材料合金而成，也具有直接带隙，因而具有高的光学吸收系数和内量子效率。其中以与InP衬底晶格匹配的In_0.53Ga_0.47As材料制备工艺最为成熟，应用也最为广泛。通过优化分子束外延(MBE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)等生长工艺，可以在InP(001)衬底上生长出与衬底晶格近乎完美匹配的In_0.53Ga_0.47As材料。其缺陷面密度可低至10⁴/cm²，结晶质量高，发光质量好。本征跃迁光吸收长波限约为1.7μm，吸收系数>10⁴cm^-1。在光电转换方面得到了重要应用。基于InP衬底的In_0.53Ga_0.47As探测器对于1550nm光波长的室温探测率高达10¹²cm·Hz^1/2/W，且具有良好的空间抗辐照特性，因而在高速光纤通讯、近红外光谱学测量、航天遥感成像等领域得到了广泛应用。

然而In_0.53Ga_0.47As探测器的光响应长波限也仅能达到1.7μm，无法对包含有丰富信息的1.7-3μm近红外波段产生光吸收。该波段包含了自然界中许多物质的特征吸收谱线，如冰云、矿产、陆地、云层的特征吸收峰在2.10-2.35μm波段，而CO、N₂O、CH₄等气体的特征吸收峰在2.3-2.4μm波段。同时该波段还包含有高透过率大气窗口，如1.4-1.9μm，2.0～2.5μm。因而该波段的光探测在航空航天对地扫描成像，探测植物含水量及云、雪或地质制图等领域有重要的应用需求。通过提升In组分，可以在InP衬底上制备出与衬底晶格失配的异变或者赝配In_xGa_1-xAs(0.53<x≤1)材料，实现对1.7-2.6μm波段的光吸收和响应。然而晶格失配导致材料的结晶缺陷密度大大增加，器件性能大幅降低。该波段的其它探测材料主要有窄禁带的InAs、InSb、PbSe等，均是利用本征带间跃迁产生光吸收。在应用于光探测时也都分别存在应用限制，如InAs、InSb在该波段的光探测率低，PbSe响应速度慢，InAs暗电流大需制冷工作等。

因此有必要开发针对该波段的新型光吸收材料，使其在具有高光吸收系数和量子效率的同时，具有高的材料结晶质量，进而获得更长的载流子寿命和输运特性，提高该波段的光探测性能。量子结构的量子限制效应、电子态耦合效应、声子瓶颈效应等新物理特性为开发新的光吸收材料和光吸收机制，调控材料光学性能开辟了一个新的途径，在实际应用方面也十分具有吸引力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于实现InGaAs光吸收波长扩展的材料结构，该材料结构可以在保证较高材料质量的情况下，根据需要方便地将InGaAs光吸收长波截止波长延伸到1.7-3.0μm之间，特别适合于扩展InGaAs探测器的光响应波长，同时具有其它广泛的应用前景。

本发明的一种用于实现InGaAs光吸收波长扩展的材料结构，是在InP衬底上采用周期性In_xGa_1-xAs多量子阱耦合超晶格结构，每个超晶格周期包含有一个量子阱层和一个势垒层，采用厚度为a的In_xGa_1-xAs、0.53<x≤1作为量子阱层，厚度为b的In_yGa_1-yAs、0≤y<0.53作为势垒层。

所述多量子阱超晶格层间具有电子和空穴的量子态耦合，产生扩展于整个结构的新的载流子微带，通过电子和空穴的微带间跃迁产生光吸收。

所述量子阱层的厚度a为1-10nm。

所述势垒层的厚度b为1-10nm。

材料的光吸收长波截止波长可根据应用需求通过改变量子阱和势垒的In组分、改变阱层和垒层的层厚、或改变势阱和势垒的结构来进行调控：所述材料在室温下的光吸收长波截止波长可调范围为1.7-3μm。