一种量子阱结构及其生长方法

摘要

本申请属于半导体材料技术领域，特别是涉及一种量子阱结构及其生长方法。为了获得高质量的InGaAs量子阱，一般采用GaAsP应变补偿垒层的方法，但会带来超出预期的发光峰。并且就算保持了总应变为零，仍会造成InGaAs/GaAsP界面粗糙化，引发局部微观缺陷，这同样会弱化量子阱的性能。如果直接采用GaAs做势垒层，生长温度的选择成了挑战。本申请提供了一种量子阱结构，包括依次层叠的衬底、缓冲层、下势垒层、势阱层和上势垒层；所述上势垒层包括低温势垒层和高温势垒层，所述势阱层、所述低温势垒层与所述高温势垒层依次层叠。优化低温、高温势垒层的厚度分配和生长温度，提高量子阱材料的生长质量。

权利要求

1.一种量子阱结构，其特征在于：包括依次层叠的衬底、缓冲层、下势垒层、势阱层和上势垒层；

所述上势垒层包括低温势垒层和高温势垒层，所述势阱层、所述低温势垒层与所述高温势垒层依次层叠；所述量子阱结构为InGaAs/GaAs量子阱结构；所述衬底为GaAs衬底、所述缓冲层为GaAs缓冲层、所述下势垒层为GaAs下势垒层、所述势阱层为InGaAs势阱层和所述低温势垒层为GaAs低温势垒层，所述高温势垒层为GaAs高温势垒层；所述GaAs低温势垒层生长温度为540℃～600℃；所述GaAs高温势垒层生长温度为600℃～700℃；所述GaAs低温势垒层厚度为1 nm～5nm；所述InGaAs势阱层中In组分占比为0.15～0.3，所述InGaAs势阱层厚度为5～10nm。

2.一种如权利要求1中的量子阱结构的生长方法，其特征在于：所述生长方法包括如下步骤：

a.将GaAs衬底置于外延生长装置中；

b.将温度升至700℃，对所述GaAs衬底去氧化物；

c.将温度降至T1，在所述衬底上叠层生长GaAs缓冲层；

d.在所述GaAs缓冲层上生长GaAs下势垒层；

e.将温度降至T2，在所述GaAs下势垒层上生长InGaAs势阱层；

f.在所述InGaAs势阱层上生长GaAs低温势垒层；

g.将温度升至T3，在所述GaAs低温势垒层上生长GaAs高温势垒层；所述温度T1> T2，所述温度T3>T2。

3.如权利要求2所述量子阱结构的 生长方法，其特征在于：所述外延生长装置为金属有机化学气相外延。

说明书

一种量子阱结构及其生长方法

技术领域

[0001] 本申请属于半导体材料技术领域，特别是涉及一种量子阱结构及其生长方法。

背景技术

[0002] 量子阱(quantum well)是指与电子的德布罗意波长可比的微观尺度上的势阱。量子阱的基本特征是由于量子阱宽度(与电子的德布罗意波长可比的尺度)的限制，导致载流
子波函数在一维方向上的局域化，量子阱中因为有源层的厚度仅在电子平均自由程内，阱
壁具有很强的限制作用，使得载流子只在与阱壁平行的平面内具有二维自由度，在垂直方
向，使得导带和价带分裂成子带。量子阱中的电子态、声子态和其他元激发过程以及它们之
间的相互作用，与三维体状材料中的情况有很大差别。在具有二维自由度的量子阱中，电子
和空穴的态密度与能量的关系为台阶形状，而不是象三维体材料那样的抛物线形状。

[0003] 通过MOCVD以及MBE等沉积手段获得的以InGaAs为势阱的量子阱结构，作为一种二维材料结构，由于其量子约束效应，被广泛应用于半导体激光器，光电探测器，太阳能电池
等领域。然而，InGaAs的晶格常数与In的含量成正比例关系，晶格失配带来的失配应变一旦
积累到引发塑性形变的程度，就会引发失配位错等缺陷。

[0004] 为了获得高质量的InGaAs量子阱，有人采用GaAsP应变补偿垒层的方法，但是在InGaAs与GaAsP的界面处极易形成InGaAsP四元化合物，带来超出预期的发光峰。并且
InGaAs/GaAsP材料体系的晶格失配远远大于InGaAs/GaAs，就算保持了总应变为零，仍会造
成界面粗糙化，引发局部微观缺陷，同样会弱化InGaAs量子阱的性能。如果直接采用GaAs做
势垒层，生长温度的选择成了挑战。高温条件并不适于InGaAs材料的沉积，造成In原子的解
吸附与蒸发，大大降低了In的并入率，一方面In组分损失会造成波长相较于预期发生蓝移，
另一方面，表面出现大量In空位等缺陷，不平整的界面将影响后续薄膜的沉积。然而，较高
的生长温度十分有利于获得高质量的GaAs材料，可以减少杂质的掺入并提高原子有序性，
因此为了保护In原子，大多选取一折中温度，从而忽视GaAs层低温生长引发杂质掺入等问
题。

发明内容

[0005] 1.要解决的技术问题

[0006] 基于为了获得高质量的InGaAs量子阱，有人采用GaAsP应变补偿垒层的方法，但是在InGaAs与GaAsP的界面处极易形成InGaAsP四元化合物，带来超出预期的发光峰。并且
InGaAs/GaAsP材料体系的晶格失配远远大于InGaAs/GaAs，就算保持了总应变为零，仍会造
成界面粗糙化，引发局部微观缺陷，同样会弱化InGaAs量子阱的性能。如果直接采用GaAs做
势垒层，生长温度的选择成了挑战。高温条件并不适于InGaAs材料的沉积，造成In原子的解
吸附与蒸发，大大降低了In的并入率，一方面In组分损失会造成波长相较于预期发生蓝移，
另一方面，表面出现大量In空位等微观缺陷，不平整的界面将影响后续薄膜的沉积。然而，
较高的生长温度十分有利于获得高质量的GaAs材料，可以减少杂质的掺入并提高原子有序
性，因此为了保护In原子，大多选取一折中温度，进而忽视GaAs层低温生长引发杂质掺入等
问题，本申请提供了一种量子阱结构及其生长方法。

[0007] 2.技术方案

[0008] 为了达到上述的目的，本申请提供了一种量子阱结构，包括依次层叠的衬底、缓冲层、下势垒层、势阱层和上势垒层；

[0009] 所述上势垒层包括低温势垒层和高温势垒层，所述势阱层、所述低温势垒层与所述高温势垒层依次层叠。

[0010] 本申请提供的另一种实施方式为：所述量子阱结构为InGaAs/GaAs量子阱结构。

[0011] 本申请提供的另一种实施方式为：所述衬底为GaAs衬底、所述缓冲层为GaAs缓冲层、所述下势垒层为GaAs下势垒层、所述势阱层为InGaAs势阱层和所述低温势垒层为GaAs
低温势垒层，所述高温势垒层为GaAs高温势垒层。

[0012] 本申请提供的另一种实施方式为：所述GaAs低温势垒层生长温度为540℃～600℃。

[0013] 本申请提供的另一种实施方式为：所述GaAs高温势垒层生长温度为600℃～700℃。

[0014] 本申请提供的另一种实施方式为：所述GaAs低温势垒层厚度为1nm～5nm。

[0015] 本申请提供的另一种实施方式为：所述InGaAs势阱层中In组分占比为0.15～0.3。

[0016] 本申请提供的另一种实施方式为：所述InGaAs势阱层厚度为5～10nm。

[0017] 本申请提供的另一种实施方式为：所述量子阱结构采取变温生长法获得。

[0018] 本申请还提供一种量子阱结构生长方法，所述生长方法包括如下步骤：

[0019] a.将GaAs衬底置于外延生长装置中；

[0020] b.将温度升至700℃，对所述GaAs衬底去氧化物；

[0021] c.将温度降至T1，在所述衬底上叠层生长GaAs缓冲层；

[0022] d.在所述GaAs缓冲层上生长GaAs下势垒层；

[0023] e.将温度降至T2，在所述GaAs下势垒层上生长InGaAs势阱层；

[0024] f.在所述InGaAs势阱层上生长GaAs低温势垒层，厚度为h1 nm；

[0025] g.将温度升至T3，在所述GaAs低温势垒层上生长GaAs高温势垒层，厚度为h2 nm。

[0026] 本申请提供的另一种实施方式为：所述外延生长装置为金属有机化学气相外延(MOCVD)。

[0027] 本申请提供的另一种实施方式为：所述温度T1>T2，所述温度T3>T2。

[0028] 3.有益效果

[0029] 与现有技术相比，本申请提供的一种量子阱结构及其生长方法的有益效果在于：

[0030] 本申请提供的量子阱结构及其生长方法，采用新的InGaAs/GaAs量子阱结构及其生长方法，在不破坏InGaAs势阱层生长表面的同时最大化高质量GaAs势垒层的存在，以期
获得高质量的InGaAs/GaAs量子阱材料。

[0031] 本申请提供的量子阱结构及其生长方法，针对InGaAs量子阱结构及其生长方法，选择GaAs材料作为势垒层，将GaAs上势垒层分为低温生长势垒层和高温生长势垒层，通过
优化势阱层和低温势垒层的生长温度，优化低温、高温势垒层的厚度分配，做到在保护
InGaAs势阱层的同时，提高GaAs材料的生长质量，进而提高量子阱结构的结晶质量及光学
特性。

附图说明

[0032] 图1是本申请的一种量子阱结构的结构示意图；

[0033] 图2是等温生长GaAs上势垒层的InGaAs/GaAs量子阱结构的原子力显微镜测试结果示意图；

[0034] 图3是变温生长GaAs上势垒层的InGaAs/GaAs量子阱结构的原子力显微镜测试结果示意图；

[0035] 图4是等温生长GaAs上势垒层及变温生长GaAs上势垒层的InGaAs/GaAs量子阱结构的光致发光光谱示意图；

[0036] 图5是等温生长GaAs上势垒层及变温生长GaAs上势垒层的InGaAs/GaAs量子阱结构的X射线衍射测试示意图；

[0037] 图6为变温生长GaAs上势垒层的InGaAs/GaAs量子阱结构的原子力显微镜测试结果示意图；

[0038] 图7为变温生长GaAs上势垒层的InGaAs/GaAs量子阱结构的原子力显微镜测试结果示意图；

[0039] 图8为变温生长GaAs上势垒层的InGaAs/GaAs量子阱结构的原子力显微镜测试结果示意图；

[0040] 图9为为变温生长GaAs上势垒层的InGaAs/GaAs量子阱结构的原子力显微镜测试结果示意图；

[0041] 图10为变温生长GaAs上势垒层的InGaAs/GaAs量子阱结构的X射线衍射测试示意图；

[0042] 图11为为变温生长GaAs上势垒层的InGaAs/GaAs量子阱结构的原子力显微镜测试结果示意图；

[0043] 图12为为变温生长GaAs上势垒层的InGaAs/GaAs量子阱结构的原子力显微镜测试结果示意图；

[0044] 图13为为变温生长GaAs上势垒层的InGaAs/GaAs量子阱结构的原子力显微镜测试结果示意图；

[0045] 图中：1‑衬底、2‑缓冲层、3‑下势垒层、4‑势阱层、5‑低温势垒层、6‑高温势垒层。

具体实施方式

[0046] 在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理
的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些
实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。

[0047] 一般在谈到半导体的PN结时，就会联系到势垒，这涉及半导体的基础内容。简单地说，所谓势垒也称位垒，就是在PN结由于电子、空穴的扩散所形成的阻挡层，两侧的势能差，
就称为势垒。

[0048] 参见图1～13，本申请提供一种量子阱结构，包括依次层叠的衬底1、缓冲层2、下势垒层3、势阱层4和上势垒层；

[0049] 所述上势垒层包括低温势垒层5和高温势垒层6，所述势阱层4、所述低温势垒层5与所述高温势垒层6依次层叠。

[0050] 将GaAs上势垒层分为低温生长势垒层及高温生长势垒层，如图1。利用MOCVD技术在GaAs衬底上沉积一层GaAs缓冲层，为了获得较好的生长质量，选择较高的生长温度T1，约
600～700℃，随后生长InGaAs势阱层，考虑到In的高温不稳定性，将生长温度降低至T2(T2<
600℃)，之后在同一温度下立刻沉积GaAs，厚度为h1nm，目的是保护In原子，以免其在升温
过程中发生解吸附和蒸发现象，将这一层称为GaAs低温势垒层。之后在这一层的表面进行
升温过程，至T3，约600～700℃，继续生长GaAs高温势垒层，厚度为h2nm。

[0051] 进一步地，所述量子阱结构为InGaAs/GaAs量子阱结构。

[0052] 进一步地，所述衬底1为GaAs衬底、所述缓冲层2为GaAs缓冲层、所述下势垒层3为GaAs下势垒层、所述势阱层4为InGaAs势阱层和所述低温势垒层5为GaAs低温势垒层，所述
高温势垒层6为GaAs高温势垒层。

[0053] 进一步地，所述GaAs低温势垒层生长温度为540℃～600℃。

[0054] 进一步地，所述GaAs高温势垒层生长温度为600℃～700℃。

[0055] 进一步地，所述GaAs低温势垒层厚度为1nm～5nm。

[0056] 进一步地，所述GaAs高温势垒层厚度没有特别的限制，几毫米到几百毫米均可。

[0057] 进一步地，所述InGaAs势阱层中In组分占比为0.15～0.3。

[0058] 进一步地，所述InGaAs势阱层厚度为5～10nm。

[0059] 进一步地，所述量子阱结构采取变温生长法获得。

[0060] 本申请还提供一种量子阱结构生长方法，所述生长方法包括如下步骤：

[0061] a.将GaAs衬底置于外延生长装置中；

[0062] b.将温度升至700℃，对所述GaAs衬底去氧化物；

[0063] c.将温度降至T1，在所述衬底上叠层生长GaAs缓冲层；

[0064] d.在所述GaAs缓冲层上生长GaAs下势垒层；

[0065] e.将温度降至T2，在所述GaAs下势垒层上生长InGaAs势阱层；

[0066] f.在所述InGaAs势阱层上生长GaAs低温势垒层，厚度为h1 nm；

[0067] g.将温度升至T3，在所述GaAs低温势垒层上生长GaAs高温势垒层，厚度为h2 nm。

[0068] 进一步地，所述外延生长装置为金属有机化学气相外延。

[0069] 进一步地，所述温度T1>T2，所述温度T3>T2。

[0070] 图3中T2为540℃，图5中T2分别为540，560，580，600℃，图6中T2为560℃，图7中T2为580℃，图8中T2为600℃，图9中，T2为580℃，h1为1nm，h2为19nm，图10中T2为580℃，h1分别为
1，2，3，5nm，h2分别为19，18，17，15nm，图11中，T2为580℃，h1为2nm，h2为18nm，图12中T2为
580℃，h1为3nm，h2为17nm，图13中T2为580℃，h1为5nm，h2为15nm。

[0071] 实施例一

[0072] 本实施例中，InGaAs/GaAs量子阱结构由MOCVD设备生长获得，其中GaAs下势垒层生长温度T1为650℃，势阱层为In0.25GaAs，厚度为8nm，生长温度为T2为540℃。GaAs上势垒层
的生长温度同为540℃，厚度为20nm，即此实施例中不采取GaAs上势垒层变温生长，而是等
温生长，T2＝T3＝540℃。图2为等温生长GaAs上势垒层表面的原子力显微镜测试结果，表面
粗糙度为0.143nm，表面台阶间距较小，约为32nm，同时有很多小型二维岛分布在这些台面
上，表明此时二维层状生长模式及台阶流生长模式并存。然而，台阶流生长模式是获得完整
晶格结构和平整外延表面的最佳生长模式。图4为InGaAs/GaAs量子阱结构的光致发光光谱
图，发光强度为7.97。图5为InGaAs/GaAs量子阱结构的X射线衍射测试结果，InGaAs的衍射
峰极弱，表明此时InGaAs势阱层结晶质量并不好。

[0073] 实施例二

[0074] 本实施例中，InGaAs/GaAs量子阱结构由MOCVD设备生长获得，其中GaAs下势垒层生长温度T1为650℃，势阱层为In0.25GaAs，生长温度T2为540℃，GaAs低温势垒层生长温度同
为540℃，厚度h1为2nm，GaAs高温势垒层生长温度T3为650℃，厚度h2为18nm。图3为变温生长
GaAs上势垒层表面的原子力显微镜测试结果，表面粗糙度为0.128nm，表面台阶间距较宽，
约为49nm，台阶面上只有少量二维岛屿，且尺寸较大，表明此时大多数原子选择台阶流生长
模式，极少数选择二维层状生长模式。可以看出，温度影响原子对成核位置的选择。从热力
学角度看，高温给原子提供了更大的能量，增加了扩散长度，让原子有足够能量迁移到台阶
边缘，此时台阶流生长模式占据主要位置，只有少部分原子选择层状生长模式，这些岛屿最
终也将与大台阶汇合。而当生长温度较低时，吸附在台面上的原子并没有足够的动能进行
充分迁移，更多的是在台面上选择就近的成核位置成键，形成许多小型二维岛屿，即实施例
一中的情况，导致台阶推进速率相较缓慢，台阶间距窄。图4为InGaAs/GaAs量子阱结构的光
致发光光谱图，发光强度为14.87，约为实施例一中的2倍，因为高温生长的GaAs势垒层，材
料非辐射复合中心减少，量子阱结构的光学特性得到了改善。图5为InGaAs/GaAs量子阱结
构的X射线衍射测试结果，InGaAs的衍射峰与实施例一中比变强，表明此时InGaAs势阱层结
晶质量有所改善，因为变温生长这种生长方法在将温度由T2升至T3的过程，使较低温度下获
得的InGaAs势阱层及GaAs势垒层发生了弛豫现象，消除了某些材料缺陷。

[0075] 实施例三

[0076] 本实施例中，InGaAs/GaAs量子阱结构由MOCVD设备生长获得，其中GaAs下势垒层生长温度T1为650℃，势阱层为In0.25GaAs，生长温度T2为560℃，GaAs低温势垒层生长温度同
为560℃，厚度h1为2nm，GaAs高温势垒层生长温度T3为650℃，厚度h2为18nm。图6为变温生长
GaAs上势垒层表面的原子力显微镜测试结果，表面台阶等距，间隔约为30nm，且无二维岛屿
存在，表明此时完全转变为台阶流生长模式。图5为InGaAs/GaAs量子阱结构的X射线衍射测
试结果，InGaAs的衍射峰出现了干涉条纹，表明此时InGaAs势阱层的结晶质量进一步得到
了改善。

[0077] 实施例四

[0078] 本实施例中，InGaAs/GaAs量子阱结构由MOCVD设备生长获得，其中GaAs下势垒层生长温度T1为650℃，势阱层为In0.25GaAs，生长温度T2为580℃，GaAs低温势垒层生长温度同
为580℃，厚度h1为2nm，GaAs高温势垒层生长温度T3为650℃，厚度h2为18nm。图7为变温生长
GaAs上势垒层表面的原子力显微镜测试结果，表面台阶等距，间隔约为30nm，且无二维岛屿
存在，表明此时完全为台阶流生长模式。图5为InGaAs/GaAs量子阱结构的X射线衍射测试结
果，InGaAs的衍射峰出现了干涉条纹，较实施例三中更清晰，表明此时InGaAs势阱层的结晶
质量再次进一步得到了改善。

[0079] 实施例五

[0080] 本实施例中，InGaAs/GaAs量子阱结构由MOCVD设备生长获得，其中GaAs下势垒层生长温度T1为650℃，势阱层为In0.25GaAs，生长温度T2为600℃，GaAs低温势垒层生长温度同
为600℃，厚度h1为2nm，GaAa高温势垒层生长温度T3为650℃，厚度h2为18nm。图8为变温生长
GaAs上势垒层表面的原子力显微镜测试结果，表面台阶等距，间隔约为30nm，且无二维岛屿
存在，表明此时完全为台阶流生长模式。图5为InGaAs/GaAs量子阱结构的X射线衍射测试结
果，InGaAs的衍射峰及干涉条纹消失，表明T2为600℃时，温度过高，InGaAs/GaAs量子阱的
结构遭到了破坏。

[0081] 实施例六

[0082] 本实施例中，InGaAs/GaAs量子阱结构由MOCVD设备生长获得，其中GaAs下势垒层生长温度T1为650℃，势阱层为In0.25GaAs，生长温度T2为580℃，GaAs低温势垒层生长温度同
为580℃，厚度h1为1nm，GaAa高温势垒层生长温度T3为650℃，厚度h2为19nm。图9为变温生长
GaAs上势垒层表面的原子力显微镜测试结果，表面可观察到弯曲的台阶边缘，且台阶间距
不等，台面上存在少量二维岛屿及孔洞，说明此时并非台阶流生长模式。图10为InGaAs/
GaAs量子阱结构的X射线衍射测试结果，InGaAs的衍射峰极弱，说明此时InGaAs势阱层结晶
质量并不好。

[0083] 实施例七

[0084] 本实施例中，InGaAs/GaAs量子阱结构由MOCVD设备生长获得，其中GaAs下势垒层生长温度T1为650℃，势阱层为In0.25GaAs，生长温度T2为580℃，GaAs低温势垒层生长温度同
为580℃，厚度h1为2nm，GaAa高温势垒层生长温度T3为650℃，厚度h2为18nm。图11为变温生
长GaAs上势垒层表面的原子力显微镜测试结果，表面台阶密集且等距，边缘规则，趋于直
线，表明此时为台阶流生长模式。图10为InGaAs/GaAs量子阱结构的X射线衍射测试结果，
InGaAs的衍射峰变强，并出现了干涉条纹，表明此时InGaAs势阱层的结晶质量进一步得到
了改善。

[0085] 实施例八

[0086] 本实施例中，InGaAs/GaAs量子阱结构由MOCVD设备生长获得，其中GaAs下势垒层生长温度T1为650℃，势阱层为In0.25GaAs，生长温度T2为580℃，GaAs低温势垒层生长温度同
为580℃，厚度h1为3nm，GaAa高温势垒层生长温度T3为650℃，厚度h2为17nm。图12为变温生
长GaAs上势垒层表面的原子力显微镜测试结果，表面台阶密集且等距，边缘规则，趋于直
线，表明此时为台阶流生长模式。图10为InGaAs/GaAs量子阱结构的X射线衍射测试结果，
InGaAs的衍射峰变强，并出现了干涉条纹，表明此时InGaAs势阱层的结晶质量进一步得到
了改善。

[0087] 实施例九

[0088] 本实施例中，InGaAs/GaAs量子阱结构由MOCVD设备生长获得，其中GaAs下势垒层生长温度T1为650℃，势阱层为In0.25GaAs，生长温度T2为580℃，GaAs低温势垒层生长温度同
为580℃，厚度h1为5nm，GaAa高温势垒层生长温度T3为650℃，厚度h2为15nm。图13为变温生
长GaAs上势垒层表面的原子力显微镜测试结果，表面出现了富In三维结构，表明5nmGaAs低
温势垒层过厚。图10为InGaAs/GaAs量子阱结构的X射线衍射测试结果，无明显InGaAs的衍
射峰，表明此时InGaAs势阱层的结晶质量不好。

[0089] 本申请公开了一种InGaAs/GaAs量子阱结构及其生长方法，将GaAs上垒层分为低温生长势垒层与高温生长势垒层两部分，低温势垒层生长温度与InGaAs势阱层一致，高温
势垒层则升至较高温度生长。本申请提及的生方法相对传统的等温生长方法，能够有效的
减少材料的非辐射复合中心，提高了光学特性。同时，较高的生长温度也提高了材料的结晶
质量，对于将高质量InGaAs/GaAs量子阱结构应用在半导体激光器，光电探测器探测器，太
阳能电池等领域提供了便利。

[0090] 尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。
本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征
的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。