一種基于鉍元素的GaAs基室溫紅外發(fā)光材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電材料制備領(lǐng)域，特別涉及一種基于鉍元素的GaAs基室溫紅外發(fā)光材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，信息呈現(xiàn)爆炸式的增長，作為主要傳輸網(wǎng)絡(luò)的光纖通信系統(tǒng)必須向著更大的傳輸容量和更遠(yuǎn)的傳輸距離發(fā)展。信號的色散、衰減和非線性效應(yīng)是影響光纖傳輸系統(tǒng)性能的主要因素。光纖通信系統(tǒng)中1.3 μπι的光在信息傳輸過程中色散最小，國際電信聯(lián)盟所規(guī)定的G.652光纖稱為標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，是指零色散波長在1.3 μπι窗口的單模光纖。因此，發(fā)展1.3 μπι工作的激光器具有重要的實際應(yīng)用意義和商用價值。
[0003]目前，光纖通信系統(tǒng)中所使用的半導(dǎo)體激光器產(chǎn)品主要以InGaAsP/InP體系最為成熟，InGaAsP與InP雖然晶格完全匹配，可實現(xiàn)1.3和1.55 μπι的發(fā)光波長，但是InP和InGaAsP導(dǎo)帶帶階較小，載流子束縛能力差，使得閾值電流較高，溫度穩(wěn)定性較差，必須采用制冷裝置恒溫，能耗和成本很高。而采用GaAs基的半導(dǎo)體激光器則有望解決上述問題。GaAs基材料體系普遍具有較大的帶隙失配，對載流子限制能力更強，有望獲得非制冷半導(dǎo)體激光器。同時，InP襯底價格昂貴、易碎，不利于降低激光器成本，GaAs襯底則在材料質(zhì)量、成本上都有更大的優(yōu)勢。在GaAs基近紅外激光器材料中，InGaAs/GaAs材料體系的激射波長在0.9-1.25 μπι，通過調(diào)節(jié)In的組分可以拓展發(fā)光波長，但In組分過大會在材料中引入較大的晶格失配，降低晶體質(zhì)量。目前GaAs基上實現(xiàn)長波長的方法主要有:(I) InAs量子點激光器，用這種方法可以實現(xiàn)1.3 μπι工作的激光器；⑵InGaNAs量子阱激光器可以實現(xiàn)1.3和1.55 μπι激光器，但N的引入會導(dǎo)致材料光學(xué)質(zhì)量的急劇下降，器件工作電流相對較高；(3)GaAsSb/GaAs體系雖可以實現(xiàn)1.3和1.55 μπι的發(fā)光，但是GaAsSb和GaAs的導(dǎo)帶帶階較小，電子限制能力較差。同時II型發(fā)光使得激射波長和效率對于注入電流非常敏感。為了進一步拓展發(fā)光波長至通信窗口，有必要發(fā)展一種新的半導(dǎo)體材料。
[0004]近年來，稀鉍半導(dǎo)體材料由于其獨特的材料性能而引起了國際上廣泛的關(guān)注。人們發(fā)現(xiàn)，在II1-V族材料中摻入少量的Bi元素后，Bi原子能級與母體材料的價帶發(fā)生相互作用，產(chǎn)生價帶反交叉效應(yīng)，減小材料的禁帶寬度，例如GaAs中每摻入1%的Bi元素，材料禁帶寬度可降低84-88meV ；InAs中每摻入1%的Bi元素，材料禁帶寬度可降低42_55meV ；InSb中每摻入I %的Bi元素，材料禁帶寬度可降低36meV ;同時Bi元素的摻入可增大材料的自旋軌道分裂，從而抑制俄歇復(fù)合效應(yīng)，減小熱損耗，提高器件的工作溫度元素在II1-V族材料的生長中還具有表面活化劑的作用，有利于形成更平整的界面，改善材料的光學(xué)性能；此外，人們還發(fā)現(xiàn)GaAsBi材料的禁帶寬度對溫度依賴度遠(yuǎn)小于GaAs以及InGaAsP材料，例如鉍組分在1.9-5%范圍內(nèi)的GaAsBi材料，禁帶寬度溫度系數(shù)約為0.1-0.4meV/K,低于GaAs的0.56meV/K0因此，稀鉍材料可以有效的擴展II1-V族材料的發(fā)光波長，減小俄歇復(fù)合，提高器件的工作溫度，是制備通信激光器的理想材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提出了一種基于鉍元素的GaAs基室溫紅外發(fā)光材料及其制備方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中的半導(dǎo)體材料的發(fā)光波長難以拓展至通信窗口的問題。
[0006]為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種基于鉍元素的GaAs基室溫紅外發(fā)光材料，所述基于祕元素的GaAs基室溫紅外發(fā)光材料包括InxGa1 xAs材料層及GaAs1 yBiyM料層，其中，0〈x 彡 0.3，0〈y 彡 0.15。
[0007]作為本發(fā)明的基于鉍元素的GaAs基室溫紅外發(fā)光材料的一種優(yōu)選方案，所述基于祕元素的GaAs基室溫紅外發(fā)光材料包括至少一個由InxGa1 xAs材料層及GaAs1 #;^材料層形成的InxGa1 xAs/GaASl ,BiyAnxGa1 xAs等寬對稱雙量子阱材料結(jié)構(gòu)；其中，0〈x彡0.3，0<y 彡 0.15。
[0008]作為本發(fā)明的基于鉍元素的GaAs基室溫紅外發(fā)光材料的一種優(yōu)選方案，所述基于祕元素的GaAs基室溫紅外發(fā)光材料包括至少一個由InxGa1 xAs材料層及GaAs1 #;^材料層形成的InxGa1 xAs/GaASl yBiy#對稱量子阱材料結(jié)構(gòu)；其中，0〈x彡0.4，0〈y彡0.15。
[0009]作為本發(fā)明的基于鉍元素的GaAs基室溫紅外發(fā)光材料的一種優(yōu)選方案，所述基于祕元素的GaAs基室溫紅外發(fā)光材料包括至少一個由InxGa1 xAs材料層及GaAs1 yBiyM料層形成的GaAs1 ,BiyinxGa1 xAs/GaASl yBiy不等寬雙量子阱材料結(jié)構(gòu)；其中，0〈x彡0.3，0<y 彡 0.15。
[0010]作為本發(fā)明的基于鉍元素的GaAs基室溫紅外發(fā)光材料的一種優(yōu)選方案，所述基于鉍元素的GaAs基室溫紅外發(fā)光材料還包括襯底、緩沖層及GaAs帽層；
[0011]所述緩沖層位于所述襯底的表面上，且位于所述量子阱材料結(jié)構(gòu)的底部；
[0012]所述GaAs帽層位于所述量子阱材料結(jié)構(gòu)的頂部。
[0013]本發(fā)明還提供一種基于鉍元素的GaAs基室溫紅外發(fā)光材料的制備方法，所述基于鉍元素的GaAs基室溫紅外發(fā)光材料的制備方法包括以下步驟:
[0014]I)設(shè)置Ga爐溫度為900°C?1100°C，In爐溫度為700°C?1000°C，Bi爐溫度為400°C ?600°C，AsH3壓強為 500Torr ?100Torr ；
[0015]2)打開Ga爐擋板和AsH3閥門，在GaAs襯底上生長一層所需厚度的GaAs緩沖層，襯底溫度為500 °C?700 °C ；
[0016]3)關(guān)閉Ga爐擋板；
[0017]4)在AH3_門打開的前提下，將襯底溫度設(shè)為300°C?500°C ;
[0018]5)同時打開In和Ga的擋板，生長所需厚度的InxGa1 xAs材料層；
[0019]6)關(guān)閉In和Ga的擋板，將AsH3的壓強設(shè)為10Torr?500Torr ；
[0020]7)同時打開Ga和Bi的擋板，生長所需厚度的GaAs1 yBiy材料層；
[0021]8)關(guān)閉Ga和Bi的擋板，將AsH3的壓強設(shè)為500Torr?100Torr ；
[0022]9)同時打開In和Ga的擋板，生長所需厚度的InxGa1 xAs材料層；
[0023]10)關(guān)閉In和Ga的擋板，在AsH3_門打開的前提下將襯底溫度設(shè)為500°C?700 0C ；
[0024]11)打開Ga的擋板，生長一層所需厚度的GaAs帽層；
[0025]12)關(guān)閉所有源料的快門，將溫度降至室溫，生長結(jié)束。
[0026]作為本發(fā)明的基于鉍元素的GaAs基室溫紅外發(fā)光材料的制備方法的一種優(yōu)選方案，步驟9)與步驟10)之間還包括周期性重復(fù)步驟6)?步驟9)n次的步驟，其中η為大于等于I的整數(shù)。
[0027]作為本發(fā)明的基于鉍元素的GaAs基室溫紅外發(fā)光材料的制備方法的一種優(yōu)選方案，所述制備方法制得的InxGa1 xAs/GaASl ,BiyAnxGa1 xAs等寬對稱雙量子阱材料結(jié)構(gòu)中，0〈x 彡 0.3，0〈y 彡 0.15。
[0028]本發(fā)明還提供一種基于鉍元素的GaAs基室溫紅外發(fā)光材料的制備方法，所述基于鉍元素的GaAs基室溫紅外發(fā)光材料的制備方法包括以下步驟:
[0029]I)設(shè)置Ga爐溫度為900°C?1100°C，In爐溫度為700°C?1000°C，Bi爐溫度為400°C ?600°C，AsH3壓強為 500Torr ?100Torr ；
[0030]2)打開Ga爐擋板和AsH3閥門，在GaAs襯底上生長一層所需厚度的GaAs緩沖層，襯底溫度為500 °C?700 °C ；
[0031]3)關(guān)閉Ga爐擋板；
[0032]4)在AH3_門打開的前提下，將襯底溫度設(shè)為300°C?500°C ;
[0033]5)同時打開In和Ga的擋板，生長所需厚度的InxGa1 xAs材料層；
[0034]6)關(guān)閉In和Ga的擋板，將AsH3的壓強設(shè)為10Torr?500Torr ；
[0035]7)同時打開Ga和Bi的擋板，生長所需厚度的GaAs1 yBiy材料層；
[0036]8)關(guān)閉Ga和Bi的擋板，將AsH3的壓強設(shè)為500Torr?lOOOTorr，將襯底溫度設(shè)為 500 cC ?700。。；
[0037]9)打開Ga的擋板，生長一層所需厚度的GaAs帽層；
[0038]10)關(guān)閉所有源料的快門，將溫度降至室溫，生長結(jié)束。
[0039]作為本發(fā)明的基于鉍元素的GaAs基室溫紅外發(fā)光材料的制備方法的一種優(yōu)選方案，步驟8)與步驟9)之間還包括周期性重復(fù)步驟4)?步驟8)n次的步驟，其中η為大于等于I的整數(shù)。
[0040]作為本發(fā)明的基于鉍元素的GaAs基室溫紅外發(fā)光材料的制備方法的一種優(yōu)選方案，所述制備方法制得的InxGa1 xAs/GaASl yBiy非對稱量子阱材料結(jié)構(gòu)中，0〈x ^ 0.3，0<y 彡 0.15。
[0041]本發(fā)明還提供一種基于鉍元素的GaAs基室溫紅外發(fā)光材料的制